GIS在環(huán)境模擬與預(yù)測中的應(yīng)用

1、GIS在環(huán)境模擬與預(yù)測中的應(yīng)用一、地理信息系統(tǒng)（GIS） GIS是在計算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，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(yùn)算、分析、顯示和描述，并采用地里模型分析方法，適時提供多種空間和動態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)而建立起來的計算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。 其主要功能有:(1)數(shù)據(jù)采集與編輯；(2)地理數(shù)據(jù)庫管理；(3)空間信息的提??；(4)空間分析功能；(5)三維動畫顯示與飛行；(6)方案優(yōu)選與決策；(7)制作專題圖等。優(yōu)勢：可以提高環(huán)境影響評價、預(yù)測和環(huán)境規(guī)劃的科學(xué)性及效率性，從而為環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)；

2、為環(huán)境污染管理與治理提供輔助決策、對國家制定環(huán)境保護(hù)、人類健康方面的政策具有深遠(yuǎn)意義。二、環(huán)境預(yù)測中運(yùn)用GIS的目標(biāo)和任務(wù) 環(huán)境規(guī)劃GIS總體設(shè)計目標(biāo)是充分利用先進(jìn)的GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、分布式計算技術(shù)等，建立一個科學(xué)、高效的環(huán)境規(guī)劃GIS。在充分整合與利用環(huán)境空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)地理信息的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對環(huán)境空間信息的科學(xué)組織和有效管理，使環(huán)境規(guī)劃人員能夠方便地對各種環(huán)境空間信息進(jìn)行可視化管理，并實現(xiàn)環(huán)境空間信息的查詢、維護(hù)以及專題分析、專題圖制作、信息服務(wù)等功能，并結(jié)合環(huán)境規(guī)劃業(yè)務(wù)和技術(shù)應(yīng)用需要，為環(huán)境規(guī)劃GIS的開發(fā)和建設(shè)提供全面的解決方案。 環(huán)境規(guī)劃GIS系統(tǒng)設(shè)計的根本任務(wù)是將

3、系統(tǒng)分析階段提出的邏輯模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的物理和數(shù)學(xué)模型。一般而言，系統(tǒng)總體設(shè)計分三個部分進(jìn)行： 功能設(shè)計 數(shù)據(jù)庫設(shè)計 應(yīng)用設(shè)計三、GIS優(yōu)勢在環(huán)境預(yù)測和模擬方面的應(yīng)用 GIS對于環(huán)境預(yù)測模型的建立、多因素預(yù)測分析、污染過程的模擬與發(fā)展趨勢分析具有重要意義。具體如下：1、GIS為環(huán)境預(yù)測模型的開發(fā)建立提供了良好的環(huán)境. 環(huán)境預(yù)測模型的建立是一個十分復(fù)雜的任務(wù).它需要大量計算分析,即進(jìn)行定性與定量分析.而這些問題由于GIS的開發(fā)應(yīng)用都變得高效、科學(xué)得多了。 例如某大城市郊區(qū)修建一座現(xiàn)代化的機(jī)場.環(huán)境工作者對這項工程的可行性進(jìn)行分析評價,就可以利用GIS的緩沖區(qū)分析功能,將其對周圍的環(huán)境影響劃分為不同

4、等級的緩沖帶,確定其對周圍的環(huán)境影響劃分為不同等級的緩沖帶,確定其對周圍的環(huán)境的污染及危害程度.著重分析飛機(jī)的噪聲對居民的生活影響,從而確定飛機(jī)場修建的可能性.還要考慮隨著城市的發(fā)展和規(guī)模擴(kuò)大后,機(jī)場對人民生活、生產(chǎn)的影響.GIS的緩沖分析功能就能很好地解決機(jī)場周圍一定寬度范圍的緩沖帶劃分的分析,從而很好地預(yù)測出機(jī)場建設(shè)的可行性.2、GIS使多因素預(yù)測分析變得簡便易行 環(huán)境預(yù)測分析不是單一因素的簡單分析過程,而是多個因素相互影響、相互聯(lián)系的統(tǒng)一系統(tǒng).多因素預(yù)測分析在環(huán)境預(yù)測中是相當(dāng)普遍、相當(dāng)重要的.影響環(huán)境變化因素包括地質(zhì)、地貌、氣候、水文、土壤、動植物、交通、文化及社會經(jīng)濟(jì)等各類污染源因素.

