地理信息系統(tǒng)在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用研究

安徽眾帆環(huán)境工程有限公司 任愛華

近年來，隨著我國社會發(fā)展水平的不斷提高，我國國民的環(huán)保意識也逐漸增強(qiáng)，國家對于環(huán)境的保護(hù)和檢測方面越來越重視。環(huán)境的質(zhì)量好壞決定著我們?nèi)祟愇磥硎欠衲軌蚪】挡㈤L足穩(wěn)定地發(fā)展下去。我國大力支持開發(fā)環(huán)保技術(shù)，GIS技術(shù)的發(fā)展對我國環(huán)境保護(hù)的開展起到了很大的促進(jìn)作用。GIS在計算機(jī)系統(tǒng)的支持下，與環(huán)境科學(xué)的融合應(yīng)用，能夠及時有效地獲取相關(guān)的環(huán)境信息，完成相關(guān)的信息處理等，從而得出資源環(huán)境的變化規(guī)律或者未來走向等。這對于改善我國的生態(tài)環(huán)境作出了非常大的貢獻(xiàn)。

生態(tài)保護(hù)與工程建設(shè),是一個跨地區(qū)、跨部門、跨行業(yè)、跨世紀(jì)發(fā)展的綜合性工程,它直接關(guān)系著國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展如何長期、迅速、健康、平衡地實現(xiàn)。利用生態(tài)環(huán)保評價系統(tǒng)能夠有效科學(xué)地處理各類生態(tài)環(huán)保問題,以保障人類天然生態(tài)環(huán)境,進(jìn)而有效維護(hù)人類自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。利用GIS技術(shù)輔助對一些自然災(zāi)害也能及時預(yù)報,從而降低天災(zāi)所留給人們的直接經(jīng)濟(jì)損失。利用GIS技術(shù)在環(huán)保科研中的廣泛應(yīng)用,可以同時促進(jìn)環(huán)境資源的合理開采和利用,并提出有利于環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的環(huán)保對策。GIS技術(shù)憑借龐大的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)、形象直觀的應(yīng)用界面以及超強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)分析能力等優(yōu)點,在環(huán)境保護(hù)與科學(xué)研究中的效果越來越突出。所以,對探討GIS信息技術(shù)在生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究中的實際運用也有著重要意義。

一、地理信息系統(tǒng)技術(shù)概述

（一）地理信息系統(tǒng)技術(shù)

地理學(xué)信息體系是以計算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ),融入了地理學(xué)科技、遙感技術(shù)和信息科學(xué)等專業(yè)信息技術(shù),對整體或部分地表上的有關(guān)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、管理、保存、分類、描述的綜合信息技術(shù)體系,同時具備了信息可視化和空間關(guān)聯(lián)分析的特點。

（二）地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和功能

地理信息系統(tǒng)的基本架構(gòu)。地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣闊,包括了基礎(chǔ)設(shè)施的管理、環(huán)境研究、城市規(guī)劃、自動導(dǎo)航等。但若從與地圖和位置信息相關(guān)的層面來考察,如在環(huán)境科技的應(yīng)用方面,地理信息系統(tǒng)將會和許多專業(yè)領(lǐng)域密切聯(lián)系,包括經(jīng)濟(jì)學(xué)、基礎(chǔ)設(shè)施管理、環(huán)境研究、城市規(guī)劃工程、農(nóng)學(xué)等。

