試析ＧＩＳ與生態(tài)水文模型的整合

張曉芳

[摘要]生態(tài)水文過程影響因素眾多，而且具有明顯時間和空間變異性，目前，GIS在信息的動態(tài)獲取、分析處理、可視化以及二次開發(fā)等方面的技術(shù)和方法取得了長足的進(jìn)步，為實現(xiàn)生態(tài)水文過程研究提供有力支持。

[關(guān)鍵詞]GIS 生態(tài)水文 模型

中圖分類號：TB1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220083－01

一、水文模型的管理

生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等相關(guān)研究的深入和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推動了模型的開發(fā)和應(yīng)用，出現(xiàn)了大量計算方法和軟件，如SHE模型、LASCAM模型、USGS降雨徑流模型、SLURP模型、TOPMODEL模型、TOPAZ模型、SWAT模型、SWAT模型等。

生態(tài)水文過程本身極其復(fù)雜，不僅要模擬水動力過程，還要描述各類物理化學(xué)物質(zhì)在區(qū)域或水體中的運移轉(zhuǎn)化，研究生態(tài)過程的水文學(xué)機(jī)制，涉及到許多物理、化學(xué)和生物過程，而且生態(tài)水文過程具有明顯的區(qū)域性，影響因素多樣，相互作用機(jī)理復(fù)雜，必然導(dǎo)致模型大都比較復(fù)雜。而且，環(huán)境模型軟件一般由不同研究部門和研究人員開發(fā)，軟硬件環(huán)境、開發(fā)語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式、模型功能、模型的精度彼此差異很大，對環(huán)境過程模擬預(yù)測的詳細(xì)程度各異，導(dǎo)致模型的相互連接、結(jié)果對比非常不便，造成應(yīng)用中模型選擇和應(yīng)用十分困難，有時某項工作或研究甚至不同的階段需要多個模型，就需要重復(fù)輸入許多數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)格式的頻繁轉(zhuǎn)化，不僅增加額外的工作量，降低工作效率，而且數(shù)據(jù)重復(fù)輸入和多次轉(zhuǎn)化會產(chǎn)生誤差，影響計算成果的精度。因此，如何管理和使用生態(tài)水文模型成為一個亟待解決的問題。李本綱等在廣泛分析各類水環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，探討建立水環(huán)境模型庫的原則和方法，并提出了水環(huán)境模型庫管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，認(rèn)為在GIS的支持下可從地表水模型、地下水模型、非點源模型中分別抽取能決定模型適用范圍、復(fù)雜程度的若干技術(shù)參數(shù)，并用這些參數(shù)組建模型關(guān)系數(shù)據(jù)庫，利用GIS的SQL語句按照這些技術(shù)參數(shù)查詢、檢索和選擇所需的水環(huán)境模型，可以實現(xiàn)模型的管理。

二、GIS與生態(tài)水文模型的整合

環(huán)境模型庫的建立方便了模型的選擇，但環(huán)境模型大都用FORTRAN或C語言等底層語言開發(fā)，采用MSDOS界面，學(xué)習(xí)和操作難度較大，模擬結(jié)果表達(dá)功能較弱。如澳大利亞LASCAM模型需要結(jié)合MATLAB結(jié)合制作各種圖表。地理信息系統(tǒng)的可視化功能很強(qiáng)，可以方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、模擬結(jié)果的表達(dá)輸出，將研究人員從單調(diào)枯燥的數(shù)據(jù)分析中解脫出來，生態(tài)水文模型的設(shè)計、校驗、修改和應(yīng)用以及模型之間的相互比較也變得相對容易。另外，現(xiàn)有GIS在解決社會、資源、環(huán)境問題中功能源源不足，缺乏建設(shè)性、探索性數(shù)據(jù)分析功能以及建模模擬缺失是當(dāng)前GIS系統(tǒng)的致命缺陷，影響了GIS的應(yīng)用廣度和深度。將環(huán)境模型和GIS集成可以彌補(bǔ)GIS之一缺陷。正由于GIS與環(huán)境模型在功能上的互補(bǔ)性，兩者的結(jié)合近年來一直是環(huán)境研究中頗受重視的領(lǐng)域。