5、在環(huán)境預(yù)測中就要對以上各類因素分別加以分析,然后將各要素文件進(jìn)行疊置,尋找和確定各因素共同作用下環(huán)境變化情況,這就可以利用GIS的空間分析功能中的疊置分析來預(yù)測環(huán)境的未來變化.3、 GIS為環(huán)境污染過程的模擬與發(fā)展趨勢分析提供可視化環(huán)境 環(huán)境污染過程的模擬和發(fā)展趨勢分析是依據(jù)歷史資料和定性、定量相結(jié)合的原則對環(huán)境污染狀況進(jìn)行動態(tài)模擬,進(jìn)而預(yù)測其發(fā)展趨勢.利用GIS的空間分析功能對污染物空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)輸入計算機(jī),進(jìn)行分析、綜合,完成環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與趨勢預(yù)報.三、GIS在環(huán)境規(guī)劃中的應(yīng)用現(xiàn)狀1、GIS在國外的應(yīng)用 美國國家環(huán)保局從1989年起用ARE/INFO進(jìn)行了大量科學(xué)研究和應(yīng)用，范圍覆蓋環(huán)

6、境影響評價、地下水保護(hù)電源和面源污染分析、酸沉降分析、危險廢物泄漏緊急響應(yīng)等。GIS在環(huán)境評價方面也已有許多成功的應(yīng)用。如美國猶他大學(xué)的一個科研小組利用GIS技術(shù)對墨西哥與美國接壤地區(qū)進(jìn)行了環(huán)境影響評價，建立了地表水和地下水污染路徑模型，并用GIS的空間分析能力（如緩沖區(qū)分析）對該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的環(huán)境影響進(jìn)行了分析；美國加州大學(xué)、海軍研究生院、茫特雷灣水科學(xué)研究所共同研究開發(fā)的REINAS（實時環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)與分析系統(tǒng)），則是根據(jù)本國的世紀(jì)需要而開發(fā)的區(qū)域性海洋環(huán)境與資源立體、動態(tài)監(jiān)測和信息服務(wù)系統(tǒng)。 歐洲環(huán)保署（EEA）早在1985年就建立了歐洲共享環(huán)境信息系統(tǒng)（SEIS）。目前已實現(xiàn)環(huán)境信

7、息共享，各成員國所形成的環(huán)境信息子系統(tǒng)之間與EEA的中央數(shù)據(jù)庫之間可以直接訪問、可以共享和互通環(huán)境信息，該信息的創(chuàng)建目的是為了非政府組織、研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)以及對環(huán)境感興趣的公眾方便和自由地獲取環(huán)境信息創(chuàng)造條件，這種信息共享制度也為區(qū)域范圍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量綜合分析提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 加拿大也在20世紀(jì)80年代開始環(huán)境信息系統(tǒng)的研究，其中由加拿大國家的Envista公司開發(fā)的一個信息系統(tǒng)主要用來管理安大略湖沿岸礦產(chǎn)企業(yè)所產(chǎn)生的污染對沿岸環(huán)境可能產(chǎn)生的影響及周邊環(huán)境的變化等，該信息有助于各區(qū)域例行監(jiān)測計劃的設(shè)立及環(huán)境管理及規(guī)劃構(gòu)建，減少環(huán)境監(jiān)測的重復(fù)及資源的浪費(fèi)，同時系統(tǒng)所提供的環(huán)境保護(hù)的條例及規(guī)定的共

8、享制度也有助于相鄰區(qū)域之間所產(chǎn)生的環(huán)境問題的快速協(xié)調(diào)。 印度政府環(huán)境信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立起來，以處理環(huán)境數(shù)據(jù)和信息的收集、校對、存儲、分析、交換和發(fā)布。在澳大利亞，聯(lián)邦、州和地方環(huán)境部門和機(jī)構(gòu)越來越多地使用遙感數(shù)據(jù)，還正在應(yīng)用模型技術(shù)，利用環(huán)境數(shù)據(jù)指示具有較高環(huán)境價值的地區(qū)作為資源規(guī)劃活動的一部分，例如原始森林的綜合區(qū)域評價。 SPREP和聯(lián)合國亞洲及太平洋經(jīng)濟(jì)社會委員會（UNESCAP），在環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展機(jī)構(gòu)間委員會成員的幫助下，每5年編寫一份地區(qū)環(huán)境狀況報告。2、GIS在國內(nèi)的應(yīng)用 我國環(huán)境信息系統(tǒng)發(fā)展分為三個階段：1980-1990年屬于探索階段，期間初步建成了一些研究型的環(huán)境信息系統(tǒng)

