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摘要：论述了地理信息系统(GIS) 的组成、功能、特点以及在环境科学中的应用,主要综述了GIS 在土地资源、生态环境规划、水资源中的应用以及发展趋势。
关键词：地理信息系统；环境科学；土地资源
中图分类号：F49文献标识码：A文章编号：16723198（2007）11029702
1GIS在资源环境中的应用
1.1GIS在土地资源中的应用
(1)土地资源清查。
20世纪60 至70 年代,加拿大就建立了土地清查地理信息系统(CGIS)，它可以在快速方便地输入实地详查资料的基础上,按要求输出各类土地面积、土地利用现状分布图以及坡度坡向图,也可按用户特定要求输出不同年代的土地利用类型等相应图件。国际土壤学会于1986 年开始着手建立1∶1 000 000的世界土壤O土地数字化数据库(world soils and terrain digital data base 简称SOTER)，希望利用GIS 技术完成全球性的土地资源清查。在我国,地理信息系统用于土地资源清查起步较晚,但发展迅速,它大大方便了土地资源清查与数据共享,为土地资源的合理利用与可持续发展提供了决策信息服务。
(2)土地资源评价与管理。
土地资源评价与管理是地理信息系统应用最早的和较为成熟的领域之一,由此产生了一系列的土地管理信息系统(LIS) 。早期的有美国纽约土地利用与自然资源信息系统(LUNR)， 美国明尼苏达土地管理信息系统(MLMIS) 。
20世纪70 年代以来土地资源信息系统得到迅速发展和普遍应用,出现了巨大的加拿大国家土地信息系统(CanGIS)，新西兰微型计算机土地信息系统(MIDGE，Giltap)，澳大利亚SIRO 土地利用规划信息系统,以及英国发展的土地资源信息系统。这些系统都将土地评价和规划过程相结合,并适用于土地管理,具有综合性和实用性。我国土地资源信息系统始于20世纪80 年代后期,但发展较快,戴旭利用ARC/ INFO 信息系统应用于农业土地资源评价，傅伯杰以延安地区为例建立了资源评价信息系统,周慧珍和贺红士等建立了区域微机土壤信息系统,分别对实验区进行了土地退化评价、土地利用变迁分析和土地肥力评价,倪绍祥、黄杏元等利用土地评价信息系统,改善了土地适宜性评价的效率和精度,将土地适宜性评价和土地利用规划决策联系起来。
1.2GIS在生态环境中的应用
(1)生态环境管理规划与宏观决策。
地理信息系统在生态环境研究中应用广泛,主要有环境监测、生态环境质量评价与环境影响评价、环境预测规划与生态管理以及面源污染等。空间监测信息的综合加工与快速而形象的反映是环境管理的迫切需要,监测信息的综合分析是一个复合型的巨大系统,引入地理信息系统,不仅可满足上述要求,而且可作为支持系统的有利工具。
通过GIS 与这些模型结合可以确定面源污染的影响因素、形成机理和分布规律,在实践中发挥了很好的作用。在我国,面源污染研究起步较晚,仍不够深入,主要是借用国外的一些模型进行土壤侵蚀研究和污染物总量控制,而面源模拟实验进行得很少。
(2)自然灾害预警及灾情分析。
从国内外发展状况看,地理信息系统技术在重大自然灾害和灾情评估中有广泛的应用领域。从灾害的类型看,它既可用于火灾、洪灾、泥石流、雪灾和地震等突发性自然灾害,又可应用于干旱灾害、土地沙漠化、森林虫灾和环境危害等非突发性事故。就其作用而言,从灾害预警预报、灾害监测调查到灾情评估分析各个方面,综合起来有如下几点: ①进行灾情预警预报; ②对灾情进行动态监测; ③分析探讨灾情发生的成因与规律; ④ 进行灾害调查; ⑤ 灾害监测; ⑥灾害评估。
1.3地理信息系统在土地资源与生态环境应用中存在的问题
(1)数据来源与数据质量难以保证。