GIS與模型的集成有很多分類， 李碩等綜合國內(nèi)外研究成果，根據(jù)GIS與模型集成的程度將GIS與環(huán)境模型的集成方式分為四類:獨立應(yīng)用、松散集成、緊密集成和完全集成。這4種方式集成程度越來越高，編程要求也越來越高。獨立應(yīng)用集成方式集成程度最低，實質(zhì)是GIS和環(huán)境模型分別使用，數(shù)據(jù)交換通過ASCII文件進(jìn)行，集成效果有限；集成程度最高的是完全集成，GIS與環(huán)境模型為同一系統(tǒng)的模塊，數(shù)據(jù)模型一致，但開發(fā)難度極大。因此松散集成和緊密集成是最常見的集成方式，有的水文模型引入GIS的空間分析功能如美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究實驗室開發(fā)的TOPAZ軟件，和RSI公司的RIVERTOOLS；有的GIS將水文模型作為自身的一個模塊進(jìn)行開發(fā)。成功實例如A GN PS A rc? info(A 2gricultural Non Po int Source)、SWA T ARCV IEW -AV SWA T2000、AN SW ERS GRA SS(A eruak Nonpo intSourceW atershed Environment Response Simulat ion)等，它們將GIS和水文、水土侵蝕等模塊結(jié)合，建立了分布式模型，研究流域、區(qū)域的水文過程，同時它們也考慮流域或區(qū)域的生態(tài)屬性，將葉面積指數(shù)、植被指數(shù)、土地利用類型等作為輸入，建立生態(tài)和水文之間的聯(lián)系，研究生態(tài)變化的水文效應(yīng)，成為宏觀尺度的生態(tài)水文過程研究的有利的工具。越來越多的商業(yè)地理信息系統(tǒng)軟件提供了二次開發(fā)語言，如宏語言AML、AVENUE，MAPBASIC等，ESRI公司的ARCOB2JECTS和MA POBJECTS控件使開發(fā)者可以用VB、VC等通用編程語言方便的進(jìn)行二次開發(fā)，促進(jìn)GIS與模型的整合。

但是兩者的整合并非純技術(shù)問題，只通過編程就能實現(xiàn)，兩者的整合需要堅實的理論基礎(chǔ)。首先，從技術(shù)的角度看，幾乎在所有的水文模型中，水文過程的時間變化比水文現(xiàn)象的空間變化更為重要。在當(dāng)前的GIS中，水文現(xiàn)象的時間變化僅僅作為空間環(huán)境結(jié)果來進(jìn)行模擬。為更好的與環(huán)境模型相結(jié)合，需要建立具有時間維的四維GIS。而目前時態(tài)GIS研究處于初級階段，虛擬GIS存在畫面單調(diào)，運行速度慢等問題，GIS功能仍需完善。其次，目前現(xiàn)有流域水文模型大都是概念性模型，許多結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)上人主要借助于概念性元素模擬或經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系描述，只涉及現(xiàn)象的表面，參數(shù)缺乏明確的物理意義，只能主要依據(jù)實測降雨和徑流資料利用最優(yōu)化方法來反求，而這樣求得的模型參數(shù)必然帶有經(jīng)驗統(tǒng)計性，只能反映模擬值與實測值擬合程度，反映有關(guān)影響因素對流域徑流形成過程的平均作用。再次，GIS和模型的整合盡管有很多優(yōu)點，并不能代表模型本身的高質(zhì)量，GIS和模型的整合并不能從根本上提高模擬精度，而且，友好的用戶界面和良好的可視化效果會導(dǎo)致不熟悉水文規(guī)律的用戶草率地對一個非常復(fù)雜的水文模型進(jìn)行操作，并隨意改動水文參數(shù)，從而得到不合理的模擬結(jié)果而不了解造成這些結(jié)果的原因。D.Z.SUI等認(rèn)為目前GIS和水模型的結(jié)合本質(zhì)是由技術(shù)驅(qū)動，而沒有解決整合中的理論概念問題；不應(yīng)該把GIS簡單的看成一種數(shù)據(jù)管理工具，否則不會是真正的整合，只是簡單的一塊使用，舊瓶裝新酒罷了。

目前，生態(tài)水文模型和GIS、RS的耦合上多限于低層次文件交換，且僅限于具體工作中，只是一種數(shù)據(jù)共享的初級耦合，一體化式耦合模型的建立尚需時日。

參考文獻(xiàn)：

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