浅谈GIS在环境方面的应用

浅谈GIS在环境方面的应用

学院：计算机科学与技术学院

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地理信息系统、GIS应用、环境监测、水环境管理、环境质量和影响评价

摘要：

近年来，地理信息系统(geographic information system)取得了飞速的发展，广泛应用于许多领域的数据管理和决策支持。本文简要介绍地理信息系统的概念和它在环境方面的几个应用。

正文：

地理信息系统(GIS)简介地理信息系统(Geographic Information System简称GIS)是一项新兴技术,有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。GIS随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展和交叉而形成,它是一种特定的十分重要的空间信息系统。是一个能够对空间相关数据进行采集、管理、分析和可视化输出的计算机信息系统。地理信息系统萌芽于20世纪60年代初，1972年，世界上第一个物理信息系统――加拿大地理信息系统（CGIS）全面投入运行。此后，地理信息系统在全球范围内获得了快速发展，在西方发达国家GIS应用已经渗透到社会经济生活的各个方面，目前已成功地应用到了资源管理、环境保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等众多领域。在我国随着经济建设的迅速发展，GIS在城市规划管理、环境保护、交通运输、防灾减灾、农业、林业等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。环境保护以及污染治理治理是城市可持续发展的重要保证,加强城市环境管理是我国环境保护的政策之一,城市的可持续发展需要高质量环境与环境管理的保证。城市环境管理工作主要包括环境规划与决策、监测、评价、预测与模拟等。地理信息系统(GIS)在环境领域应用非常广泛,地理信息系统(GIS)技术的应用是环境科技发展的一个重要方向,可用于城市环境规划与决策、环境监测、环境评价、环境模拟与预测等方面的环境管理工作,是实现城市可持续发展有力的技术支持。

随着我国环境信息化的快速发展和计算机新技术在环境保护领域的广泛应用，环境信息系统在环境保护管理和决策工作中发挥着越来越重要的作用。而地理信息系统技术的出现为环境保护工作迈向信息化、现代化提供了技术支持。目前，全国27个省级环保局及一百多个城市环保部门都已购置了ESRI公司的ARCGIS、ARCVIEW地理信息系统平台软件和相应的硬件设施，大部分省市已经建立环境基础数据库，在GIS平台上开发了城市环境地理信息系统、重点流域水资源管理、环境污染应急预警预报系统等，取得了显著的成效。

GIS可应用于环境管理。环境管理工作就是运用经济、法律、技术、行政、教育等手段,使经济发展与环境相协调,达到既发展经济,满足人类基本需要,又

不超过环境的允许极限。环境管理工作中引进GIS技术,无疑有助于许多环境问题的解决。GIS可用于环境模型模拟、检验、空间分析,加之直观的结果显示(图形或表格)和可共享的数据源,提高环境模型的应用效率。环境管理的核心内容是对重大污染源的控制。利用GIS的空间拓扑关系进行查询,可以把污染源的地理位置、污染种类、排放量及其他状况等清晰地反映出来。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。可以通过结构化查询语言(SQL)进行统计查询,获得所需的信息。目前,已有许多城市建立了自己的环境信息系统,利用计算机上的虚拟现实等技术,使有关部门能够对城市环境进行有效的计划和管理。它的建立过程一般包括数据搜集、分析、计划和设计、评价等几个步骤。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、贮存收集的其他部门相关信息等进行数据分析。例如,可以将城市中的每一个区域的污染源基础数据输入GIS系统,然后对这些数据进行分析,针对存在的问题进行设计和提供解决方案,最后对得出的方案进行评价,从而为政府职能部门及时了解情况、提高管理效率以及吸引项目投资等提供方便。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。

