环境工程中GIS的应用

qiang · 发表于 2009-11-29 14:54

摘要:简述了地理信息系统(GIS)的组成、功能、特点。针对近年来国内外地理信息系统在环境工程中的应用成果,从环境规划、环境管理、环境监测等方面说明了利用GIS技术辅助决策和管理,不仅能节省大量的人力、物力、财力,而且获得成果的速度快,精度高。在环境工程领域,地理信息系统应用的发展趋势:当前一个国家和地区有关环境工程的决策中必须应用地理信息系统,而且只有走“3S”一体化的道路,才能充分发挥其优势,为政府及有关部门决策提供有力的依据。在中国环境类学科中应开设地理信息系统课程,加快地理信息系统在环境工程中的推广和应用。

关键词:GIS;环境规划;环境管理;环境监测

地理信息系统(GeographicInformationSystem,简称GIS)是融计算机图形和数据库于一体,储存和处理与地理空间分布有关信息的集合[1]。它把地理位置和相关属性信息有机结合起来,根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用户。用户借助其独有的空间分析功能和可视化表达,可进行各种辅助决策。地理信息系统的产生改变了传统的信息处理方式,使人们处理信息由数值领域进入到了空间领域。目前,GIS已经在地形图与专题制图、城市规划与市政工程、土地利用与规划、环境保护与治理、环境监测、灾害监测和防治、生物资源保护与利用等诸多领域得到了初步的应用。环保领域空间信息量相当大,对空间信息的管理与分析正是地理信息系统的优势。因此,地理信息系统软件是政府部门监控污染、保护环境资源的理想选择。

一、GIS在环境规划中的应用

环境规划实质上是一种克服人类经济、社会活动和环境保护活动盲目性和主观随意性的科学决策活动。在环境规划的全过程中,自始至终需要收集、消化、吸收、参考和处理各类相关的综合信息[2]。如流域的水污染控制、固体废弃物的处置场址选择、自然保护区的规划等都需要处理大量的现时的环境状态与特征的空间信息。这些信息覆盖了不同类型,来自不同部门,存载于不同的介质之上,表现出不同的形式,要把这些信息进行筛选并转换成可用的形式,只凭人脑是难以胜任的。因此,在客观上需要一种基于电脑的信息集中储存、处理的环境来支持和帮助规划人员完成这一工作。GIS在环境规划方面具有很大的优越性,它采用开放式的体系结构,环境规划人员可以利用现有的表格数据和数据库管理系统查询、使用各个部门的信息;它可以把各种数据按类型进行分类,并放在不同的图层上,各层之间可以进行运算、变换、叠加、旋转等。另外,GIS具有很强的空间分析和图形管理功能,能把决策分析的结果以地理分布图的形式表达出来,更易为决策者理解和接受。

在采用地理信息系统技术对固体废弃物的处置场址选择时,从环保的角度出发,只要从GIS数据库中调用这样一些信息:该地区的平面图、农业用地、大气环境、地下水资源环境及其他一些根本不能用来做垃圾填埋场的地区(包括公园、居民聚居区等),并在五层栅格型的数字化地图的基础上展开分析,就可得出适合建厂的地区。结果的输出形式有:数据文件,图表,地图,屏幕显示,用户可根据实际需要做出恰当的选择。

二、GIS在环境管理中的应用

环境管理工作就是运用经济、法律、技术、行政、教育等手段,使经济发展与环境相协调,达到既发展经济,满足人类基本需要,又不超过环境的允许极限。环境管理工作中引进GIS技术,无疑有助于许多环境问题的解决。GIS可用于环境模型模拟、检验、空间分析,加之直观的结果显示(图形或表格)和可共享的数据源,提高环境模型的应用效率。

环境管理的核心内容是对重大污染源的控制。利用GIS的空间拓扑关系进行查询,可以把污染源的地理位置、污染种类、排放量及其他状况等清晰地反映出来。同时还可以对重点污染源的各种污染要素进行分析和综合统一的管理,还可分不同层面对污染源进行显示处理。

可以通过结构化查询语言(SQL)进行统计查询,获得所需的信息。目前,已有许多城市建立了自己的环境信息系统,利用计算机上的虚拟现实等技术,使有关部门能够对城市环境进行有效的计划和管理。它的建立过程一般包括数据搜集、分析、计划和设计、评价等几个步骤。它可以搜索、存储、加工、传输本市的环境质量、污染物排放和治理、清洁生产、环保产业与产品、自然保护、生态平衡、环境管理以及对外合作等相关的社会经济信息。还可利用GIS对环境监测信息、环境管理业务信息、排污申报信息、贮存收集的其他部门相关信息等进行数据分析。例如,可以将城市中的每一个区域的污染源基础数据输入GIS系统,然后对这些数据进行分析,针对存在的问题进行设计和提供解决方案,最后对得出的方案进行评价,从而为政府职能部门及时了解情况、提高管理效率以及吸引项目投资等提供方便。Ventura等就利用GIS对城市面源污染进行了分析和评价,并结合土地类型的分配,为采取控制措施提供决策依据。

