GIS技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

1、GIS技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用隨著我國環(huán)境信息化的快速發(fā)展和計算機(jī)新技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，環(huán)境信息系統(tǒng)在環(huán)境保護(hù)管理和決策工作中發(fā)揮著越來越重要的作用。而地理信息系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)為環(huán)境保護(hù)工作邁向信息化、現(xiàn)代化提供了技術(shù)支持。目前，全國27個省級環(huán)保局及一百多個城市環(huán)保部門都已購置了ESRI公司的ARCGIS、ARCVIEW地理信息系統(tǒng)平臺軟件和相應(yīng)的硬件設(shè)施，大部分省市已經(jīng)建立環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，在GIS平臺上開發(fā)了城市環(huán)境地理信息系統(tǒng)、重點(diǎn)流域水資源管理、環(huán)境污染應(yīng)急預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)等，取得了顯著的成效。1. 應(yīng)用GIS制作環(huán)境專題圖環(huán)境制圖是環(huán)境科學(xué)研究的基本工具和手段。與傳統(tǒng)的、周期長、更

2、新慢的手工制圖方式相比，利用GIS建立起地圖數(shù)據(jù)庫，可以達(dá)到一次投入、多次產(chǎn)出的效果。它不僅可以用戶輸出全要素地形圖，而且可以根據(jù)用戶需要分層輸出各種專題圖，如污染源分布圖、大氣質(zhì)量功能區(qū)劃圖等等。GIS的制圖方法比傳統(tǒng)的人工繪圖方法要靈活得多，在基礎(chǔ)電子地圖上，通過加入相關(guān)的專題數(shù)據(jù)就可迅速制作出各種高質(zhì)量的環(huán)境專題地圖?？梢愿鶕?jù)實際需要從符號和顏色庫中選擇圖件，使之更好地突出專題效果和特性。1) 客戶端專題圖制作專題圖的制作有兩種方式：一種是服務(wù)器專題圖、另一種是客戶端專題圖。服務(wù)器端專題圖，每個需要制作專題圖的用戶，提交了制作專題圖的請求后，會將該請求傳送到服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行專題圖的生成

3、，生成后柵格化為圖片，再傳回客戶端進(jìn)行展示。這種專題圖制作的方式，對服務(wù)器端性能要求很高，如果同時很多用戶同時制作專題很可能導(dǎo)致服務(wù)器崩潰。客戶端專題圖，讓專題圖直接在客戶端進(jìn)行生成。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是專題圖生成的速度快、服務(wù)器的壓力較小。因此，通過RIA富客戶端技術(shù)來實現(xiàn)專題圖的客戶端生成。圖 Error! No text of specified style in document.1 富客戶端專題圖A. 專題圖類型專題圖制作如果從業(yè)務(wù)來分，可分出無數(shù)種，在這里我們從類型上分，本系統(tǒng)將提供制作的專題圖類型是：單值專題圖、標(biāo)簽專題圖、統(tǒng)計專題圖、點(diǎn)密度專題圖、范圍分段專題圖、等級符號專題圖、G

4、rid 分段專題圖。單值專題圖在傳統(tǒng)的專題地圖學(xué)中屬于精確分區(qū)的質(zhì)底法，將整個制圖區(qū)域按照專題現(xiàn)象的某種指標(biāo)劃分區(qū)域或各類型的分布范圍，在各界線范圍內(nèi)涂以顏色或者填繪暈線、花紋（乃至注以注記），以顯示連續(xù)而布滿全制圖區(qū)域的現(xiàn)象的差別（或各區(qū)域間的差別），可用于地質(zhì)圖、地貌圖、植被圖、土地利用圖、政治行政區(qū)劃圖、自然區(qū)劃圖、經(jīng)濟(jì)區(qū)劃圖等。標(biāo)簽專題圖就是以文本標(biāo)簽的方式，在圖層上直接顯示屬性表中的數(shù)據(jù)。統(tǒng)計專題圖是把制圖區(qū)域分成幾個區(qū)劃單位（通常是以行政區(qū)為區(qū)劃單位）， 按其相應(yīng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，描繪不同形式的統(tǒng)計圖表，以表示并比較各個區(qū)劃單位內(nèi)現(xiàn)象的總和及其動態(tài)， 統(tǒng)計圖通常繪制在地圖上各相應(yīng)的分區(qū)內(nèi)