GIS可应用于环境监测。城市环境的演变是一个动态的过程,城市环境动态监测的实现,有赖于信息的适时更新和对信息的空间分析与综合处理。地理信息系统具有强大的空间分析和数据处理功能,充分利用GIS的功能模块结合选定的环境监测模型可以对多源环境信息进行处理,从中发现环境演变的动态规律,通过不同时段环境信息的对比和综合分析,辅助决策。其关键在于建立科学的监测模型,对信息进行有效的综合处理,从而实现对环境的综合动态监测。包括大气污染的监测,水体污染监测、生态环境监测,环境灾害监测等。GIS强大的专题制图功能可将环境的变化情况、规律通过直观的图件资料予以显示。(1)大气环境的动态监测与分析。大气环境是环境问题的一个重要因素,尤其是人口密集、工业企业集中的城市大气环境问题显得尤为突出。目前很多国家和地区都在为改善和恢复大气环境做着积极的努力。在进行这项工作时,首先要了解大气环境的特点。第一,它的空间尺度大,人类赖以生存的大气圈有上百公里的厚度;第二,空气在自然环境中有着最好的流动性,地面是其不可逾越的固体边界。因此大气环境的动态监测与分析工作最适合用GIS技术进行研究。应用GIS建立城市大气污染的管理系统时,将基础数据进行如下分类:属性数据,如污染物排放量、人口状况、工业结构等;地理(空间)数据,如污染源的分布、城市现状平面图等。把数据库分为基本型和导出型,应该既更新基本型数据库,又更新导出型数据库。利用GIS

的空间图形图像的显示、分析功能,可以获得各污染物浓度分布图,了解各污染物的空间分布及超标情况。致力于大气环境问题的科研人员已经在这些方面取得了长足的进展,国内外都有成功的实例。比如,欧洲的RAINS模式就是一个跨国界的SO2排放量计算机管理系统,我国“七五”环保项目中“国家大气环境信息系统”。大家熟知的大气层的臭氧层“黑洞”就是通过GIS和遥感技术发现的。(2)水资源环境监测。随着工业的发展,水资源也受到了不同程度的污染。此外人口的急剧增长及城市的发展,许多城市出现了用水紧张的局面。因此,加强对水资源的监测和管理迫在眉睫。水资源环境的一个特点是空间信息量大,而对空间信息的管理与分析正是GIS的优势,这样GIS便成了一个强有力的水资源管理工具,使水资源的管理工作由传统模式进入了现代化的动态管理模式。GIS应用于水资源数据的监测管理,主要是对水质数据、供水部门数据及遥感数据进行管理与分析等。GIS与计算机水域模型的结合已成为动态评估城市水资源环境的强有力工具。如Adamus和Bergman采用GIS与筛选函数分析水域内无点污染源的荷载分布,Richard和Host应用GIS与相关函数分析河流生物与上游土地应用及河流形状的关系,中国环境科学院郑丙辉等应用GIS定量分析昆明市松华坝水库的流域面源污染。用GIS管理水资源数据,使得数据资源共享具有很大潜力,增强了数据管理与分析的可视性,将数据管理的水平又提高到一个新的高度。Hudak等人在利用GIS技术对地下水监测网络进行的设计中,对所选研究区域进行详细的场地监测和分析,从而有利于管理地表和地下废物设施,及时发现潜在污染源,加强对水源井的保护,还能为填理场选址提供决策支持。上海市环境管理部门于20世纪80年代末开始GIS的应用研究,并建立了黄浦江流域水环境地理信息系统,系统具有动态监测显示、水污染过程模拟及取水口水环境管理功能,并可对水质作出快速预测分析和预报。(3)生态环境宏观监测。我国改革开放以来,经济高速增长,然而资源的过度开发利用,对生态环境造成了严重的破坏。为了实现我国经济可持续发展战略,必须了解生态环境现状,解决主要生态环境问题,以保障有关决策部门在资源开发利用和保护生态环境方面做出合理的、科学的宏观决策。由于生态环境信息具有容量大、层次多、内容广、关系复杂、空间分布和动态变化的特点,以往所做的大都是一些常规的、单项的生态环境和资源调查,而且监测结果的技术质量较低。

GIS可应用于环境质量评价和环境影响评价。由于GIS能够集成管理与场地密切相关的环境数据，因而也是综合分析评价的有力工具。环境影响评价是对所有的改、扩、建项目可能产生的环境影响进行预测评价，并提出防止和减缓这种影响的对策与措施。利用GIS的空间分析功能，可以综合性地分析建设项目各种数据，帮助确立环境影响评价模型。由于GIS系统具有层的结构，可将不同的环境影响进行计算并叠加。深圳市环境保护研究所已利用GIS技术进行编制环境影