土地资源与生态环境问题涉及土壤学、环境学与地理学等各个学科领域,其影响因素复杂,需要数据量大且要求质量高。然而由于仪器设备以及人力物力的限制,许多土地资源与生态环境数据难以获取。而且现有数据也往往由于数据来源不一、数据格式各异、年代不同等原因造成土地资源与生态环境数据质量难以保证,特别是数据格式不一,使各地区的数据难以共享,严重影响了GIS 的应用。同时,地理信息系统最基本特点是每个数据项都有空间坐标,即首先定位,才能使定性定量的属性数据与空间数据相连,而传统的人工采集与野外调查数据空间定位能力差,并且往往以点代面,不可避免的带来了各种误差。因此数据来源与数据精度一直是GIS 技术真正解决土地资源与生态环境问题的一个“瓶颈”。
(2)专业模型缺乏通用性。
现代土地资源与生态环境研究从世界范围和历史发展来看,许多发达国家已从第一阶段的侧重调查、分类和制图,进入第二阶段的侧重模拟、监测和管理。在这个阶段,问题的解决依赖于模型的建立,然而现有的模型多是面向某一地区特定条件下建立的,大多不具有空间和时间上的可移植性。
(3)系统集成性差。
集成是将基于信息技术的各种资源及分析方法(计算机硬件、软件、模型、接口及传感器) 集成一个协同工作的整体。随着地理信息系统在土地资源与生态环境中应用的深入,建立了一大批相关地理信息系统。这些专业地理信息系统数据库模型、专业模型以及两者之间的接口和GIS之间的连接方式均不一样,界面不统一不友好。GIS的数据模型仍然缺乏环境模拟所需的时空结构,GIS软件系统也不能够同时处理时空数据的结构可变性以及建立和检验过程的算法可变性。
1.4GIS在水资源与生态环境中的应用
由于水资源与生态环境评价牵涉面广，涉及数据信息来源多，因此需要运用多种手段进行分析研究。遥感技术、技术和管理信息系统技术在水资源与生态环境评价中的综合应用是未来发展的趋势。用于实时、快速地提供大面积地表物体及其环境的几何与物理信息和各种变化， 是综合处理非空间数据的平台，同时也为空间数据提供了属性信息，则是对多种来源时空数据的综合处理分析和应用以及展示的平台。项技术综合运用将对大范围改善水资源与生态环境之间的关系发挥巨大的作用。
基于水资源与生态环境评价管理信息系统的主要用户对象是系统内部户，目前组件技术已相当成熟，并且由于结构的设计不受开发方式的限制，可以将的分析功能发挥至极致。水资源与生态环境评价管理地理信息系统由专题管理系统、空间数据管理系统及空间数据编辑系统I 部分组成。
专题管理系统是水资源与生态环境评价管理地理信息系统的核心部分，其主要任务是提供空间数据与属性数据进行连接的工具，建设专题信息，将空间数据和水资源与生态环境评价所需的属性数据结合成为有机的整体，使空间数据信息为水资源与生态评价服务，并在此基础上完成对空间数据和属性数据进行双向查询，既可以对属性库进行各类查询，又可将查询结果直观地在地图上表示出来，也能以地图为工具，查询图上各空间要素的详细资料，通俗的说，也就是从表到图、从图到表的双向信息查询，使信息达到既形象直观又详尽、具体的完美统一。专题管理系统还提供对空间信息进行量算、数据显示和输出及其他辅助功能。
1.5环境影响评价
环境影响评价用以识别和预测某项人类活动对环境所产生的影响, 解释和传播影响信息, 制定出减轻不利影响的对策措施, 从而达到人类行为与环境之间的协调发展。由于GIS 能够集成管理与场地有关的数据, 例如水质, 空气质量、污染源、土地利用状况等, 因而特别适合作为环境影响评价的分析和辅助决策工具。
2GIS的发展趋势
2.1RS、 GPS 和GIS 一体化技术的应用
RS (遥感) 作为一种获取和更新空间数据的强有力的手段,能提供实效性强、准确度高、监测范围大、具有综合性的定位定量信息,于是RS 信息便成了地理信息系统十分重要的数据源,它有助于GIS 数据库的及时更新,确保现实性,特别是环境动态监测,自然灾害防治以及土地利用分类等方面,具有其它类型数据所无法代替的优越性。GPS (全球定位系统) 是美国在24 颗卫星导航系统的基础上发展起来的最新一代卫星定位系统。它由三部分组成,即空间部分、地面监测部分和用户部分。GPS 为RS 影像数据和GIS数据提供精确定位信息。在当今全球变化研究、土地资源与生态环境、信息技术高实效性要求日益急迫的情况下“3S”一体化技术必将成为重要发展方向之一。