（三）GIS 的功能和特點

GIS的功用主要包括地理環(huán)境數(shù)據(jù)信息的提供、貯存、管理,及其輸入輸出等多個主要方面。按照地理環(huán)境數(shù)據(jù)信息的主要來源分為地圖矢量化、遙感圖像數(shù)據(jù)信息、GPS等;地理學(xué)數(shù)據(jù)儲存采用分級方法,把地理環(huán)境特性與屬性的數(shù)據(jù)信息按照需求分為若干個層,并在數(shù)據(jù)處理作業(yè)中管理有關(guān)的層以提高工作效率;數(shù)據(jù)處理與運算則是指經(jīng)過對數(shù)據(jù)處理的修正,增刪和運用各類算法等,使用戶能夠在已有的地理學(xué)數(shù)據(jù)信息中獲取隱藏的主要結(jié)果,而使用者經(jīng)過檢索或統(tǒng)計分析的成果也可進(jìn)入其他應(yīng)用程式或數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中,在計算機(jī)屏幕上展示或透過畫圖儀傳遞。(1)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)。真實世界中經(jīng)過模擬數(shù)據(jù)處理后將各類數(shù)據(jù)分析注入信息系統(tǒng)中,信息系統(tǒng)就能夠有機(jī)地組合、管理和顯示這些數(shù)據(jù)分析了。(2)采用形象直觀的引用式界面系統(tǒng)用電子版圖與人們互動,人們能夠借助人們固定的對自然科學(xué)界的理解和邏輯方式使用數(shù)據(jù)。(3)較強(qiáng)的空間解析能力。數(shù)據(jù)信息是空間對象的一個特殊屬性,它可以利用與地理對象的關(guān)系實現(xiàn)聯(lián)接、分割、總計等運算,使得空間問題的解決更加簡便快捷。

（四）GIS的應(yīng)用優(yōu)勢

1.節(jié)省了時間和經(jīng)費

GIS的標(biāo)準(zhǔn)化包括支持GIS工作的數(shù)據(jù)分析架構(gòu)和數(shù)據(jù)信息交換格式的統(tǒng)一規(guī)范,并提出了GIS工作基本數(shù)據(jù)信息連接的統(tǒng)一規(guī)范。包括建立開放地理信息系統(tǒng)(Open GIS)的互操作標(biāo)準(zhǔn),以及尋求與網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)與空間信息處理業(yè)務(wù)合作的規(guī)范方案等。

2.提高了工作效率

GIS特有的對空間結(jié)構(gòu)與屬性數(shù)據(jù)的管理和對空間分類的應(yīng)用,是其他所有普通應(yīng)用軟件所替代不了的。GIS將自然地理快速發(fā)展中的現(xiàn)代理論知識、方式和計算機(jī)技術(shù)融合到了一塊,擁有著超強(qiáng)的空間和時間屬性解析能力,是傳統(tǒng)手段中無可比擬的。在環(huán)境科學(xué)中,GIS所表現(xiàn)出的定性、快捷、易更新、高動態(tài)、可實現(xiàn)的模擬數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點,是常規(guī)科學(xué)評價方式所難以達(dá)到的。

3.可以共享和自由交換數(shù)據(jù)

基于所有GIS數(shù)據(jù)參照的同一空間坐標(biāo),各個領(lǐng)域之間可以共用數(shù)據(jù)分析方法與結(jié)果,使數(shù)據(jù)分析的通用性提高,各部門間也能夠集成支持整個項目的戰(zhàn)略與決策體系。另外,結(jié)果也可以通過WEBGIS及時公布。

二、地理與信息系統(tǒng)技術(shù)在環(huán)境科學(xué)研究中的運用

（一）水資源管理方面的應(yīng)用

地理信息為水資源管理工作提供了重要的信息基礎(chǔ),而水文水資源管理對GIS在可擴(kuò)展性、分析原理、是否具備完善的技術(shù)手段、數(shù)據(jù)處理的容量大小等方面,均提出了相當(dāng)高的需求。因此水文地質(zhì)主管部門可以運用GIS技術(shù)手段,對地下水的存貯數(shù)量、深淺等信息進(jìn)行測量,從而為進(jìn)行地下水資料的采取提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)。目前,中國已經(jīng)在上海、遼寧等地區(qū)建設(shè)起以GIS信息技術(shù)為基礎(chǔ)的國家水資源管理系統(tǒng)。GIS信息技術(shù)在國家防洪管理工作中發(fā)揮著相當(dāng)大的作用,它能夠把實時水情信息完整準(zhǔn)確地表現(xiàn)到地圖上,在超過一定程度時會發(fā)布預(yù)警。同時GIS還能夠與圖像處理、遙感等多項技術(shù)相結(jié)合,對災(zāi)后經(jīng)濟(jì)損失與重構(gòu)問題作出專業(yè)評估。

