GIS 技术在环境科学中的应用
摘要：本文介绍了GIS 技术在环境科学多领域的应用，并具体列举了GIS 在环境质量评价和土壤侵蚀方面的方法和原理，最后阐述了GIS 技术目前的不成熟方面。
关键词：GIS 技术 环境科学 方法
一、序言
1.1 GIS技术简介
GIS 是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机编程为平台的全球空间分析即时技术。GIS 技术作为一项新兴技术在很多科学领域都有着广阔的应用，在环境科学中，主要用于生态、环境的管理和模拟，例如区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。
1.2 GIS技术的优点
GIS 之所以可以广泛地应用于环境科学的研究中是因为它有如下特点：
一是环境问题在很大程度上具有三维空间特征、时间变化特征和大数据量特征。大量的环境数据往往与一定的地理位置相互联系。GIS 本身的特性决定了它非常适合这些问题的解决。
二是GIS 技术的引入能带来许多好处，提高工作效率；改善工作质量；拓展工作范围；集成化解决问题。
三是GIS 具有模型分析功能。利用GIS 可以建立一维水质模型、二维流场模型、二维浓度场模型等, 并运用这些模型进行环境规划、环境影响评价等。
GIS 计算机技术系统可以对空间数据进行采集、存储、分析处理及显示输出。于是和容易实现空间数据管理、空间数据分析、建立较为复杂的空间模型、空间与非空间数据的显示查询等功能。这些功能正是GIS 的优势所在。
二、GIS 在环境科学应用概述
2.1环境影响评价的应用
利用GIS 的空间分析功能，可以在空间上实现对建设项目的环境影响预测评价，其强大的图形与数据处理功能，将使环境影响评价工作走向崭新台阶；另外，将环境质量模型与GIS 结合，实现真正的集成化，可视化地描述污染物在空间上的扩散规律，可以很好实现污
染物在流体介质的空间模拟，对促进环境影响评价工作的标准化和程序化，提高其精确度和可比性等各方面都有着重要作用。
2.2大气污染可视化
由于大气污染扩散对具有空间内涵对象的处理需求及GIS 的功能特点，使得GIS 技术与大气污染扩散研究走到了一起。在进行某一项目区的大气污染扩散研究时，可借助现有的GIS 平台，利用数字技术对具有空间内涵的对象作可视化处理，实现污染源可视化、结果浓度数据可视化和大气环境评价结果可视化。
2.3土壤污染评价研究
近年来，土壤污染评价研究将目标主要放在量化污染程度以及辨别污染源方面。然而，量化来自不同源区的污染分布仍是一个极大的挑战。统计学和空间分析工具被用来评价土壤中污染的分布，这项技术对研究地区的历史纪录有很高的要求，而且还需要收集大量的土壤质量数据，而且只能辨别或提供污染源的量化描述，在简单或是复杂记录污染源方面则无法保证结果令人信服。GIS 与地质统计学分析工具的结合，是开展这方面研究的理想模式。
2.4地下水资源环境领域
GIS 在建立管理决策支持系统（MDSS ）、地下水开发利用、资源评价与管理、以及水文地质填图等诸多方面的应用，都取得了令人瞩目的新进展。GIS 在信息采集、信息贮存、信息处理和信息可视化表达这些关键环节上，深刻的影响和改变着当前的地下水开发利用与规划管理，增强了空间区域的综合能力，强化了动态分析功能，提高了可视化技术在水文地质领域中的地位和作用。
