地理信息系统与环境科学论文

GIS技术在环境科学中的应用 摘要 随着社会经济和科技的发展，已经有越来越多的新技术在环境保护科学中应 用起来，其中地理信息系统科学与环境科学的交互渗透，使得环境科学的发展有 了质的飞跃，使得环境保护的监测、管理、规划都更加的便捷。其中，地理信息 系统中开发应用的软件ArcGIS的使用很好地解决了环境保护、环境监测、环境 生态学、环境毒理学中需要绘制地理图形的问题，摆脱手工制图的不精确性，提 高了环境科学领域工作的效率。地理信息系统是特定的空间信息系统，它处理的 对象是多种地理实体，地理现象数据及其空间关系数据，简言之，地理信息系统 是对空间数据进行采集，编辑，储存，分析和输出的计算机系统，以其强大的空 间数据管理系统以及空间分析能力，实现了准确管理和分析的目的，因此，GIS 与环境科学的结合运用有着巨大的发展潜力，GIS与环境科学在研究对象和研究 方法上具有的相似性和互补性，使二者的结合有着巨大的发展潜力,预期在环境管 理、环境监测、环境规划、环境影响评价、环境工程及环境地球化学等领域拥有 很好的应用前景。 关键词地理信息系统，环境科学，空间关系数据，空间数据管理系统 1. GIS技术的简介 地理信息系统（Geographical Ination System,简称 GIS）是以地理空间数 据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的、动态的地理信息为 地理研究和决策服务。地理信息系统能为现实地理空间上的物质和能量运动规律 的研究提供方便、准确的空间管理和空间分析手段。GIS系统是在数据库管理系 统（DBMS）和计算机辅助设计（CAD）两个比较成熟的软件技术基础上发展起来的, 并附加了对空间数据进行管理和分析的特殊功能。GIS以其混合数据结构和独特 的地理空间分析功能而别具一格。它所提供的专用函数可用来进行测量、坐标变 换、图号和颜色，根据编辑好的空间数据分层选择，通过逐层叠加形成各种专题 图，通过绘图机、打印机等输出。 GIS是采集、储存、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在 内）与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。GIS引擎提供大量操作分析 功能，包括测距、投影变换、统计、拓扑叠压、缓冲区分析、地形表面操作、网 络分析等等.许多GIS产品允许用户利用宏语言对系统进行扩展，包括定制菜 单和函数等.有的还支持与外部应用程序进行开放通讯。GIS可以根据若干原则 来分类，例如所完成的任务、目的、专业类型、系统功能、用户类型、行政等 级、空间数据模型、数据结构、地理范围和系统操作难易程度等.这里介绍按照 GIS空间数据模型的不同，将GIS软件分为以下几类栅格、二维拓扑矢量、数 字高程模型（DEM）、不规则三角网CTIN）、三维模型、时序模型等。栅格数据模 型在许多产品中都存在，但趋势是更灵活的二维拓扑或不规则三角网。真正的三 维和时序模型还很少使用，但它们是未来的研究方向.另外，图象GIS将遥感图 象与GIS矢量分析紧密结合起来，对地形进行三维立体观察和GIS分析，这也 是目前的研究方向之一。 2. 在环境科学领域中的发展 环境问题是21世纪全球性的问题，对环境问题的研究及解决必然涉及到复 杂、敞开的地表系统。而GIS能为现实地理空间上的物质和能量运动规律的研 究提供方便、准确的空间管理和空间分析手段。环境科学研究 水圈、大气圈、 土壤圈和生物圈等构成地表系统的环境要素,旨在揭示人类活动对环境要素所造 成的影响及其它们之间的相互作用规律，并采取各种合理的工程措施进行调控，以 确保环境质量的长期可持续性。由于环境科学涉及复杂和敞开的地表系统，因此 GIS为研究物质和能量在现实地理空间的运动和转化规律提供了方便准确的空 间管理和空间分析手段。由于在研究对象和研究方法上所具有的相似性和互补性, GIS与环境科学的结合运用在环境管理、环境规划、环境监测、环境影响评价、 环境工程及环境地球化学等领域拥有广泛的应用前景。 3. GIS在环境监测中的应用 环境监测离不开环境信息的采集和处理，而环境信息85以上与空间位置有 关，因此地理信息系统就成为环境监测的有效工具。在地理信息系统的帮助下， 可以方便地获取、存储、管理和分析各种环境信息，并且能为环境监测提供全面、 及时、准确、客观和有效的环境信息。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，从而实现对环境的动态监测，并将 环境的变化情况、规律制成图片直观地表达出来。 3.1在大气环境动态监测中的应用 随着城市土业化的发展，城市工业企业数量和机动车数量都在急剧增加，有 毒有害污染物大量排人到城市空气中，很多国家和地区都在为改善大气环境质量 做着努力。而大气环境有着以下特点1、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；2、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。因此大气环境动态监测最适合用GIS技术进行监测和分析。 引用地理信息系统技术和数据库管理技术，可以将所有对大气有污染隐患的企业 及位置信息、主要污染物、污染物移动范围、周围地形进行收集、整理，并建立 地理信息数据库。利用GIS空间分析和数据显示功能，可获得污染物在人气中的 浓度分布图，进而可了解污染物的空间分布和超标情况。在这方面己经有了成功 实例欧洲的RAINS模式就是一个跨国界的SO排放量计算机管理系统，我国 环保项目中“国家大气环境信息系统”，都是通过GIS技术进行监测和分析的。 3.2 GIS在水资源环境监测中的应用 水是人类生存和发展不可缺少的物资条件，是工农业的重要资源，然而，水 源污染口趋严重并多以复合型污染为基本特征，造成大比例水不能用于饮用，因 此有必要加强对水资源环境的监测和管理。水资源环境的特点是空间信息量大， 而对空间信息的管理与分析正是GIS的优点。GIS用于水资源环境监测，主要 是对水质监测数据和空间数据进行科学有效的组织和管理，能够让管理人员方便 地对各种空间信息进行查询、修改和编辑等；通过GIS强大的空间分析和图标分 析功能，实现对空间和检测数据的分析和专题图的制作，进而为污染治理方案的 制订提供有效的信息支持。比如Adamus和Bergman采用GIS与筛选函数分析水 域内无点污染源的载荷分布,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，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,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，及时发现潜在污染源，加强对水源井的保护，还能为填埋场选 址提供决策支持。 4. GIS在环境综合影响评价中的应用 应用GIS进行环境影响综合评价，可以将大量的空间数据、属性数据与区域 地理环境紧密结合，快速创建图形化的评价结果，形象直观地将区域环境污染的 分布、污染物的数据及其环境影响显示出来，为决策者或环境管理者服务，进而 能随时运用GIS强大的空间分析功能