5、。點(diǎn)密度專題圖是用一定大小、形狀相同的點(diǎn)表示現(xiàn)象分布范圍、數(shù)量特征和分布密度,點(diǎn)的多少和所代表的意義由通過點(diǎn)密度對象的屬性設(shè)定。范圍分段專題圖是在整個制圖區(qū)域的若干個小的區(qū)劃單位內(nèi) （行政區(qū)劃或其他區(qū)劃單位），根據(jù)各分區(qū)資料統(tǒng)計的相對指標(biāo)進(jìn)行分級， 并用相應(yīng)的色階或不同疏密的暈線，反映各區(qū)現(xiàn)象的集中程度或發(fā)展水平的分布差別。等級符號專題圖是采用不同的形狀、顏色和大小的符號，表示各自獨(dú)立的、以整體概念顯示的各個物體的數(shù)量與質(zhì)量特征。 通常，以符號的形狀、顏色和大小反映物體的特定屬性；符號的形狀與顏色表示質(zhì)量特征，符號的大小表示數(shù)量特征。Grid 分段專題圖，是根據(jù)柵格數(shù)據(jù)集的特征信息值，將特征信

6、息值進(jìn)行分級，并用相應(yīng)的色階，反映特征信息的集中程度或發(fā)展水平的空間分布差異?？梢愿鶕?jù)具體的需要自己設(shè)定特征信息值的分段數(shù)和分段值來進(jìn)行空間分布差異的顯示。B. 專題圖制作專題圖制作模塊，提供專題圖的制作功能。該模塊功能實現(xiàn)：Ø 地圖列表中選擇一個需要制作專題圖的圖層。Ø 在專題圖類型下拉框中選擇專題圖類型。Ø 選擇需要渲染的字段表達(dá)式。還可以設(shè)置過濾表達(dá)式，則所有滿足過濾條件的對象不再予以專題渲染。 Ø 選擇配色方案或符號配置方案。 Ø 單擊生成專題圖按鈕。圖 Error! No text of specified style in docu

7、ment.2 點(diǎn)密度專題圖C. 專題圖模板針對常見的各類業(yè)務(wù)專題圖，例如水質(zhì)污染、空氣質(zhì)量等等，制作成相應(yīng)的專題圖模板，用戶可以直接選擇專題圖模板，加上環(huán)境專題數(shù)據(jù)即可快速制作出專題圖。這樣可以方便用戶制作專題圖。2. GIS應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測在環(huán)境監(jiān)測過程中，利用GIS技術(shù)可對實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理、顯示、分析，實現(xiàn)為環(huán)境決策提供輔助手段的目的。如廣東省以東深流域自然環(huán)境地理信息為基礎(chǔ)，對東深流域的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲處理，利用GIS技術(shù)開發(fā)了東深流域水環(huán)境管理信息。該系統(tǒng)直觀顯示和分析東深流域水環(huán)境現(xiàn)狀、污染源分布、水環(huán)境質(zhì)量評價，追蹤污染物來源?？山Y(jié)合數(shù)字地圖查詢歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)及各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)

8、，進(jìn)行空間分析（如緩沖區(qū)查詢與分析）、輔助決策（容量計算及污染狀況的預(yù)測）為流域水環(huán)境的科學(xué)化管理和決策提供了先進(jìn)的科學(xué)手段。3. GIS應(yīng)用于自然生態(tài)在進(jìn)行自然生態(tài)現(xiàn)狀分析過程中，利用GIS可以比較精確地計算水土流失、荒漠化、森林砍伐面積等，客觀地評價生態(tài)破壞程度和波及的范圍，為各級政府進(jìn)行生態(tài)環(huán)境綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。國家環(huán)?？偩职袵IS技術(shù)與遙感技術(shù)相結(jié)合，對我國西部12省的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，得到了西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境的空間分布與空間統(tǒng)計狀況、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況和生態(tài)環(huán)境變化的空間規(guī)律特點(diǎn)，為該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展與資源環(huán)境的可持續(xù)利用提供了科學(xué)依據(jù)。青海省遙感中心將“3S”技術(shù)運(yùn)用到青海

