环境信息系统在环境保护中应用

地理信息系统在环境领域的应用

摘要：介绍了地理信息系统(GIS)其特点。从环境科学的角度出发，介绍了GIS在环境信息、环境质量管理、环境规划和环境影响评价等方面的开发应用前景。并结合实例，探讨了地理信息系统在大气环境影响评价中的具体应用过程。

关键词：地理信息系统(GIS)；环境；大气环境评价

引言

GIS(geographical information system)是一门集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴交叉学科。它以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的、动态的地理信息，为地理研究及地理决策服务。计算机支持是其主要特征，空间查询和空间分析是其主要功能。由于环境问题与地理因素紧密相关，通常带有很强的地理或地理分布特征，运用GIS技术能有效处理基于环境问题的大量复杂空间信息。[1]

环境问题是21世纪全球性的问题，对环境问题的研究及解决必然涉及到复杂、敞开的地表系统。而GIS能为现实地理空间上的物质和能量运动规律的研究提供方便、准确的空间管理和空间分析手段。因此，GIS与环境科学的结合运用有着巨大的发展潜力。在环境管理、环境规划、环境监测、环境影响评价、环境工程及环境地球化学等领域拥有广泛的应用前景。

1 GIS的特点

GIS是在计算机硬件支持下，对地理空间数据及相关的属性进行采集、录入、编辑、处理、分析、输出，并利用某一领域的数学模型进行空间分析、模拟的一门现代技术。其组成主要包括硬件、软件、数据和用户四大要素。与一般的管理信息系统相比，地理信息系统有以下特点：a)强大的空间数据管理系统。将现实世界经过模型处理后得到的各种数据(包括空间数据和属性数据)输入到系统中，系统可以有机地组织、管理、显示这些数据。b)形象直观的应用界面。系统用模型化了的电子地图和用户交互，使用者可依靠人类固有的对自然界的认知和逻辑来操作数据。c)强大的空间分析能力。数据是空间对象的一种属性，并可通过地理对象的相关性进行连接、分割、总计等操作，使空间问题的处理简单迅速。[2]

2 GIS在环境领域的应用

2．1 环境管理

环境管理信息系统(EMIS) 该系统是为环境管理和决策服务的技术过程系统。GIS在其中的应用大大改善了EMIS基础数据的处理和收集方式，提高了环境管理的效率。利用GIS的数据采集与编辑、信息查询、数据库管理、统计制图、空间分析等功能，环境工作者可将已经编码的空间数据组合起来，并确定其地理位置，同时揭示不同信息间的相互关系，尤其可对空间数据进行分析和运算。目前，为满足EMIS 向更高形式发展的需要，GIS在其中的应用以与环境模型相耦合为主要形式。[3]

环境管理是指运用经济、法律、技术、行政、教育等手段，来限制人类损害环境质量的活动。通过全面规划，使经济发展与环境相协调，达到既要发展经济，满足人类基本需要，又不超过环境的允许极限的目的。国家和地方各级环保局都需要大量环境质量数据和统计报表，而GIS能够管理大气质量、噪声、水资源、生物资源、社会经济数据等，并能够有效地组织这类信息来进行环境统计、土地利用规划及总体发展规划等。目前，已有许多城市建立了自己的环境信息系统，它可以搜索、存储、加工、传输本市的环境质量、污染物排放和治理、清洁生产、环保产业与产品、自然保护、生态平衡、环境管理以及对外合作等相关的社会经济信息。还可利用GIS对环境监测信息、环境管理业务信息、排污申报信息、贮存收集的其它部门相关信息等进行数据分析。重点污染源是环境管理的主要内容，用GIS可以把重点

源的地理位置、污染种类、污染负荷、对该地区的影响以及对区域环境的贡献等清晰地反映出来，同时还可以对重点污染源的各种污染要素进行分析和综合统一的管理，还可分不同层面对污染源进行显示处理。Ventura等就利用GIS对城市面源污染进行了分析和评价，并结合土地类型的分配，为采取控制措施提供决策依据。[4]

2. 2环境监测

随着社会经济的不断发展，环境污染及生态破坏等环境问题也日趋严重。建立环境监察信息系统已成为保证人类社会、经济和环境可持续发展的重要任务之一。以往的环境监察主要以手工收集和处理为主、即使使用了计算机技术，也都是基于数据库建立的信息系统。传统的数据库结构缺乏不能很好地表达、存储空间信息，不能实现空间管理和空间分析。