（二）土地資源管理方面的應(yīng)用

GIS信息技術(shù)最開始就在國土資源開發(fā)利用過程中實現(xiàn)了農(nóng)田與村鎮(zhèn)自然狀況調(diào)查方面的數(shù)據(jù)儲存與檢索。而伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展完善,GIS信息技術(shù)也已實現(xiàn)了土地資源評估、各種資源使用計劃等方面的實際應(yīng)用。目前開展的土地資源評價,通常都是運用GIS對空間數(shù)據(jù)信息加以分類和信息管理,并根據(jù)土地評價理論,在適宜程度和耕地潛力等方面作出綜合評估。同時運用GIS信息技術(shù)還能夠?qū)ν寥赖匦蔚念愋图右钥睖y,并以航空照片和地貌圈為基本資料,從而獲得有關(guān)土壤的詳細(xì)資料。在勘測過程中,首先可對航空相片實行數(shù)字化管理,使用導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位并實現(xiàn)外業(yè)調(diào)繪,最后通過使用GIS實現(xiàn)土壤計量、表格統(tǒng)計等作業(yè)。

（三）環(huán)境影響評價應(yīng)用

環(huán)境評估,主要是為檢測和評價與環(huán)境相關(guān)的各種施工建設(shè)項目、規(guī)劃等對環(huán)境形成的影響,并促使其在發(fā)展計劃與投資等決策上將環(huán)境因素列入考量范疇。其中,與環(huán)境相關(guān)的施工建設(shè)項目主要包括各種工程、國家政策和區(qū)域開發(fā)規(guī)劃等。盡管很多環(huán)保問題在環(huán)境評估中已經(jīng)有了完善的模型在應(yīng)用,不過這種模式的幾個主要方面在實際應(yīng)用中還面臨著很多問題。而地理與信息系統(tǒng)技術(shù)則可以很好地克服模式在使用、分類和展示等方面的問題,使環(huán)境數(shù)據(jù)可以與地圖實現(xiàn)更緊密的聯(lián)系,分析空間信息,生成專題地圖,把環(huán)境質(zhì)量以及環(huán)境污染情況更直接地表現(xiàn)出來,并且能夠選擇更多樣的環(huán)境評估方法,從而提高環(huán)境評估工作的效率。

1.區(qū)域環(huán)境影響評價

地區(qū)環(huán)境影響評價,是指利用科學(xué)技術(shù)的方式對一個地區(qū)內(nèi)與環(huán)境有關(guān)的各種活動過程和規(guī)律加以揭示,以實現(xiàn)地區(qū)內(nèi)的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的和諧發(fā)展。將地理信息系統(tǒng)技術(shù)運用到地區(qū)環(huán)境影響評價,主要表現(xiàn)為以下三個方面。第一個主要方面,運用地理信息系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)對地區(qū)內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境信息系統(tǒng)加以管理,包括了污染源、環(huán)境質(zhì)量以及其他與環(huán)境相關(guān)的信息系統(tǒng)等,對環(huán)境因素的變動狀況、污染源類型和污染物的地理特性等加以計算與分類；第二個主要方面,利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)具備疊置地域?qū)ο蟮墓τ?把同一地域內(nèi)各個時期的多種環(huán)境影響因素進(jìn)行了疊置,以分析這些影響因素與地區(qū)環(huán)境的質(zhì)量變化趨勢之間是否存在聯(lián)系,以便預(yù)報各地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量；第三個主要方面,通過將地區(qū)污染源、環(huán)境特征等的數(shù)據(jù)庫和環(huán)境預(yù)報模型聯(lián)系起來,對地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量作出了預(yù)報。