9、湖環(huán)湖重點(diǎn)區(qū)域調(diào)查上，快速查清了該區(qū)域土地利用、土地覆蓋現(xiàn)狀，建立了生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫和生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)體系，為政府規(guī)劃決策、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)提供了寶貴資料。4. GIS應(yīng)用于環(huán)境應(yīng)急預(yù)警預(yù)報建立重大環(huán)境污染事故區(qū)域預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)κ鹿曙L(fēng)險源的地理位置及其屬性、事故敏感區(qū)域位置及其屬性進(jìn)行管理，提供污染事故的大氣、河流污染擴(kuò)散的模擬過程和應(yīng)急方案。例如，大連市的“重大污染事故區(qū)域預(yù)警系統(tǒng)”把重大污染事故的多種預(yù)測模型與GIS技術(shù)相結(jié)合，當(dāng)某一風(fēng)險源發(fā)生事故時提供應(yīng)急措施、報警信息和救援信息，為重大污染事故應(yīng)急指揮奠定了基礎(chǔ)。上海市應(yīng)用GIS、RS與GPS技術(shù)開發(fā)了環(huán)保應(yīng)急熱線系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用GI

10、S技術(shù)進(jìn)行污染源搜索和定位；將GIS與GPS結(jié)合起來，用于出警指揮和導(dǎo)航；用RS技術(shù)獲取地面信息，解決了GIS基礎(chǔ)底圖動態(tài)更新問題。通過“3S”技術(shù)的綜合應(yīng)用，更好地發(fā)揮了GIS在環(huán)保執(zhí)法和應(yīng)急事件中的作用。5. GIS應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評價和環(huán)境影響評價由于GIS能夠集成管理與場地密切相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)，因而也是綜合分析評價的有力工具。環(huán)境影響評價是對所有的改、擴(kuò)、建項目可能產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測評價，并提出防止和減緩這種影響的對策與措施。利用GIS的空間分析功能，可以綜合性地分析建設(shè)項目各種數(shù)據(jù)，幫助確立環(huán)境影響評價模型。由于GIS系統(tǒng)具有層的結(jié)構(gòu)，可將不同的環(huán)境影響進(jìn)行計算并疊加。深圳市環(huán)境保護(hù)

11、研究所已利用GIS技術(shù)進(jìn)行編制環(huán)境影響評價報告書和制圖。在區(qū)域環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價工作中，可將地理信息與大氣、土壤、水、噪聲等環(huán)境要素的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，利用GIS軟件的空間分析模塊，對整個區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行客觀、全面的評價，以反映出區(qū)域中受污染的程度以及空間分布情況。如通過疊加分析，可以提取該區(qū)域內(nèi)大氣污染布圖、噪聲分布圖；通過緩沖區(qū)分析，可顯示污染源影響范圍等。6. GIS應(yīng)用于水環(huán)境管理水環(huán)境信息具有明顯的空間屬性和層次屬性，利用GIS可以更加明確地揭示不同區(qū)域的水環(huán)境狀況，反映水體環(huán)境質(zhì)量在空間上的變化趨勢?？梢愿又庇^地反映如污染源、排污口、監(jiān)測斷面等環(huán)境要素的空間分布。利用GIS

12、還可以進(jìn)行污染源預(yù)測、水質(zhì)預(yù)測、水環(huán)境容量計算、污染物削減量的分配等，以表格和圖形的方式為水環(huán)境管理決策提供多方位、多形式的支持。目前，全國各省環(huán)保局正在使用GIS軟件進(jìn)行各省水環(huán)境功能區(qū)劃匯總工作，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)水環(huán)境功能區(qū)管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)水環(huán)境數(shù)據(jù)查詢、水質(zhì)評價、統(tǒng)計分析、水質(zhì)預(yù)測等功能，將各種水環(huán)境信息以可視化的方式表達(dá)，對水環(huán)境的科學(xué)管理將具有非常重要的意義。7. 兩個專業(yè)模型2) ?；窋U(kuò)漏模型環(huán)境專業(yè)分析模型是進(jìn)行環(huán)境決策的主要依據(jù)，依靠專業(yè)模型進(jìn)行環(huán)境信息的動態(tài)分析，如環(huán)境污染動態(tài)發(fā)展趨勢、減排總量預(yù)測、監(jiān)測區(qū)域的盲點(diǎn)分析等。主要模型有：由于人為事故、交通事故、自然災(zāi)害