随着环境管理对环境监察工作要求的提高，以及计算机硬件成本的下降和应用技术的迅速发展，对应用计算机来提高工作效率、降低劳动强度、促进决策的科学性的要求日趋强烈。现在，在数据的使用效果和决策的科学性上，还没有得到基本解决。这是因为环境监察工作涉及到许多方面的信息：监察的方法和准绳、环境标准、监测、污染源监测、污染处理设施运转、污染事故、排污事故等。

环境监察的信息涉及到自然、生态、经济、技术、法律和社会等错综复杂的领域。这些信息内容极其丰富，来源十分广泛，且各种信息之间具有十分强烈的相关性和综合性。描述这些信息的数据更含有大量的地理属性，既不是单一的空间数据，也不是纯粹的属性数据，而是二者兼有。因此，要对其进行透彻的分析，必须把空间数据和属性数据结合起来，将地理信息系统(GIS)技术引入到环境监察信息系统中是非常必要的。基于GIS技术的环境监察信息系统的建立，不仅可以提高对污染源的管理水平，而且在经济上减少了由于没有很好管理污染源带来的污染事故造成的经济损失，在社会发展层次上保障了人民生活安全和提高了人民生活质量。[5]

2．3 环境影响评价

环境影响评价(Environmental Impact Assessment，EIA)是在决策和开发建设活动中实施可持续发展战略的一种有效手段和方法。EIA是建立在环境监测技术、污染物扩散规律、环境质量对人体健康影响、自然界自净能力等学科研究分析基础上发展起来的一门科学技术GIS是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。。EIA中的许多环境同题和环境过程通过现有的成熟的模型可以准确的描述出来且算法精炼，如二维和三维水质模型、大气扩散模型、污染物在地下水中运移模型、噪声扩散模型等等，且大都具有明显的空间特性，但这些环境模型空间数据的操作尤其是在结果显示方面仍显困难。而空间分析和空间数据管理正是GIS的优势。GIS可以为环境模型提供一整套基于GIS逻辑原理的空间操作规范，用以反映具有空间分布特性的环境模型研究对象的移动、扩散、动态变化及相互作用。

GIS技术在直接解决复杂的环境问题，模拟复杂环境过程时又遇到一些难以解决的问题，如随时间或空间变化过程的静态模拟，用简单的布尔代数逻辑运算去表达复杂的相互关系、三维实体的二维表示和透视处理等而EIA通过20多年的发展，其中的环境模型已经相当成熟，可以简洁明确地处理这些问题，从而使GIS免受复杂算法的困扰，使其充分发挥空间数据管理分析、显示的能力[6]

GIS在项目环境影响评价中的应用体现在以下几个方面：①建立环境标准和环境法规数据库，并使各种环境标准、环境法规与建设项目的性质、规模及所在的环境条件相匹配．从而在进行具体项目EIA时可以根据该项目及其所处环境的实际情况，调用该项目EIA所必须遵守的环境标准和环境法规；②建立区域自然与社会经济信息数据库，其中自然环境信息包括地

形、地质、水文、土地利用、土壤、动植物区系等；社会经济信息包括行政区范围、人口数量、卫生、教育、经济水平、产业结构、行业结构、基础设施、居住条件等；③建立区域环境质量信息与污染源数据库，环境质量信息包括大气质量、水资源、土壤、生物资源、噪声、放射性及其它有关信息；污染源信息包括工业、农业、生活、交通等污染源(数量、属性和空间信息)及污染发生所涉及的地区范围。GIS能够方便地管理各种环境信息，并能够有效地组织这类信息进行环境统计，为EIA提供基础资料。④建立工程项目信息数据库；项目工程信息包括建设项目的性质和规模、工艺流程、污染种类、排放源、排放方式与排放量、环保治理技术等；⑤环境监测，利用GIS技术对环境监测网络进行设计，环境监测收集的信息又能通过GIS适时储存和显示，并对所选评价区域进行详细的场地监测和分析；⑥环境质量现状与影响评价，GIS能够集成与场地和建设项目有关的各种数据及用于环境评价的各种模型，具有很强的综合分析、模拟和预测能力，适合作为环境质量现状分析和辅助决策工具。GIS还能根据用户的要求，方便地输出各种分析和评价结果、报表和图形；⑦环境风险评价，GIS能够提供快速反应决策能力，它可用于地震和洪水的地图表示、飓风和恶劣气候建模、石油事故规划、有毒气体扩散建模等，对减灾、防灾工作具有重要意义。⑧环境影响后评价，GIS具有很强的数据管理、更新和跟踪能力，能协助检查和监督环境影响评价单位和工程建设单位履行各自职责，并对环境影响报告书进行事后验证。