2.2应用模型的开发
目前应用模型的研究比较引人注目的是: ①引进空间化的数理统计和系统分析方法。②通过实例研究,建立专业模型。在GIS应用中,应用模型是联系GIS 应用系统与常规专业研究的纽带,模型的建立必须以广泛的专业知识为基础。这既是解决专业模型的关键,也是GIS 功能的扩展。因此应用模型研究是今后研究的重点和发展的主要方向之一。
2.3模型驱动的决策支持系统的发展
以模型库为驱动核心的空间决策支持系统以决策的有效性为目的,建立决策模型和空间复合运算,在不同的决策阶段予以不同的支持,支持决策的全过程,从而避免了运用GIS在空间信息的分析评价、时空分析、预测和模拟及。决策等过程中模型分析功能的不足。因此GIS 在土地资源与生态环境中的传统应用阶段必将走向空间决策支持系统发展阶段。
2.4人工智能的应用和专家系统的开发
20世纪80 年代开始的以知识为对象的信息处理,注意利用人工智能(AI) 的方法,通过专家知识的规范化建立知识库,发展专家系统。利用这种智能型的地理信息系统来解决不能用算法解决的复杂问题,将使GIS 的应用领域获得更大的拓展。
2.5标准化是发展方向
制订统一的规范和标准是信息系统共享的基础。美国、日本、法国和加拿大等国都十分注意全国性的统一规划和标准。我国应吸取国际经验结合本国实际,开展关于资源与环境信息系统国家规范的研究,以便科学而准确地规定系统中的内容分类,数据格式、控制体系、精度标准和技术名词等,以保证不同系统之间的交换和数据共享。
2.6网络地理信息系统的发展
网络技术的发展,给新一代GIS 技术重构带来了巨大的机遇与挑战。GIS 的空间分析方法由原理驱动转变为数据驱动;采用主流技术的标准与协议,实现GIS 空间数据的互操作性和全关系化;从单纯的GIS 技术转向同各种专业应用相结合,使之在全球信息基础设施上得到广泛应用。
参考文献
［1］鞠胜勇. 地理信息系统软件在房产测绘管理中的应用研究［J］．科技资讯，2007，(２８).
［2］张树斌．地理信息系统的发展历程与趋势［Ｊ］．太原科技，2007，(１０).
［3］刘艳林．地理信息系统及其在水利中的应用［J］．内蒙古科技与经济，2007，(17).
关键词：地理信息系统；环境科学；土地资源
中图分类号：F49文献标识码：A文章编号：16723198（2007）11029702
1GIS在资源环境中的应用
1.1GIS在土地资源中的应用
(1)土地资源清查。
20世纪60 至70 年代,加拿大就建立了土地清查地理信息系统(CGIS)，它可以在快速方便地输入实地详查资料的基础上,按要求输出各类土地面积、土地利用现状分布图以及坡度坡向图,也可按用户特定要求输出不同年代的土地利用类型等相应图件。国际土壤学会于1986 年开始着手建立1∶1 000 000的世界土壤O土地数字化数据库(world soils and terrain digital data base 简称SOTER)，希望利用GIS 技术完成全球性的土地资源清查。在我国,地理信息系统用于土地资源清查起步较晚,但发展迅速,它大大方便了土地资源清查与数据共享,为土地资源的合理利用与可持续发展提供了决策信息服务。
(2)土地资源评价与管理。
土地资源评价与管理是地理信息系统应用最早的和较为成熟的领域之一,由此产生了一系列的土地管理信息系统(LIS) 。早期的有美国纽约土地利用与自然资源信息系统(LUNR)， 美国明尼苏达土地管理信息系统(MLMIS) 。
20世纪70 年代以来土地资源信息系统得到迅速发展和普遍应用,出现了巨大的加拿大国家土地信息系统(CanGIS)，新西兰微型计算机土地信息系统(MIDGE，Giltap)，澳大利亚SIRO 土地利用规划信息系统,以及英国发展的土地资源信息系统。这些系统都将土地评价和规划过程相结合,并适用于土地管理,具有综合性和实用性。我国土地资源信息系统始于20世纪80 年代后期,但发展较快,戴旭利用ARC/ INFO 信息系统应用于农业土地资源评价，傅伯杰以延安地区为例建立了资源评价信息系统,周慧珍和贺红士等建立了区域微机土壤信息系统,分别对实验区进行了土地退化评价、土地利用变迁分析和土地肥力评价,倪绍祥、黄杏元等利用土地评价信息系统,改善了土地适宜性评价的效率和精度,将土地适宜性评价和土地利用规划决策联系起来。
