GIS技术在环境科学中的应用

(成都理工大学 信息工程学院, 四川 成都 610059)
摘 要：文章介绍了地理信息系统的相关基础知识，并在此基础上介绍了GIS在环境科学中的应用现状，分析了GIS技术的应用优势,讨论了地理信息系统在环境科学中应用的必要性及前景。
关键词：GIS；环境科学；评价；地理信息系统
中图分类号：X144  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)02—0006—02

生态环境保护和建设是一项跨地区、跨部门、跨行业、跨世纪的综合性系统工程，它关系到国民经济和社会发展能否持续、快速、健康、稳定的进行。通过生态环境评价可以科学地解决各种生态环境问题，保护生态环境，从而保证生态环境与经济社会持续稳定发展。借助于GIS的辅助对某些自然灾害能提前预测，减少自然灾害带给人类的损失。GIS技术在环境科学中的应用，同时有利于资源的合理开发与利用，制定适合环境和经济社会发展的环境保护措施。GIS以其强大的空间数据管理系统、形象直观的应用界面、强大的空间分析能力等［1］优势在环境科学中的作用日趋显著。因此，讨论GIS技术在生态环境科学中的应用具有重要意义。
1 地理信息系统及其发展

地理信息系统的定义是由两部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是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和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统［2］。地理信息系统(Geographic information Systems ,简称（GIS)有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”，是在计算机软件和硬件的支持下 ,运用系统工程和信息科学的理论 ,科学管理和综合分析对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。D.J.Maguire从三个方面理解GIS:①地图观点。侧重于地理表现、地图起源，GIS是地图分析与处理系统。②数据库观点。强调数据库管理系统是GIS不可分割部分，侧重于数据库设计与实现。③空间分析观点。侧重于空间分析与建模，将GIS视为信息科学而不是单纯的技术［3］。GIS是由加拿大测绘学家R.T.Tomlinson博士提出的,它是在计算机软、硬件支持下,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,对地理空间数据库和信息实现输入、存储、管理、检索、处理和综合分析的技术系统；简而言之,GIS就是集用户、分析方法、空间数据和属性数据、计算机软硬件和个人设计能力于一体，能有效地收集、处理、存储、修正、管理、分析和显示所有与地理有关的信息计算机系统,通过地理信息系统自动匹配管理和传输信息［4］。GIS的基本功能主要有：空间数据的采集、检查与编辑功能；格式化、 转换、概括功能；存储与组织功能；分析功能；显示功能。其中，分析功能（包括空间分析与模型）被称为地理信息系统的高级功能［5］。

国际地理信息系统的发展分为开拓期、巩固发展期、大发展时期、应用普及几个阶段。我国地理信息系统的研制与应用是从20世纪70年代开始的。地理信息系统在我国的发展分为三个阶段，即准备阶段、起步阶段和发展阶段。