另外，GIS在区域环境影响评价中也有应用。GIS能够有效地管理一个大的地理区域复杂的污染源信息、环境质量信息及其它有关方面的信息，并能统计、分析区域环境影响诸因素(如水质、大气、河流等)的变化情况及主要污染源和主要污染物的地理属性和特征等。GIS具有叠置地理对象的功能，对同一区域不同时段的多个不同的环境影响因素及其特征(如环境质量、人口、经济水平、产业结构、自然景观、地貌、山川、河流等)进行特征叠加，分析区域环境质量演变与其它诸因素之间的相关关系。从而对区域的环境质量进行预测。此外，可利用GIS将区域的污染源数据库和环境特征数据库(如地形、气象等)与各种环境预测模型相关联，采用模型预测法对区域的环境质量进行预测。利用GIS不仅可显示原有数据的地图，还可以建立分析结果的地图，例如在一张地图上。显示重点污染源的位置及其对环境的影响。[7]

2．4 环境规划

环境科学具有许多学科性，环境的规划管理，如流域的水污染控制，固体废弃物的处置场址选择、自然保护区的规划等都需要处理大量的空间信息。为了正确、科学地进行环境规划工作，必须有足够的、现时的环境状态与特征的信息资料，这些数据的处理和分析工作量是很大的，用传统的人工作业工作量大且精确程度不高，在此基础上，将GIS引入环境规划成为必然。GIS在环境规划方面具有很大的优越性，因为它可以把各种不同来源的数据按类型进行分类，并放在不同的图层(Coverage)上，各层之间可以进行运算、变换、叠加、旋转等。另外，在环境规划中可以利用GIS数据表达直观形象的特点，输出的结果图形化，更

便于为人们所接受。[8]

城市环境规划是一项复杂的系统工程，涉及到对多源信息的采集、处理、分析及对不同方案的比较、模拟、预测，要求不同方式的输出与显示方式．这些工作都可以在GIS的支持下进行．

1 规划信息管理。城市环境规划信息涉及到产业布局、主要污染源分布、城市自然地理条件等领域，涵盖大气、水、植被、固体废弃物、噪声等要素，信息源多样，数据格式和结构不统一，进行统一的信息管理是规划工作的基础．GIS在信息管理方面具有突出的优越性，可以将空间信息和属性信息进行综合管理，对不同要素、不同领域的信息分层管理，并在各信息层之间建立有机的联系．因此，将有关的信息通过图形扫描输入、数据库移植、实地调查、

统计汇总等方式采集输入GIS数据库，按照信息之间的内在联系建立互联机制，利用GIS 数据库对规划信息进行综合管理，以提供规划使用．通过对已有资料的分析，可以为规划工作提供指导和借鉴．

2 规划方案确定。规划方案的确定涉及到不同方案的模拟、评价与比较．GIS可以根据已有信息、区域自然地理条件、方案设计等对模拟方案的运行情况，尤其是对重要污染源及其导致的污染扩散情况进行缓冲区分析，并对各污染要素进行叠合分析，形成动态的

环境演变预测图．通过对不同方案的预测，根据城市总体规划的要求，就可以对各个环境规范方案进行比较，尤其是对设计的环境治理与保护方案的效果进行评价，按照一定的决策标准，选择最佳环境规划方案．无论是对于环境总体规划还是对于单项规划，GIS的模拟、比较、分析功能都可得到充分利用．GIS与各种环境规划专业模型的有效结合可以完成相关的规划工作，这种结合一般有两种方法：一是在GIS与专业模型间建立数据通道，GIS提供数据源，通过数据传输、格式转换后，在空间模型中进行分析处理，并将结果返回GIS通过其制图模块输出规划结果；另一种是在GIS的基础上进行二次开发，建立环境规划模块．3 制作规划图件。城市环境规划的结果最直观的输出方式就是各种规划图件．GIS具有强大的制图能力，可按照规划方案，输出需要的图件．由于GIS的制图功能在图形符号、颜色分配等方面与环境规划图的要求不适应，因此必须按照环境规划图的有关规程对GIS的制图模块进行完善，或将相应的制图软件与GIS数据库相联接，从GIS中获取有关的信息进行制图，输出要求的各种规划图件．[9]