2.5建立水质模型
GIS 在水质模型中的应用主要是利用GIS 的空间数据管理功能和模型分析能力，将水环境质量、水污染状况及地理信息等集合在一起，对其进行综合分析、计算、评价，为水污染控制提供可操作的环境管理决策支持。
2.6环境决策支持系统
利用GIS 开发环境决策支持系统的关键在于分析模型的建立与应用，在GIS 分析模块中扩展各种环境与规划模型组成模型库，并利用GIS 数据库的管理功能来实现对模型的管 理。模型库主要包括相关分析模型、评价识别模型、环境质量模拟模型、运筹学及规划学方面的各种优化决策模型等。
2.7城市管网和污水处理厂的设计与管理
城市排水管网与污水处理厂所构成的系统，无论在设计还是长期运行管理方面，都具有相当的复杂性。GIS 的数据输入、管理、查询、输出及空间分析操作，特别是它所建立的二维矢量拓扑关系及其网络分析功能，为城市排水管网的规划设计、管理调控提供了强有力的工具。
另外，将河流水质模型与各种规划模型扩展到GIS 分析模块后，可建立实用的决策支持系统，优化选择城市、区域或流域污水处理厂数量及其位置分布。
2.8近海水域管理和分析 (污水排江排海管理 )
污水排江排海的研究由于涉及潮汐等原因，如何建立有效的模型进行近海水域模拟分析，是目前的难点和热点。利用 GIS 的空间分析能力和建模能力，可以较好地对该类问题进行分析研究。
2.9减灾防灾及紧急事故管理
GIS 可应用于地震和洪水的地图表示、飓风和恶劣气候建模、石油溢漏事故规划、有毒气体扩散建模，对突发性重大的人为环境事故如溢油、爆炸等进行准确的环境质量追踪调查、评估及应急对策的制定等方面。
三、环境影响评价中的GIS 方法
环境影响评价（Environmental Impact Assessment ），是指对规划和建设项目实施后可能造成的环境影响进行分析、预测和评估，提出预防或者减轻不良环境影响的对策和措施，进行跟踪监测的方法与制度。
环境影响评价是一个综合分析评价的过程. 由于信息具有多源性、复杂性、模糊性等特点, 很难使用单一模型来模拟复杂的环境过程, 所以需要建立多模型机制, 建立研究方法库与专家知识体系, 而这一学术思想, 传统的研究手段是难以胜任的,GIS 技术的引入, 使这一思想的实现成为可能.
利用 GIS 的空间分析功能, 可在空间上实现对建设项目的环境影响预测评价, 其强大的图形与数据处理功能, 将使环境影响评价工作走向崭新台阶; 另外, 将环境质量模型与GIS 结合, 实现真正的集成化, 可视化地描述污染物在空间上的扩散规律, 可以很好实现污染物在流体介质的空间模拟, 对促进环境影响评价工作的标准化和程序化, 提高其精确度和可比性等都有着重要作用.
GIS 方法可以将方法库、模型库和数据库进行结合。数据库包括了地理图，环境属性信息以及建设项目的基本概况；处理方法包含了数理统计法、综合指数法、层次分析法、模糊数学法、人工神经网络等环评数学方法；模型根据不同的研究对象可分为大气模型（高斯扩散模型、线源模型）、水模型（一维河流模型、湖泊水质模型）、噪声模型（点源噪声模型、交通噪声模型）。通过这些方法和数据的集成我们可以根据需要对不同环境对象进行现状和影响的评价
因此, 尽管GIS 与EIA 分属不同的研究领域, 但EIA 中引入GIS, 既有助于许多环境评价问题的解决, 也有助于GIS 的发展与完善.