1.2GIS在生态环境中的应用
(1)生态环境管理规划与宏观决策。
地理信息系统在生态环境研究中应用广泛,主要有环境监测、生态环境质量评价与环境影响评价、环境预测规划与生态管理以及面源污染等。空间监测信息的综合加工与快速而形象的反映是环境管理的迫切需要,监测信息的综合分析是一个复合型的巨大系统,引入地理信息系统,不仅可满足上述要求,而且可作为支持系统的有利工具。
通过GIS 与这些模型结合可以确定面源污染的影响因素、形成机理和分布规律,在实践中发挥了很好的作用。在我国,面源污染研究起步较晚,仍不够深入,主要是借用国外的一些模型进行土壤侵蚀研究和污染物总量控制,而面源模拟实验进行得很少。
(2)自然灾害预警及灾情分析。
从国内外发展状况看,地理信息系统技术在重大自然灾害和灾情评估中有广泛的应用领域。从灾害的类型看,它既可用于火灾、洪灾、泥石流、雪灾和地震等突发性自然灾害,又可应用于干旱灾害、土地沙漠化、森林虫灾和环境危害等非突发性事故。就其作用而言,从灾害预警预报、灾害监测调查到灾情评估分析各个方面,综合起来有如下几点: ①进行灾情预警预报; ②对灾情进行动态监测; ③分析探讨灾情发生的成因与规律; ④ 进行灾害调查; ⑤ 灾害监测; ⑥灾害评估。
1.3地理信息系统在土地资源与生态环境应用中存在的问题
(1)数据来源与数据质量难以保证。
土地资源与生态环境问题涉及土壤学、环境学与地理学等各个学科领域,其影响因素复杂,需要数据量大且要求质量高。然而由于仪器设备以及人力物力的限制,许多土地资源与生态环境数据难以获取。而且现有数据也往往由于数据来源不一、数据格式各异、年代不同等原因造成土地资源与生态环境数据质量难以保证,特别是数据格式不一,使各地区的数据难以共享,严重影响了GIS 的应用。同时,地理信息系统最基本特点是每个数据项都有空间坐标,即首先定位,才能使定性定量的属性数据与空间数据相连,而传统的人工采集与野外调查数据空间定位能力差,并且往往以点代面,不可避免的带来了各种误差。因此数据来源与数据精度一直是GIS 技术真正解决土地资源与生态环境问题的一个“瓶颈”。
(2)专业模型缺乏通用性。
现代土地资源与生态环境研究从世界范围和历史发展来看,许多发达国家已从第一阶段的侧重调查、分类和制图,进入第二阶段的侧重模拟、监测和管理。在这个阶段,问题的解决依赖于模型的建立,然而现有的模型多是面向某一地区特定条件下建立的,大多不具有空间和时间上的可移植性。
(3)系统集成性差。
集成是将基于信息技术的各种资源及分析方法(计算机硬件、软件、模型、接口及传感器) 集成一个协同工作的整体。随着地理信息系统在土地资源与生态环境中应用的深入,建立了一大批相关地理信息系统。这些专业地理信息系统数据库模型、专业模型以及两者之间的接口和GIS之间的连接方式均不一样,界面不统一不友好。GIS的数据模型仍然缺乏环境模拟所需的时空结构,GIS软件系统也不能够同时处理时空数据的结构可变性以及建立和检验过程的算法可变性。
1.4GIS在水资源与生态环境中的应用
由于水资源与生态环境评价牵涉面广，涉及数据信息来源多，因此需要运用多种手段进行分析研究。遥感技术、技术和管理信息系统技术在水资源与生态环境评价中的综合应用是未来发展的趋势。用于实时、快速地提供大面积地表物体及其环境的几何与物理信息和各种变化， 是综合处理非空间数据的平台，同时也为空间数据提供了属性信息，则是对多种来源时空数据的综合处理分析和应用以及展示的平台。项技术综合运用将对大范围改善水资源与生态环境之间的关系发挥巨大的作用。
基于水资源与生态环境评价管理信息系统的主要用户对象是系统内部户，目前组件技术已相当成熟，并且由于结构的设计不受开发方式的限制，可以将的分析功能发挥至极致。水资源与生态环境评价管理地理信息系统由专题管理系统、空间数据管理系统及空间数据编辑系统I 部分组成。