2.項目環(huán)境影響評價

對地理環(huán)境信息系統(tǒng)而言,項目環(huán)境評估的物質(zhì)基礎(chǔ)就是環(huán)境信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。項目環(huán)境評估人員必須了解各種與環(huán)境相關(guān)的信息,這種信息來源比較廣泛、信息量也比較大,與空間區(qū)域相關(guān),主要涉及地區(qū)自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)、地區(qū)工程、地區(qū)環(huán)境質(zhì)量要求、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境政策法規(guī),以及地區(qū)環(huán)境污染源信息等。將地理環(huán)境信息系統(tǒng)技術(shù)運用到建設(shè)項目的環(huán)境評估監(jiān)測中,一方面,運用地理環(huán)境信息系統(tǒng)集成了與建設(shè)項目環(huán)境相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析和各種模型,并開展了數(shù)據(jù)分析、預(yù)報工作,以評價項目環(huán)境質(zhì)量變化的狀況；另一方面,運用地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、更新和監(jiān)測等功能,對與建設(shè)項目環(huán)境評估相關(guān)的單位和企業(yè)實施環(huán)境監(jiān)測與檢查。

（四）環(huán)境規(guī)劃中的應(yīng)用

環(huán)境規(guī)劃學(xué)是指為推動地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和環(huán)境資源的協(xié)調(diào)發(fā)展,對地域內(nèi)的環(huán)境狀況進(jìn)行研究、觀測與評估,以預(yù)測因經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展所帶來的環(huán)境變遷,在生態(tài)學(xué)原理的基礎(chǔ)上提供調(diào)控對策,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要,避免或者減少環(huán)境污染的目標(biāo)。利用地理環(huán)境信息體系基礎(chǔ)上包含的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù),將其與環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理和空間圖形庫技術(shù)相結(jié)合,處理環(huán)境數(shù)據(jù)的采集管理、對環(huán)境質(zhì)量的評價、污染管理的對策等,以呈現(xiàn)直觀、真實、合理的環(huán)境規(guī)劃決策流程。同時,迅速處理復(fù)雜的環(huán)保問題,對環(huán)境質(zhì)量的變化及時做出預(yù)報,充分發(fā)揮及時更新環(huán)境歷史數(shù)據(jù)、即時檢索環(huán)境空間資料和屬性數(shù)據(jù)的優(yōu)點,發(fā)揮了宏觀把握和微觀數(shù)據(jù)分析的功能,為城市總體規(guī)劃編制工作提供了強(qiáng)大的技術(shù)手段和信息保障。

（五）環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測與評估

因為GIS具備了相互位置和邏輯檢索及其豐富的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫鏈接技術(shù)能力,從而非常適合于進(jìn)行自然環(huán)境自然災(zāi)害檢測和評價。針對特大火災(zāi)事故,消防部門還能夠通過GIS技術(shù)進(jìn)行起火事故數(shù)據(jù)分析、繪制火場救援地圖、展示消防栓分布狀況、交通狀態(tài)及其資源分布,以便實施應(yīng)急調(diào)度和路線優(yōu)選等。災(zāi)后還能迅速開展環(huán)境質(zhì)量跟蹤調(diào)查、評價,并通過最新的環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù),可以快速獲取一定區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境污染的等值線圖,及其對居民健康、生態(tài)的危害。

（六）大氣環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，我國城市發(fā)展吸引了大批量的人口進(jìn)入城市，居民生活水平不斷提高，家用汽車普及度很高，造成了城市的交通堵塞問題嚴(yán)重，由此造成了大量的能源消耗和汽車尾氣排放導(dǎo)致的大氣環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重。為了解決此問題，我國相繼出臺各種政策，但是治理效果仍然不明顯。城市的大氣污染問題日趨嚴(yán)重，危害著每一個人的身體健康。凈化城市空氣成為城市可持續(xù)發(fā)展的首要任務(wù)。GIS技術(shù)的發(fā)展，讓我們對重新獲得好的環(huán)境有了更大的希望。它通過網(wǎng)絡(luò)搭建大數(shù)據(jù)傳輸平臺，監(jiān)測大氣環(huán)境污染源的排放數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行實時分析，能夠把城市上空的環(huán)境質(zhì)量報告和大氣環(huán)境污染信息集中結(jié)合到一個平臺上，方便對大氣污染的源頭進(jìn)行定時定位的監(jiān)控和解讀，為城市大氣污染的環(huán)境規(guī)劃和治理提供了非常關(guān)鍵的決策支持。