13、等因素造成的?；沸孤┏蔀榱送{社會安全的潛在因素。有毒氣體外泄后，隨大氣彌散，中心位置質(zhì)量濃度最高，向外逐步擴(kuò)散稀釋，下風(fēng)向形成相應(yīng)的時空質(zhì)量濃度分布，通過本模型，自動劃分出在不同質(zhì)量濃度的污染區(qū)域，標(biāo)出事故危害程度。對區(qū)域的人口、牲畜及時轉(zhuǎn)移。危化品的時空濃度空間分布與風(fēng)速、風(fēng)向、云量、氣溫、大氣垂直穩(wěn)定度等氣象條件密切相關(guān)。圖Error! No text of specified style in document.3模型結(jié)構(gòu)危險品泄漏隨時間和空間分布的濃度模型為：以泄漏源為原點(diǎn)，風(fēng)向為X軸的空間坐標(biāo)系中一點(diǎn)處的質(zhì)量濃度為：其中，為源強(qiáng)，;v為平均風(fēng)速，;H為泄漏點(diǎn)高度，;為側(cè)風(fēng)向擴(kuò)散系

14、數(shù)，；為垂直風(fēng)向擴(kuò)散系數(shù)，；結(jié)合地形數(shù)據(jù)，可以將濃度信息顯示在地圖上。圖Error! No text of specified style in document.4有毒氣體擴(kuò)散3) 江河污染物擴(kuò)散模型河流污染物擴(kuò)散模型要實現(xiàn)污染物隨江河水流動而產(chǎn)生的濃度變化。濃度分布和河流的流量、斷面平均流速、污染物衰減速度常數(shù)等因素有關(guān)。通過本模型仿真分析，及時判斷出污染物隨河流濃度分布規(guī)律，對濃度較高的河段進(jìn)行預(yù)警，減少經(jīng)濟(jì)損失。圖Error! No text of specified style in document.5模型結(jié)構(gòu)假設(shè)在某種情況下，河流水運(yùn)動的時間尺度很大，在這樣的一個時間尺度下的污染

15、物濃度的平均值保持在一種穩(wěn)定的狀態(tài)。這時，可以通過取時間平均值,將問題按穩(wěn)態(tài)來處理。這將可以簡化模型的復(fù)雜程度。這種平均的水流狀態(tài)可以用穩(wěn)態(tài)模型來描述。因為，河流水體中的污染物質(zhì)能夠與水介質(zhì)相融合，具有相同的流體力學(xué)性質(zhì)。所以可將污染物質(zhì)點(diǎn)與水流一起計算。假設(shè)只在X方向上存在濃度梯度。則相應(yīng)的濃度模型為：其中,Q:河流的流量；:河流中污染物的本底濃度；q:排入河流的污水的流量。:污水中的某污染物的濃度；c:污染物的濃度。Dx：縱向彌散系數(shù)；Ux:斷面平均流速；K：污染物衰減速度常數(shù)。根據(jù)河流圖元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)在臨時圖層上添加符號對象，然后刪除不必要符號對象，由模型公式計算每個符號對象位置處的污染物濃

16、度，最后根據(jù)污染物濃度創(chuàng)建范圍專題圖，這樣便快速、簡易地實現(xiàn)了河流污染模型的可視化模擬。一、環(huán)境信息查詢、統(tǒng)計和分析目前流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與GIS中數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)相比，在對地理空間數(shù)據(jù)的管理上存在兩個明顯不足：缺乏空間實體定義能力；缺乏空間關(guān)系查詢能力。這使得GIS在數(shù)據(jù)的空間查詢和空間分析上占有絕對的優(yōu)勢。我們可以應(yīng)用GIS對有關(guān)環(huán)境信息如大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)、水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)、功能區(qū)噪聲監(jiān)測點(diǎn)、區(qū)域噪聲監(jiān)測點(diǎn)、交通噪聲監(jiān)測點(diǎn)等監(jiān)測點(diǎn)的位置、級別、監(jiān)測項目信息進(jìn)行查詢，還可以利用GIS對環(huán)境信息作進(jìn)一步的統(tǒng)計、分析，繪出相應(yīng)的圖以便直觀地進(jìn)行分析。例如，對空氣質(zhì)量監(jiān)測，我們可以根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)插值