专题管理系统是水资源与生态环境评价管理地理信息系统的核心部分，其主要任务是提供空间数据与属性数据进行连接的工具，建设专题信息，将空间数据和水资源与生态环境评价所需的属性数据结合成为有机的整体，使空间数据信息为水资源与生态评价服务，并在此基础上完成对空间数据和属性数据进行双向查询，既可以对属性库进行各类查询，又可将查询结果直观地在地图上表示出来，也能以地图为工具，查询图上各空间要素的详细资料，通俗的说，也就是从表到图、从图到表的双向信息查询，使信息达到既形象直观又详尽、具体的完美统一。专题管理系统还提供对空间信息进行量算、数据显示和输出及其他辅助功能。
1.5环境影响评价
环境影响评价用以识别和预测某项人类活动对环境所产生的影响, 解释和传播影响信息, 制定出减轻不利影响的对策措施, 从而达到人类行为与环境之间的协调发展。由于GIS 能够集成管理与场地有关的数据, 例如水质, 空气质量、污染源、土地利用状况等, 因而特别适合作为环境影响评价的分析和辅助决策工具。
2GIS的发展趋势
2.1RS、 GPS 和GIS 一体化技术的应用
RS (遥感) 作为一种获取和更新空间数据的强有力的手段,能提供实效性强、准确度高、监测范围大、具有综合性的定位定量信息,于是RS 信息便成了地理信息系统十分重要的数据源,它有助于GIS 数据库的及时更新,确保现实性,特别是环境动态监测,自然灾害防治以及土地利用分类等方面,具有其它类型数据所无法代替的优越性。GPS (全球定位系统) 是美国在24 颗卫星导航系统的基础上发展起来的最新一代卫星定位系统。它由三部分组成,即空间部分、地面监测部分和用户部分。GPS 为RS 影像数据和GIS数据提供精确定位信息。在当今全球变化研究、土地资源与生态环境、信息技术高实效性要求日益急迫的情况下“3S”一体化技术必将成为重要发展方向之一。
2.2应用模型的开发
目前应用模型的研究比较引人注目的是: ①引进空间化的数理统计和系统分析方法。②通过实例研究,建立专业模型。在GIS应用中,应用模型是联系GIS 应用系统与常规专业研究的纽带,模型的建立必须以广泛的专业知识为基础。这既是解决专业模型的关键,也是GIS 功能的扩展。因此应用模型研究是今后研究的重点和发展的主要方向之一。
2.3模型驱动的决策支持系统的发展
以模型库为驱动核心的空间决策支持系统以决策的有效性为目的,建立决策模型和空间复合运算,在不同的决策阶段予以不同的支持,支持决策的全过程,从而避免了运用GIS在空间信息的分析评价、时空分析、预测和模拟及。决策等过程中模型分析功能的不足。因此GIS 在土地资源与生态环境中的传统应用阶段必将走向空间决策支持系统发展阶段。
2.4人工智能的应用和专家系统的开发
20世纪80 年代开始的以知识为对象的信息处理,注意利用人工智能(AI) 的方法,通过专家知识的规范化建立知识库,发展专家系统。利用这种智能型的地理信息系统来解决不能用算法解决的复杂问题,将使GIS 的应用领域获得更大的拓展。
2.5标准化是发展方向
制订统一的规范和标准是信息系统共享的基础。美国、日本、法国和加拿大等国都十分注意全国性的统一规划和标准。我国应吸取国际经验结合本国实际,开展关于资源与环境信息系统国家规范的研究,以便科学而准确地规定系统中的内容分类,数据格式、控制体系、精度标准和技术名词等,以保证不同系统之间的交换和数据共享。
2.6网络地理信息系统的发展
网络技术的发展,给新一代GIS 技术重构带来了巨大的机遇与挑战。GIS 的空间分析方法由原理驱动转变为数据驱动;采用主流技术的标准与协议,实现GIS 空间数据的互操作性和全关系化;从单纯的GIS 技术转向同各种专业应用相结合,使之在全球信息基础设施上得到广泛应用。
参考文献
［1］鞠胜勇. 地理信息系统软件在房产测绘管理中的应用研究［J］．科技资讯，2007，(２８).
［2］张树斌．地理信息系统的发展历程与趋势［Ｊ］．太原科技，2007，(１０).
［3］刘艳林．地理信息系统及其在水利中的应用［J］．内蒙古科技与经济，2007，(17).