（七）在環(huán)境應(yīng)急情況下的應(yīng)用

環(huán)境污染已經(jīng)演變?yōu)槲覀內(nèi)祟惣毙杵惹行枰鉀Q的問題。如若發(fā)生緊急環(huán)境污染情況，應(yīng)對此類緊急污染事件需要我們結(jié)合該環(huán)境污染的特點和要求，需要對所在的空間進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而進(jìn)行評估監(jiān)測。由此我們對建立完善的環(huán)境應(yīng)急系統(tǒng)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫有著迫切需要。鑒于此，我們從側(cè)面知曉建立此強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫需要地理信息技術(shù)與環(huán)境數(shù)據(jù)相融合，這就需要引入GIS。為了提高環(huán)境監(jiān)測管理工作的效率，我們需要在環(huán)境應(yīng)急的有關(guān)措施中，利用GIS技術(shù)管理儲存很大一部分空間數(shù)據(jù)。此應(yīng)急系統(tǒng)需要從時間和空間兩個維度進(jìn)行處理，而只有GIS能夠在有限的時間內(nèi)根據(jù)實際情況，儲存此類數(shù)據(jù)并全面分析，為重大決策提供有效的科學(xué)依據(jù)。

三、結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，科學(xué)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，GIS技術(shù)也在不斷地改革更新，我國的環(huán)境地理信息系統(tǒng)在開發(fā)和應(yīng)用上逐步邁向新的臺階。本文主要論述了地理信息系統(tǒng)技術(shù)在大數(shù)據(jù)分析、管理空間數(shù)據(jù)分析和屬性數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域方面都有著難以取代的功能。在環(huán)境科學(xué)研究中應(yīng)用地理環(huán)境信息系統(tǒng)科技,對環(huán)境污染有關(guān)的時空信息進(jìn)行收集、管理和分類、評價,一方面能夠節(jié)約大量的人力、物力和財力,另一方面也大大增強(qiáng)了各種數(shù)據(jù)信息體系的處理速度,快捷有效地取得與環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究相關(guān)的研究成果。而伴隨地理環(huán)境信息系統(tǒng)科技的發(fā)展,其應(yīng)用范圍和前景也會更加廣泛。

相關(guān)鏈接

地理信息系統(tǒng)有時又稱為“地學(xué)信息系統(tǒng)”。它是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。

位置與地理信息既是LBS的核心，也是LBS的基礎(chǔ)。一個單純的經(jīng)緯度坐標(biāo)只有置于特定的地理信息中，代表為某個地點、標(biāo)志、方位后，才會被用戶認(rèn)識和理解。用戶在通過相關(guān)技術(shù)獲取到位置信息之后，還需要了解所處的地理環(huán)境，查詢和分析環(huán)境信息，從而為用戶活動提供信息支持與服務(wù)。

地理信息系統(tǒng)是一門綜合性學(xué)科，結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)以及遙感和計算機(jī)科學(xué)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計算機(jī)系統(tǒng)，隨著GIS的發(fā)展，也有稱GIS為“地理信息科學(xué)”（Geographic Information Science），近年來，也有稱GIS為"地理信息服務(wù)"（Geographic Information service）。GIS是一種基于計算機(jī)的工具，它可以對空間信息進(jìn)行分析和處理（簡而言之，是對地球上存在的現(xiàn)象和發(fā)生的事件進(jìn)行成圖和分析）。GIS 技術(shù)把地圖這種獨特的視覺化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫操作（例如查詢和統(tǒng)計分析等）集成在一起。