9、，如國家水質(zhì)管理信息系統(tǒng)（NWQMIS）/國家環(huán)境信息系統(tǒng)以及一些地方性環(huán)境管理系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代至世紀(jì)末國內(nèi)環(huán)境信息系統(tǒng)逐步走向成熟，國家環(huán)境信息系統(tǒng)領(lǐng)域得到很多的發(fā)展，各級環(huán)保部門將先進(jìn)的計算機(jī)信息技術(shù)應(yīng)用于日常的環(huán)境管理和環(huán)境決策支持中，如1994年江蘇省環(huán)保局和清華大學(xué)環(huán)境工程系合作開發(fā)完成了我國第一個基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的省級先進(jìn)環(huán)境管理信息系統(tǒng)江蘇省環(huán)境系統(tǒng)。在同一時期，我國還自行研制了一些適合本地特點和管理需要的地方環(huán)境信息系統(tǒng)。此外，國家還針對我國的兩條重要河流長江與黃河分別建立了長江口潮灘環(huán)境信息系統(tǒng)和黃河水環(huán)境地理信息系統(tǒng)。 進(jìn)入21世紀(jì)，由國家環(huán)保部組織開發(fā)的國家環(huán)境

10、監(jiān)測信息系統(tǒng)（NESMIS）標(biāo)志著國內(nèi)的環(huán)境信息系統(tǒng)逐步走向市場化階段，整個過程按照政府干預(yù)和市場機(jī)制相結(jié)合的運(yùn)作方式，建成后的環(huán)境信息系統(tǒng)為環(huán)保產(chǎn)業(yè)提供信息和可行性方案，為企業(yè)提供環(huán)境影響評價、環(huán)境治理措施，而收益后的環(huán)保產(chǎn)業(yè)及生產(chǎn)企業(yè)又可以為環(huán)境信息系統(tǒng)的建設(shè)提供資金和技術(shù)支持，兩者相輔相成，將是今后環(huán)境信息系統(tǒng)普及和發(fā)展的趨勢。五、GIS應(yīng)用舉例1、GIS在水環(huán)境模擬中的應(yīng)用 水質(zhì)模型是污染物在水環(huán)境中變化規(guī)律及其影響因素之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，水質(zhì)模型在理論上從最初的質(zhì)量平衡原理發(fā)展到現(xiàn)在的隨機(jī)理論、灰色理論和模糊理論；在實際應(yīng)用上，從最初的城市排水工程設(shè)計發(fā)展到現(xiàn)在的污染物水環(huán)境過程

11、模擬等。傳統(tǒng)的水質(zhì)模型研究還存在以下幾個問題:(1)模型建設(shè)前期，模型研究所需的基礎(chǔ)圖形屬性數(shù)據(jù)的處理工作量大。(2)研究對象的邊界域難以確定，傳統(tǒng)的空間離散方法步驟繁瑣。(3)水質(zhì)模型的參數(shù)眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型檢驗和參數(shù)靈敏度分析工作量大。(4)后期模擬結(jié)果表達(dá)形式的效果不夠清晰和直觀。GIS在水質(zhì)模型中的應(yīng)用：(1)GIS能夠通過各種數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將多源、大量的地理數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲和管理。水質(zhì)模型建立之初所需的大量相關(guān)的地形、水、土壤、氣候以及經(jīng)濟(jì)、人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以通過建立GIS數(shù)據(jù)庫米分空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)管理。(2)利用GIS可以很容易的在背景圖上勾勒出研究區(qū)域的邊界。(3)傳統(tǒng)

12、的水質(zhì)模型結(jié)果都是以統(tǒng)計圖、計算報表的形式出現(xiàn)，不利于結(jié)果的形象表示。利用GIS，水質(zhì)模型計算得到的模擬結(jié)果為離散點數(shù)據(jù)，可經(jīng)過插值算法得到污染物濃度的等值線圖。模型運(yùn)行結(jié)果的離散點數(shù)據(jù)可通過GIS賦值給計算域內(nèi)相應(yīng)的污染點，在將污染點圖層進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換；再通過調(diào)用GIS插值函數(shù)生成等值線圖層，最后通過GIS控件顯示等值線。這些等值線有利于直觀地進(jìn)行模型正確性的驗證，為環(huán)境水質(zhì)預(yù)測提供可靠依據(jù)。2、GIS在大氣環(huán)境模擬中的應(yīng)用 目前GIS在環(huán)境模型研究中的應(yīng)用7主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）數(shù)據(jù)集成管理器利用GIS管理空間數(shù)據(jù)的強(qiáng)大功能，將這些數(shù)據(jù)根據(jù)需要提供給大氣模型，并把計算結(jié)果以不同比例尺、不同精度、不同投影方式和不同格式反饋給決策者。（2）模型二次開發(fā)利用GIS系