四、土壤侵蚀中的GIS 方法
土壤侵蚀是指陆地表面，在水力、风力、冻融和重力等外营力作用下，土壤、土壤母质和其他地面组成物质被破坏、剥蚀、转运和沉积的全过程。它是现在全球范围内发生最广泛、危害最严重的生态环境问题之一，对人类的生存发展构成了极大的威胁。
GIS 方法主要用于土壤侵蚀模式的构建、区域土壤侵蚀调查、土壤侵蚀动态研究等三方
面。
土壤侵蚀调查主要是对某地区土壤侵蚀类型、强度分布及面积进行定性和定量分析，建立相关的数据库，同时也为土壤侵蚀的动态研究提供了数据保证。调查以TM 图像为主要信息源，并结合其他的专业图件和统计资料建立影像判读的解译标准，对该地区土壤侵蚀强度进行划分，利用计算机软件和数据库，对相同强度级别的地块进行合并，并且自动量算出各种强度地块的面积。
土壤侵蚀动态研究实际上是在土壤侵蚀调查的基础上进行的。我们可以利用同一地区多时相的遥感影像进行变化分析，从而得到该地区土壤侵蚀的时空演变规律。可运用影像与GIS 数据叠加分析法将已有的相应时段的土壤侵蚀详查图在地理信息系统中转成矢量数据，将其作为本底数据与经配准后的遥感影像进行叠加分析，用人机交互的判读方式找出底数据中的图斑界限与影像图斑界限不一致的地方，从而确定土壤侵蚀发生变化的区域与变化类型。
五、GIS 技术方法存在问题
GIS 在环境领域的应用发展迅速，但仍然存在着一些问题。
环境数据库的支持问题。GIS 系统在与环境领域相结合时，需要的信息是分布于不同地域的环境信息载体(如水、气以及土壤等) 的数据，这就要求相应的环境数据库的支持，而目前这类数据库十分缺乏。如果环境数据库的建立得不到相应的重视，最终会导致GIS 系统这一先进的“武器”在环境领域发挥不了它应有的作用。
GIS 与专家系统的结合问题。GIS 是一个基于地理数据的空间信息系统，它必须具有自动采集和处理数据的功能，而且能够智能化地分析和运用数据，提供科学的决策咨询，以回答用户可能提出的各种复杂问题。从这个意义上GIS 与专家系统相结合，形成智能化的高度集成GIS 系统是一个发展方向。在环境领域中专家的知识是任何技术手段以及数学模型无法替代的。GIS 应用于环境领域中，如何考虑专家意见以及GIS 系统与专家系统相结合等问题仍在探索之中。
三维 GIS 技术急待发展。二维GIS 将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力。与二维GIS 相比，三维GIS 对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS 特有的功能。而与CAD 及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。随着GIS 应用的深入，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS ，但由于它们一般是针对自己的领域开发的，没有从理论上加以系统完整的研究，没有面向通用平台进行设计，因此具有较强的局限性。而环境领域的研究与应用对三维GIS 的需求也逐渐增强，因此，如何将三维GIS 技术应用于环境领域，如何可发环境领域的三维GIS 系统，也是当前的一个发展方向和难点。
时态GIS 技术的需求。环境中的诸多要素都是与时态相关的，例如大气中污染物浓度的变化，土壤中重金属元素的迁移等。可以说GIS 所描述的环境是随时间连续变化的。传统的无时间概念的GIS 中的数据，只能是环境在某个时刻的“快照”。当被描述的对象随时间变化比较缓慢且变化的历史过程无关紧要时, 可以用“数据更新”的方式来处理时间变化的影响[20]。但由于时空数据及其涉及的时空分析的复杂性，GIS 中的时空数据模型仍然处于研究阶段，还没有可实际应用的时态GIS 出现，也使得时态GIS 在环境学研究中的应用相当薄弱，相关研究刚刚起步。