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2 GIS在环境科学中的应用现状

环境科学中，GIS应用领域包括环境影响评价、废弃物管理、环境修复、植被制图、自然资源管理、环境政策评估、地下水与土壤水模拟和环境污染物追踪等［3］。目前涉及到生态环境评价的研究比较广泛，包括生态环境的脆弱性评价、生态环境的敏感性评价、生态环境的安全性评价、生态环境的健康性评价以及生态环境的可持续性评价等等。另外还有一些功能区划以及管理系统的设计，在实现目标的前期也是基于GIS的生态环境评价的过程。所有的这些生态环境评价大部分都是按照流程图1来进行的。GIS技术在废弃物管理、环境修复、植被制图、自然资源管理、环境政策评估、地下水与土壤水模拟和环境污染物追踪方面的应用也较广泛。利用GIS技术的辅助，实现对整个区域的环境质量进行客观地、全面的评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布状态；在野生动植物保护中，世界野生动物基金会采用GIS空间分析功能，帮助世界最大的猫科动物，改变它目前濒于灭种的境地，都取得了很好的效果。在此过程中需要作海量的信息处理。包括对多种来源的信息的采集、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。GIS的基本功能——空间数据的采集、检查与编辑;格式化、 转换、概括；存储与组织；分析；显示得到了充分的体现。
3 GIS的应用优势
3.1 以标准化为基础，为地理数据的维护提供了方便，节省了时间和经费
GIS的标准化包括支持 GIS工作的数据结构及数据交换格式的统一标准化,提供 GIS工作基础数据接口的标准化。包括建立开放地理信息系统 (Open GIS)的互操作标准,寻求网络地理信息系统数据和空间数据处理服务的标准方法等［6］。
3.2 强大的空间分析能力，易于修改、更新、分析地理数据，从而提高了工作效率GIS特有的空间和属性数据的管理及空间分析的应用是其他任何普通软件所代替不了的。GIS把地理学发展中的现代理论、方法与计算机结合在一起,具有强大的空间和属性分析能力,是传统手段无法比拟的。在环境科学中,GIS显示出的定量、快速、易更新、动态、能进行模拟分析等特点,是常规评价方法难以达到的。
3.3 可以共享和自由交换数据

由于GIS数据参照同一空间坐标,不同领域可共享数据和结果,使得数据的通用性增强,各部门之间可以集成支持整个项目的战略决策系统。此外,成果可以通过 WEBGIS及时发布。
4 GIS在环境科学中的应用展望

伴随着计算机技术的发展，GIS的主要发展趋势有：网络 GIS 、开放式 GIS、虚拟 GIS 、多媒体 GIS 、集成化——3S 技术的结合、空间多维性——三维 GIS与时态GIS、部件组装化——组件式GIS。GIS技术在环境科学中的应用也将随着计算机技术的发展朝3个方面进一步延伸，即与RS、GPS结合进行空间数据挖掘、过程模拟和环境信息服务。
4.1 RS、GPS结合进行空间数据挖掘

目前，利用3S技术提取研究区域的信息，发现面临的一些生态环境问题和某些影响因子之间的关系，继而做出决策这方面的研究较多。其中压力-状态-响应（P-S-R）框架模型可很好反映现状和影响因子之间的关系，因此在生态评价中的应用比较多。如发现生物多样性的减少与土地利用/土地覆被变化，气候之间的关系等。
4.2 过程模拟

动态模型允许GIS空间分析与过程模型相结合，模拟区域环境随时间变化的情况。通过改变模型参数，模拟不同出不同情况下的可能结果。
4.3 环境信息服务

开放式地理信息系统是指在计算机和通信环境下，根据行业标准和接口所建立起来的地理信息系统。它不仅使数据能在应用系统内流动，还能在系统间流动。Open GIS应具有互操作性、可扩展性、技术公开性、可移植性、兼容性、可实现性、协同性等特点。Web GIS具有适应性强，应用面广，现实性强，维护社会化，使用简单等特点使不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作性，以及在异构分布数据库中实现信息共享的途径。网络GIS可实现信息的网上发布、 浏览、下载，实现基于Web的GIS 查询和分析。GIS的网络化和开放性使得数据的共享成为可能。网络GIS作为环境信息发布的网络平台，可以直接发布环境信息。
［参考文献］
［1］ 帅方敏. 地理信息系统技术在环境领域中的应用［J］.山西科技，2007，(1).
［2］ 刘光. 地理信息系统［M］.北京：中国电力出版社，2003.
［3］ 聂庆华. 地理信息系统及其在环境科学中的作用［M］.北京：科学出版社，2000.
［4］ 刘勇,井文勇. 地理信息系统技术及其在环境科学中的应用［J］.环境科学,1997,18(2) .
［5］ 刘南，刘仁义.地理信息系统［M］.北京：高等教育出版社.
［6］ 李占荣.GIS的发展趋势［M］.测绘与空间地理信息,2007.