三、GIS在环境监测中的应用

城市环境的演变是一个动态的过程,城市环境动态监测的实现,有赖于信息的适时更新和对信息的空间分析与综合处理。地理信息系统具有强大的空间分析和数据处理功能,充分利用GIS的功能模块结合选定的环境监测模型可以对多源环境信息进行处理,从中发现环境演变的动态规律,通过不同时段环境信息的对比和综合分析,辅助决策。其关键在于建立科学的监测模型,对信息进行有效的综合处理,从而实现对环境的综合动态监测。包括大气污染的监测,水体污染监测、生态环境监测,环境灾害监测等。GIS强大的专题制图功能可将环境的变化情况、规律通过直观的图件资料予以显示。

(1)大气环境的动态监测与分析。大气环境是环境问题的一个重要因素,尤其是人口密集、工业企业集中的城市大气环境问题显得尤为突出。目前很多国家和地区都在为改善和恢复大气环境做着积极的努力。在进行这项工作时,首先要了解大气环境的特点。第一,它的空间尺度大,人类赖以生存的大气圈有上百公里的厚度;第二,空气在自然环境中有着最好的流动性,地面是其不可逾越的固体边界。因此大气环境的动态监测与分析工作最适合用GIS技术进行研究。应用GIS建立城市大气污染的管理系统时,将基础数据进行如下分类:属性数据,如污染物排放量、人口状况、工业结构等;地理(空间)数据,如污染源的分布、城市现状平面图等。把数据库分为基本型和导出型,应该既更新基本型数据库,又更新导出型数据库。利用GIS的空间图形图像的显示、分析功能,可以获得各污染物浓度分布图,了解各污染物的空间分布及超标情况。致力于大气环境问题的科研人员已经在这些方面取得了长足的进展,国内外都有成功的实例。比如,欧洲的RAINS模式[2]就是一个跨国界的SO2排放量计算机管理系统,我国“七五”环保项目中“国家大气环境信息系统”[6]。大家熟知的大气层的臭氧层“黑洞”就是通过GIS和遥感技术发现的。

(2)水资源环境监测。随着工业的发展,水资源也受到了不同程度的污染。此外人口的急剧增长及城市的发展,许多城市出现了用水紧张的局面。因此,加强对水资源的监测和管理迫在眉睫。水资源环境的一个特点是空间信息量大,而对空间信息的管理与分析正是GIS的优势,这样GIS便成了一个强有力的水资源管理工具,使水资源的管理工作由传统模式进入了现代化的动态管理模式。

GIS应用于水资源数据的监测管理,主要是对水质数据、供水部门数据及遥感数据进行管理与分析等。GIS与计算机水域模型(watershedmodel)的结合已成为动态评估城市水资源环境的强有力工具。如Adamus和Bergman采用GIS与筛选函数分析水域内无点污染源的荷载分布,Richard和Host应用GIS与相关函数分析河流生物与上游土地应用及河流形状的关系[6],中国环境科学院郑丙辉等应用GIS定量分析昆明市松华坝水库的流域面源污染[7]。用GIS管理水资源数据,使得数据资源共享具有很大潜力,增强了数据管理与分析的可视性,将数据管理的水平又提高到一个新的高度。Hudak等人在利用GIS技术对地下水监测网络进行的设计中,对所选研究区域进行详细的场地监测和分析,从而有利于管理地表和地下废物设施,及时发现潜在污染源,加强对水源井的保护,还能为填理场选址提供决策支持[3]。上海市环境管理部门于20世纪80年代末开始GIS的应用研究,并建立了黄浦江流域水环境地理信息系统,系统具有动态监测显示、水污染过程模拟及取水口水环境管理功能,并可对水质作出快速预测分析和预报(郑丙辉,刘宁。GIS支持下的流域面源污染研究。中国地理信息系统协会首届年会论文集,1995)。

(3)生态环境宏观监测。我国改革开放以来,经济高速增长,然而资源的过度开发利用,对生态环境造成了严重的破坏。为了实现我国经济可持续发展战略,必须了解生态环境现状,解决主要生态环境问题,以保障有关决策部门在资源开发利用和保护生态环境方面做出合理的、科学的宏观决策。由于生态环境信息具有容量大、层次多、内容广、关系复杂、空间分布和动态变化的特点,以往所做的大都是一些常规的、单项的生态环境和资源调查,而且监测结果的技术质量较低[8]。