17、畫出城市全場分布的等值線圖，查詢某監(jiān)測站點(diǎn)的某項指標(biāo)隨時間變化的情況，并以二維圖形表現(xiàn)。二、污染源管理污染源管理是總量控制和一控雙達(dá)標(biāo)的重點(diǎn)。應(yīng)用GIS，可以實現(xiàn)污染源位置查詢，多種污染源項目（工業(yè)廢水、工業(yè)用水、廢氣、廢渣等）查詢，統(tǒng)計出結(jié)果，還可以應(yīng)用地理信息系統(tǒng)針對一定區(qū)域的污染源進(jìn)行排序、統(tǒng)計等方面的分析。三、環(huán)境評價和模擬預(yù)測GIS不僅可以對地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、存儲和提取，而且還能模擬現(xiàn)實世界，可以將對現(xiàn)實世界各個側(cè)面的思維評價結(jié)果作用其上，得到綜合分析評價結(jié)果，也可以將自然過程、決策和傾向的發(fā)展結(jié)果以命令、函數(shù)和分析模擬程序作用到數(shù)據(jù)上，模擬這些過程的發(fā)生發(fā)展，對未來結(jié)果做出定量

18、的和趨勢的預(yù)測，從而預(yù)知自然過程的結(jié)果，對比不同決策方案的效果以及特殊傾向可能產(chǎn)生的后果，做出最優(yōu)決策，避免和預(yù)防不良后果的發(fā)生。例如：瀾滄江（湄公河）區(qū)域綜合開發(fā)和協(xié)調(diào)的綜合決策支持系統(tǒng)；金沙江流域（云南部分）生態(tài)保護(hù)和建設(shè)決策支持系統(tǒng)；大連灣的水污染與控制系統(tǒng)模型與GIS集成水質(zhì)狀況模擬。四、環(huán)境功能區(qū)劃因為地理信息系統(tǒng)擁有大量的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)作為支撐，可以更精確、更直觀地對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，節(jié)約大量的人力、物力，提高工作效率。2002年云南省水環(huán)境功能區(qū)劃和重點(diǎn)城市水環(huán)境功能區(qū)劃工作中就在GIS環(huán)境下按照河段長度、參照地物、控制斷面、特征地形、圖形經(jīng)驗判斷等方式識別功能區(qū)分界點(diǎn)，將描述性的

19、東西精確地反映到地圖上，而后應(yīng)用GIS的二次開發(fā)程序結(jié)合地理屬性信息來檢驗原始文本資料的正確性直接為環(huán)境管理提供數(shù)據(jù)、信息、圖形、決策和預(yù)測服務(wù)。五、環(huán)保投訴這一方面的應(yīng)用主要表現(xiàn)為GIS的空間查詢功能。在接到投訴后，根據(jù)投訴信息，調(diào)用GIS的空間查詢功能，找到投訴點(diǎn)位置，查詢周邊環(huán)境，從而初步斷定是否對環(huán)境和人民生活造成極大影響，是否應(yīng)該整頓、遷移或關(guān)閉。為下一步的深入調(diào)查做好必要的前期信息準(zhǔn)備。六、新建項目規(guī)劃GIS的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包含了豐富的居民地、水系、道路、植被、地質(zhì)地貌等基礎(chǔ)的區(qū)域信息，這些信息一方面為研究、觀察和地理分析提供了最基本的和公用的數(shù)據(jù)集，另一方面，為用戶添加各種與空間位置有關(guān)的信息提供了地理坐標(biāo)，可以為新建項目的選址提供輔助分析，也可以成為環(huán)保監(jiān)測點(diǎn)定位的載體。如在鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的選址上，由基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)我們可以獲取諸如水網(wǎng)密度、河流長度、自然資源、地形條件、人口密度等基本信息，同時還可以利用GIS將企業(yè)密度、企業(yè)產(chǎn)