六、结语
GIS 作为一项先进的技术手段在环境领域中的应用引人注目，并且应用的范围越来越广。GIS 应用于环境领域不仅节省大量的人力、物力、财力，最主要的是获得成果的速度快，精度高。GIS 在环境领域中的应用系统的开发过程中，应该打破部门界限，合作开发，数据共享，这将大大加快开发速度同时可以使得系统发挥最大的效益。我国在GIS 的研究和开发上与国外相比还有较大的差距，一方面应加大开发力度，另一方面，从实际应用的角度出发，必须向“3S ”一体化方向发展，实现信息实时动态采集、处理、分析。这将进一步提高环境领域研究与应用的现代化、自动化程度，对环境学的发展和环境可持续发展战略的实施具有深远的意义。
参考文献
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GIS 技术在环境科学中的应用
摘要：本文介绍了GIS 技术在环境科学多领域的应用，并具体列举了GIS 在环境质量评价和土壤侵蚀方面的方法和原理，最后阐述了GIS 技术目前的不成熟方面。
关键词：GIS 技术 环境科学 方法
一、序言
1.1 GIS技术简介
GIS 是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机编程为平台的全球空间分析即时技术。GIS 技术作为一项新兴技术在很多科学领域都有着广阔的应用，在环境科学中，主要用于生态、环境的管理和模拟，例如区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。
1.2 GIS技术的优点
GIS 之所以可以广泛地应用于环境科学的研究中是因为它有如下特点：
一是环境问题在很大程度上具有三维空间特征、时间变化特征和大数据量特征。大量的环境数据往往与一定的地理位置相互联系。GIS 本身的特性决定了它非常适合这些问题的解决。
二是GIS 技术的引入能带来许多好处，提高工作效率；改善工作质量；拓展工作范围；集成化解决问题。
三是GIS 具有模型分析功能。利用GIS 可以建立一维水质模型、二维流场模型、二维浓度场模型等, 并运用这些模型进行环境规划、环境影响评价等。
GIS 计算机技术系统可以对空间数据进行采集、存储、分析处理及显示输出。于是和容易实现空间数据管理、空间数据分析、建立较为复杂的空间模型、空间与非空间数据的显示查询等功能。这些功能正是GIS 的优势所在。
二、GIS 在环境科学应用概述
2.1环境影响评价的应用
利用GIS 的空间分析功能，可以在空间上实现对建设项目的环境影响预测评价，其强大的图形与数据处理功能，将使环境影响评价工作走向崭新台阶；另外，将环境质量模型与GIS 结合，实现真正的集成化，可视化地描述污染物在空间上的扩散规律，可以很好实现污
染物在流体介质的空间模拟，对促进环境影响评价工作的标准化和程序化，提高其精确度和可比性等各方面都有着重要作用。
2.2大气污染可视化
由于大气污染扩散对具有空间内涵对象的处理需求及GIS 的功能特点，使得GIS 技术与大气污染扩散研究走到了一起。在进行某一项目区的大气污染扩散研究时，可借助现有的GIS 平台，利用数字技术对具有空间内涵的对象作可视化处理，实现污染源可视化、结果浓度数据可视化和大气环境评价结果可视化。
2.3土壤污染评价研究
近年来，土壤污染评价研究将目标主要放在量化污染程度以及辨别污染源方面。然而，量化来自不同源区的污染分布仍是一个极大的挑战。统计学和空间分析工具被用来评价土壤中污染的分布，这项技术对研究地区的历史纪录有很高的要求，而且还需要收集大量的土壤质量数据，而且只能辨别或提供污染源的量化描述，在简单或是复杂记录污染源方面则无法保证结果令人信服。GIS 与地质统计学分析工具的结合，是开展这方面研究的理想模式。