第2卷第2期冯文博等GIS在环境工程中的应用17在GIS技术正逐渐走向成熟的今天,利用GIS软件支持,可以更精确、更直观地对空间数据进行划分,把生态环境的属性信息和空间信息按空间分布特点,输入计算机,来建立地理信息系统及生态监测数据库,以便有效地存储和管理数据,快速、准确地进行信息的查询、检索、更新,促使数据的全面综合处理和迭加分析,对生态环境的发展态势做出科学预测[9,10]。GIS的强大制图功能,可以使用户轻松获得定位准确、内容详的实专题图。生态环境信息系统的建立,不仅为将来的工作提供重要的本底数据,还可与其他部门的有关信息系统以及国际相关系统联网,形成统一的生态环境信息网络。内蒙古环境监测中心站利用遥感和环境信息技术对内蒙古伊盟地区进行首次生态环境调查,并取得了可喜调查成果,为建立自治区生态环境动态监测信息系统奠定了基础[11]。

(4)环境灾害监测与评估。灾害的发生大都是突发性的,其结果是对环境造成重大污染,经济上造成巨大损失,对居民的身体健康及生命安全造成巨大威胁,其危害制约着生态平衡及经济、社会的发展。一旦灾害发生,必须及时准确的制定出应急对策,在有限的资源条件下,最大限度的降低灾害损失。由于GIS具有交互定位和逻辑查询以及广泛的关系数据库连接能力,所以非常适合用于环境灾害监测与评估。对于特大火灾,消防部门可以使用GIS完成火灾事件分析、绘制火灾现场图、显示消火栓分布图、道路状况和资源分布,从而进行紧急调度和路径优化。灾后可很快进行环境质量追踪调查、评估,根据新的环保监测数据,迅速得出一定范围内大气污染的等值线图,以及对居民、生态的影响。GIS可以提供有关洪涝灾害的历史、自然环境和社会经济现状的背景数据;可以对洪涝灾害的可能性、空间分布、危险程度等进行综合的分析、评价、模拟分析和趋势预测研究;可以辅助防灾、减灾决策分析,提供灾害快速评估与计算机辅助决策。中国测绘科学院李紫薇等建立的一套基于“4D”的洪涝灾害遥感监测评估与保险核损技术系统也已经在岳阳地区投入了运行。水利部陈曦川等应用GIS网络分析技术,模拟分析出北京地区小清河滞洪区疏散居民最佳撤退路径,减少了居民伤亡和财产损失,为防洪减灾中提供最有效的决策依据。

地理信息系统可不断更新、储存新的信息,维持数据库的有效性和现势性。若将GIS与RS(遥感技术)相结合,可以实现实时动态监测模拟。在灾害发展过程和灾害消除后,灾害发生的规模、速度,灾害制止后是否有回迹现象等都可用遥感进行监测。尤其是对交通不便、人迹稀少的地方更为方便(李紫薇,毛可标,龚循平,等:《基于“4D”的理大洪涝灾害保险核损技术系统的建立》,第十届全国遥感技术学术交流会论文集,1997)。

四、结论

随着技术的不断进步,GIS在环境工程领域中的应用会越来越广。利用GIS技术可以将数据与地图相关联,建立拓扑关系,进行空间分析,输出各类专题地图,辅助决策和管理。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开发过程中,应该打破部门界限,合作开发,数据共享,使得管理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,今后应着力加大开发力度,而且必须向“3S”一体化方向发展,实现信息实时动态采集、处理、分析。这将提高环境工程领域的现代化、自动化程度,对环境工程学的发展和环境可持续发展战略的实施具有深远的意义。只有这样,才能充分发挥其优势,为政府及有关部门决策提供有力的依据。与此同时,在我国环境类学科中应开设地理信息系统课程,加快地理信息系统在我国环境工程中的推广和应用。http://bbs.3s001.com

参考文献:

[1]修文群,天河.市地理信息系统[M].北京:北京希望电子出版社,1999.

[2]傅国伟.当代环境规划的定义、作用与特征分析[J].中国环境科学,1999,191):72276.

[3]杜培军,周廷刚.3S技术在城市环境管理中的应用[J].环境保护,1999,(3):324.

[4]宋小冬,叶嘉安.地理信息系统及其在城市规划与管理中的应用[M].北京:科学出版社,1998.

[5]韦保仁,石剑荣.地理信息系统在环境保护中的发展趋势分析[J].苏州城建环保学院学报,1999,12(3):35240.

[6]汪小钦.GIS与大气质量模型结合的探讨[J].环境科学研究.2000,13(4):50252.

[7]林珲,冯通,孙以义,等.城市地理信息系统研究与实践[M].上海:上海科学技术出版社,1996.

[8]程林,王浩然.地理信息系统与环境地球化学[J].地质地球化学,1999,27(2):1102113.

[9]雅琴.利用遥感和地理信息技术进行宏观生态环境监测[J].内蒙古环境保护,1999,11(1):16218.

冯文博1,李继军1,戴塔根2