图――城市环境规划信息系统的基本功能模块

2．5 突发性污染事故应急

突发性环境污染事故是一种威胁人类健康、破坏生态环境的危害性较大的污染事故。其特点是没有固定的排放方式和排放途径，突然发生、来势凶猛。在短时间内排放大量有毒有害的污染物，其结果是对环境造成重大污染，经济上造成巨大损失，对居民的身体健康及生命安全造成巨大威胁，其危害制约着生态平衡及经济、社会的发展。因此，建立突发性污染事故应急GIS是十分必要的。[10]

1 建立突发性污染事故隐患监护体系。对污染事故隐患进行监护，能够掌握事故隐患的发展状态，积极采取有效措施，防止事故发生。可利用GIS对声音、活动图像等信息媒体进行快速处理的功能，将被监测的场所、设备、物料、储量以及现场的温度、湿度、风向、风力等状况运用计算机软件系统进行综合处理，显示出事故隐患的变化状态，针对可能发生事故的状况，按照事故预进行处理或提出处理措施和救助处理方案。

2 建立突发性污染事故紧急救助的快速反应系统。将某城市或某区域的底图输入计算机，并把有毒有害物质的成份和它的其它信息综合统一起来，建立“紧急处理系统”软件，并与大气地面自动监测设备连接起来，在全市范围内或整个区域内形成一套“环境恶性事故报警与紧急处理系统”，一旦污染事故突发能迅速报告救援指挥中心，及时采取有效的救助措施，使事故造成的损失减少到最低限度。

3 建立突发性污染事故紧急处置查询系统。在对事故隐患及对引发事故敏感的有毒有害物质调查的基础上，对企业生产工艺中的每一个环节进行研究分析，查找出事故易发部位，确定污染因子及其排放方式，对人以及牲畜的毒性、危害程度，污染物排放量、浓度、持续时间等诸多因素，利用GIS和数据库管理技术，建立“污染事故处置查询系统”，当污染事故发生时，检出污染物种类后，可利用此软件，迅速查明防护、救援与处置措施。

4 开发突发性应急监测专家咨询系统。突发性应急监测专家咨询系统，就是开发具有人工智能的计算机软件，是一个解决高难度问题的实用工具，是一种综合现场实际模拟专家思维思考问题而做出决策过程的计算机应用程序，这个程序可以依据建立数据库中的原始数据和外

部输入的条件，模拟人的大脑进行思维和逻辑推理，进行一系列的程序运算，优化出所需最佳方案，供用户选择。目前，国际上已非常重视开发专家系统，国内则起步较晚，有条件的单位，可针对本单位实际，开展事故预防、救助专家系统的研究，以提高补救事故的能力。

[11]

2．6 城市生态环境功能区划

城市生态环境功能区划是为了揭示区域生态环境特点的空间变化规律，进行不同等级的区域划分，因地制宜对制定环境规划、管理与决策提供依据。传统的方法一般为定性分析，利用G1S软件支持，可以更精确、更直观地对空间数据进行划分把GIS应用于城市生态功能区划中节约了大量的人力、物力．可以提高工作效率，增加生态适宜度分析的科学性和客观性，应用GIS，区域的划分日趋细致．在GIS的图形中，栅格数据分辨率可以大大提高，增加信息容量，正确反映客观事实。把GIS应用于城市生态环境功能区划应该以建立相应的城市生态环境信息系统为发展目标，直接为地方环境管理提供数据、信息、决策和预测服务，同时，又为上级环境管理部门和环境管理信息系统提供信息支持。

3 GIS在各个环境要素中的应用

1 GIS在大气环境系统中的应用。在大气环境中，利用GIS不仅可以采集、管理巨量的环境数据，并能将这些数据按模式的需要以不同比例尺、不同精度、不同投影方式、不同格式反馈给模型。在大气环境模型中，大地地形及其地形高度对许多大气过程有着重要影响，在模式中要求尽可能精确地描述它。GIS很容易地根据分辨率的要求，对高程数据进行网格离散化。GIS能对模型运算输出数据进行综合处理，进行各类统计分析，如在过去较为繁琐的各污染物超过或满足某一级空气质量标准的面积的估算，利用GIS可以很容易统计出浓度处于某一区间范围的面积。利用GIS可综合多源信息的特点，可使对结果的分析进一步深入，进行有关的空间和属性查询。另外，GIS支持图形、图像、数据、报表等多种显示输出，这将在很大程度上丰富了大气应用模型。