2.4地下水资源环境领域
GIS 在建立管理决策支持系统（MDSS ）、地下水开发利用、资源评价与管理、以及水文地质填图等诸多方面的应用，都取得了令人瞩目的新进展。GIS 在信息采集、信息贮存、信息处理和信息可视化表达这些关键环节上，深刻的影响和改变着当前的地下水开发利用与规划管理，增强了空间区域的综合能力，强化了动态分析功能，提高了可视化技术在水文地质领域中的地位和作用。
2.5建立水质模型
GIS 在水质模型中的应用主要是利用GIS 的空间数据管理功能和模型分析能力，将水环境质量、水污染状况及地理信息等集合在一起，对其进行综合分析、计算、评价，为水污染控制提供可操作的环境管理决策支持。
2.6环境决策支持系统
利用GIS 开发环境决策支持系统的关键在于分析模型的建立与应用，在GIS 分析模块中扩展各种环境与规划模型组成模型库，并利用GIS 数据库的管理功能来实现对模型的管 理。模型库主要包括相关分析模型、评价识别模型、环境质量模拟模型、运筹学及规划学方面的各种优化决策模型等。
2.7城市管网和污水处理厂的设计与管理
城市排水管网与污水处理厂所构成的系统，无论在设计还是长期运行管理方面，都具有相当的复杂性。GIS 的数据输入、管理、查询、输出及空间分析操作，特别是它所建立的二维矢量拓扑关系及其网络分析功能，为城市排水管网的规划设计、管理调控提供了强有力的工具。
另外，将河流水质模型与各种规划模型扩展到GIS 分析模块后，可建立实用的决策支持系统，优化选择城市、区域或流域污水处理厂数量及其位置分布。
2.8近海水域管理和分析 (污水排江排海管理 )
污水排江排海的研究由于涉及潮汐等原因，如何建立有效的模型进行近海水域模拟分析，是目前的难点和热点。利用 GIS 的空间分析能力和建模能力，可以较好地对该类问题进行分析研究。
2.9减灾防灾及紧急事故管理
GIS 可应用于地震和洪水的地图表示、飓风和恶劣气候建模、石油溢漏事故规划、有毒气体扩散建模，对突发性重大的人为环境事故如溢油、爆炸等进行准确的环境质量追踪调查、评估及应急对策的制定等方面。
三、环境影响评价中的GIS 方法
环境影响评价（Environmental Impact Assessment ），是指对规划和建设项目实施后可能造成的环境影响进行分析、预测和评估，提出预防或者减轻不良环境影响的对策和措施，进行跟踪监测的方法与制度。
环境影响评价是一个综合分析评价的过程. 由于信息具有多源性、复杂性、模糊性等特点, 很难使用单一模型来模拟复杂的环境过程, 所以需要建立多模型机制, 建立研究方法库与专家知识体系, 而这一学术思想, 传统的研究手段是难以胜任的,GIS 技术的引入, 使这一思想的实现成为可能.
利用 GIS 的空间分析功能, 可在空间上实现对建设项目的环境影响预测评价, 其强大的图形与数据处理功能, 将使环境影响评价工作走向崭新台阶; 另外, 将环境质量模型与GIS 结合, 实现真正的集成化, 可视化地描述污染物在空间上的扩散规律, 可以很好实现污染物在流体介质的空间模拟, 对促进环境影响评价工作的标准化和程序化, 提高其精确度和可比性等都有着重要作用.
GIS 方法可以将方法库、模型库和数据库进行结合。数据库包括了地理图，环境属性信息以及建设项目的基本概况；处理方法包含了数理统计法、综合指数法、层次分析法、模糊数学法、人工神经网络等环评数学方法；模型根据不同的研究对象可分为大气模型（高斯扩散模型、线源模型）、水模型（一维河流模型、湖泊水质模型）、噪声模型（点源噪声模型、交通噪声模型）。通过这些方法和数据的集成我们可以根据需要对不同环境对象进行现状和影响的评价
因此, 尽管GIS 与EIA 分属不同的研究领域, 但EIA 中引入GIS, 既有助于许多环境评价问题的解决, 也有助于GIS 的发展与完善.
四、土壤侵蚀中的GIS 方法
土壤侵蚀是指陆地表面，在水力、风力、冻融和重力等外营力作用下，土壤、土壤母质和其他地面组成物质被破坏、剥蚀、转运和沉积的全过程。它是现在全球范围内发生最广泛、危害最严重的生态环境问题之一，对人类的生存发展构成了极大的威胁。
GIS 方法主要用于土壤侵蚀模式的构建、区域土壤侵蚀调查、土壤侵蚀动态研究等三方
面。
土壤侵蚀调查主要是对某地区土壤侵蚀类型、强度分布及面积进行定性和定量分析，建立相关的数据库，同时也为土壤侵蚀的动态研究提供了数据保证。调查以TM 图像为主要信息源，并结合其他的专业图件和统计资料建立影像判读的解译标准，对该地区土壤侵蚀强度进行划分，利用计算机软件和数据库，对相同强度级别的地块进行合并，并且自动量算出各种强度地块的面积。
土壤侵蚀动态研究实际上是在土壤侵蚀调查的基础上进行的。我们可以利用同一地区多时相的遥感影像进行变化分析，从而得到该地区土壤侵蚀的时空演变规律。可运用影像与GIS 数据叠加分析法将已有的相应时段的土壤侵蚀详查图在地理信息系统中转成矢量数据，将其作为本底数据与经配准后的遥感影像进行叠加分析，用人机交互的判读方式找出底数据中的图斑界限与影像图斑界限不一致的地方，从而确定土壤侵蚀发生变化的区域与变化类型。
五、GIS 技术方法存在问题
GIS 在环境领域的应用发展迅速，但仍然存在着一些问题。
环境数据库的支持问题。GIS 系统在与环境领域相结合时，需要的信息是分布于不同地域的环境信息载体(如水、气以及土壤等) 的数据，这就要求相应的环境数据库的支持，而目前这类数据库十分缺乏。如果环境数据库的建立得不到相应的重视，最终会导致GIS 系统这一先进的“武器”在环境领域发挥不了它应有的作用。
GIS 与专家系统的结合问题。GIS 是一个基于地理数据的空间信息系统，它必须具有自动采集和处理数据的功能，而且能够智能化地分析和运用数据，提供科学的决策咨询，以回答用户可能提出的各种复杂问题。从这个意义上GIS 与专家系统相结合，形成智能化的高度集成GIS 系统是一个发展方向。在环境领域中专家的知识是任何技术手段以及数学模型无法替代的。GIS 应用于环境领域中，如何考虑专家意见以及GIS 系统与专家系统相结合等问题仍在探索之中。
三维 GIS 技术急待发展。二维GIS 将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力。与二维GIS 相比，三维GIS 对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS 特有的功能。而与CAD 及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。随着GIS 应用的深入，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS ，但由于它们一般是针对自己的领域开发的，没有从理论上加以系统完整的研究，没有面向通用平台进行设计，因此具有较强的局限性。而环境领域的研究与应用对三维GIS 的需求也逐渐增强，因此，如何将三维GIS 技术应用于环境领域，如何可发环境领域的三维GIS 系统，也是当前的一个发展方向和难点。
时态GIS 技术的需求。环境中的诸多要素都是与时态相关的，例如大气中污染物浓度的变化，土壤中重金属元素的迁移等。可以说GIS 所描述的环境是随时间连续变化的。传统的无时间概念的GIS 中的数据，只能是环境在某个时刻的“快照”。当被描述的对象随时间变化比较缓慢且变化的历史过程无关紧要时, 可以用“数据更新”的方式来处理时间变化的影响[20]。但由于时空数据及其涉及的时空分析的复杂性，GIS 中的时空数据模型仍然处于研究阶段，还没有可实际应用的时态GIS 出现，也使得时态GIS 在环境学研究中的应用相当薄弱，相关研究刚刚起步。
六、结语
GIS 作为一项先进的技术手段在环境领域中的应用引人注目，并且应用的范围越来越广。GIS 应用于环境领域不仅节省大量的人力、物力、财力，最主要的是获得成果的速度快，精度高。GIS 在环境领域中的应用系统的开发过程中，应该打破部门界限，合作开发，数据共享，这将大大加快开发速度同时可以使得系统发挥最大的效益。我国在GIS 的研究和开发上与国外相比还有较大的差距，一方面应加大开发力度，另一方面，从实际应用的角度出发，必须向“3S ”一体化方向发展，实现信息实时动态采集、处理、分析。这将进一步提高环境领域研究与应用的现代化、自动化程度，对环境学的发展和环境可持续发展战略的实施具有深远的意义。
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