2 GIS在水环境系统中的应用。GIS在水环境应用中仍可采集、管理大量基础数据，并通过和水环境模型的结合处理这些数据，进行水环境影响预测。在美国，GIS已经与美国水质工程中心的HEC1和HEC2模型以及其它水质模型，与河床模型、地下水迁移模型等实现了结合。美国犹地大学的一个科研小组利用GIS技术对墨西哥与美国的接壤地区进行了环境影响评价，他们建立了环境数据库、地表水污染路径模型、地下水污染路径模型，并利用GIS 的空间分析能力(如缓冲区分析)，对该地区经济发展所造成的环境影响进行了分析评价口

3 CIS在土壤环境系统中的应用。CIS可以用于各种与土壤环境管理相关数据的采集、存储、显示、查询、统计、输出等。如区域重点污染源、主要污染物空间分布的可视化查询、统计等，以及土壤类型分布图、土地利用现状图、土壤监测点布置图的绘制。利用CIS对基础数据和监测数据进行前期处理，然后利用GIS软件的高级应用系统开发语言建立环境现状评价及预测模型，使环境模型运行于GIS内部，实现GIS和环境预测模型的整体集成。如在模拟化肥和农药在土壤中迁移方面，现有的数学模型主要有农业管理系统中化学污染物径流负荷与流失模型与农用系统地下水负荷效益模拟模型，通过GIS与这些模型结合可以确定面源污染的影响因素、形成机理和分布规律。

4 GIS在噪声环境系统中的应用建立噪声环境标准和环境法规数据库、噪声环境质量信息与污染源数据库、工程项目(区域)信息数据库，把各种基础信息输入到相应的数据库，GIS就能够方便地管理各种环境信息，并能够有效地组织这类信息进行环境统计，为环境影响评价提供基础资料。利用GIS技术对噪声环境监测网络进行设计，环境监测收集到的信息又能通过GIS适时储存和显示，并对所选区域进行详细的场地监测和分析。利用GIS结合噪声环境预测模型，可以进行噪声环境影响预测，并可以绘出等声级图，给出噪声超标的范围和程度、噪声污染面积。[12]

GIS在环境领域的应用是十分广泛地，例如在城市，水库，河流水域，保护区等建立的环境地理信息系统。由于篇幅原因在此不再一一列举，详情可参看文后所列的参考文献。

总结

GIS所提供的崭新的操作空间数据的环境，可以很好地实现数据与底图相连接的地图编辑、建立拓扑关系、数据管理、空间分析和输出显示，并具有方便的数据传输、共享以及强大的模块扩展功能。随着GIS技术的不断发展，相信它在环境领域的运用会进一步得到扩展和完善，而环境管理也会因它而更加方便、有效。预期GIS将会成为环境领域最重要、最有效的手段之一。这是科技发展的必然，但同时也需要广大环保工作者和科研人员不断探索和拓展它在环境领域中的具体应用。

参考文献：

[1]孔雁波，朱翔地理信息系统在环境管理方面的应用云南省环境信息中心

[2]屈圣，王喜眉地理信息系统在环境领域的应用中国地质大学信息工程学院，中南民族大学等离子体研究所

[3]何艳，徐建明，施加春GIS在环境保护中的应用现状与发展浙江大学土水资源与环境研究所

[4]王海波，杜秋根，邢国义，李晓远GIS在环境管理中的应用辽宁省环境保护局，沈阳师范大学

[5]黄灵，吴小寅地理信息系统在环境监察中的应用南宁市环境监察支队

[6]冯立权，田卫，俞穆清GIS在环境影响评价中的应用探析中国科学院长春地理研究所

[7]何德文，柴立元地理信息系统在环境影响评价中的应用中南大学冶金科学与工程系统环境工程所

[8]樊文艳浅论地理信息系统在环境科学中的应用(续) 华东师范大学资源环境学院

[9]林卉，杜陪军，胡晋山地理信息系统在城市环境规划中的应用徐州师范大学国土信息与测绘工程系，中国矿业大学环境与测绘学院

[10]王凤林，毕彤沈阳市突发性环境污染事故应急地理信息系统沈阳市环境监测中心站

[11]焦红，李霞地理信息系统在突发性应急监测中的应用山东省博兴县环境保护局

[12]冯丽GIS技术在环境系统中的应用探讨西安理工大学

[13]索海生浊漳河流域水资源水环境信息系统开发与研究长洁市石子河水利工程管理处

[14]孔伟鸣宜兴市环境地理信息系统研究与应用宜兴市环境监测站

[15]顾军,龚建新,焦念志,赵淑江胶州湾海洋生态环境GIS数据库的构筑南京师范大学地理科学学院, 中国科学院海洋研究所