地理信息系统与自然科学

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。

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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 Information 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(T IN )、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

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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SO2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

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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，按不同的范围及约束条件，迅速生成评价区域的各种环境评价结果及专题图。 4.1 数据处理

环境影响综合评价涉及大量的工程项目规划数据、区域自然环境和社会经济环境数据、污染物排放数据和环境本底值，这些数据是进行评价的基础数据，在GIS中可存入属性数据库中，然后与评价区域的地理空间位置图绑定，对以后进行的环境影响预测及评价提供了极大的方便，可以随时调用任意地区的相关数据，按照设定值进行数据查询和检索。由于GIS具有海量数据的快速处理能力，可以满足环境影响评价中大量数据分析、预测和评价的要求，并且可通过程序设计，将评价结果存入数据库中，再按照关系化数据库语言进行评价区域的结果分级检索及生成专题图，为环境影响综合评价的数字化发展提供了强大的技术支持，使数据的处理快速、准确、灵活。

4.2 影响预测和综合评价

GIS具有极强的管理空间数据的能力，并利用空间数据进行空间分析，而环境影响综合评价的原始数据、预测数据和评价结果与地理区域的空间位置联系密切。这样，在进行环境影响综合评价时，应用GIS进行综合分析和评价，可以将评价的基础数据和预测数据与空间数据相结合，得出不同方法所获得的分析和评价结果，并以数据库、图形、图表的方式保存，便于以后的分析与应用。此外，编制应用软件将GIS与各种综合评价方法进行集成，设计环境影响综合评价应用软件，可以有目的地对各种评价结果进行空间分析，提高环境影响综合评价的处理速度和空间表现力，并按照不同的要求及时提供预测分析结果，在评价区域地

水资源综合评价中的信息管理系统

尹红美

（河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队，新乡，453002）

摘要　目前，GIS技术在我国水资源评价、规划和管理中的应用处于起步阶段，其应用的深度和广度还有待进一步拓展。GIS因其技术上的特点，在区域水资源评价、规划和管理的各个环节中，分别有着各自的工作方法和特点。例如，在数据的收集阶段，由于GIS支持遥感、站点、社会调研等调查手段，还可以利用所提供的技术能力，完成数据格式的相互转换，从而使各种水资源及其开发利用的原始数据得以完善使用。因此，GIS技术应用的重点在于拓展数据调查的广度和深度，为开展水资源评价、规划和管理等工作提供条件和强大的技术支撑。

关键词　GIS信息　管理　水资源

1　GIS的概念及特点

地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS），产生于20世纪60年代，最初的定义是“用来存储、提取、分析地理信息的软件系统”。在几十年的发展中，地理信息系统的能力不断提高，应用不断扩大，定义也随之不断拓展。1996年美国国家地理信息与分析中心（NCGIA）的Michael G在“地理信息系统与环境模拟”会议上给出的GIS定义为：“在世纪化地理信息这个大题目下的广泛的行为活动。”地理信息系统（GIS）是综合处理和分析空间数据的技术，它的发展为科研和管理决策人员提供了有关区域综合、方案优选和战略决策等方面可靠的地理和空间信息。主要内容的特点是：

1.1　空间模型

它可以将现实世界抽象为相互联结不同特征的层面（layer）组合，进行空间的查询和分析。

1.2　地理参考系

空间数据包括绝对位置信息（经纬度坐标）以及相对位置信息（统计调查值等），GIS的地理坐标系可有效帮助用户在地球表面任意空间定位。

1.3　矢量和栅格数据结构

GIS数据包括矢量和栅格两种基本模式。矢量数据以点、线、面方式储存管理，是表现离散空间、特征的最佳方式；栅格数据是通过一系列网格单元表达连续地理特征。

2　GIS的应用前景

近年来随着GIS技术从外围到内核上的进展，使得GIS的能力不断增强，应用范围也不断扩大。GIS自身同时具备了解决水资源问题的能力，在水资源领域的应用条件逐渐成熟起来，其技术上的拓展使区域水资源评价、规划和管理中的应用成为可能，具体表现在以下三个方面：

2.1　计算机技术和互联网的飞速发展

GIS受益于计算机硬件近年来令人惊叹的长足进步，大量数据的高速处理能力使GIS的实际应用范围急剧扩大，并且硬件的性能提高和GIS软件价格的下降为GIS的推广、普及提供了基础。另外，网络系统是GIS软件采用分布式结构的基础，高性能数据处理机服务器和人机交互与客户机配合使用（client/sever），有效地处理了效率和成本之间的矛盾。GIS同时跟进采用了这些技术。

2.2　大规模数字化地理信息的出版

随着GIS的普及，对数字化信息的需求越来越迫切。一个明显的趋势是大型的数字化地理信息产品不断推向市场，另外开始把数据库和常用必需的GIS功能整合成产品，客户可以直接使用，发布的信息种类也由初期的基本地形图扩大到专业数据上。1998年ESRI发行的“First Dtreet—With Tiger 94 files”。

就是一个完整的覆盖了全美国的GIS数据库。在万维网上也已经有大量的免费数据提供使用。这些数据有的是样品，有的是各类公司和组织的服务。例如美国联邦政府紧急灾害处理中心FEMA的河流数据库在万维网上免费提供各地区水灾风险的水文信息供民众参考。中国测绘局与ESRI合作发行的“中国数字地图”是中国政府出版的第一个全国1∶100万的数字地图，包括了道路、河流、居民、行政边界等基本要素，是中国出版大型GIS数据库的开端。

2.3　地理学的发展

地理学是GIS的科学基础，为信息科学提供了空间定位检索分析的规律和技术，也提供了整合地理信息特征的空间数据和属性数据的构架和依据。地理学的迅速发展极快地改变着GIS的面貌。在GIS成功地描述大量的地理现象后，已经开始进一步用于模拟地理的变化过程。例如图论网络功能在GIS的成功实现，为模拟水文、交通、管网等地理过程创造了条件；又如Arc/Infor Grid对扩散现象的描述，为模拟运动过程提供了条件。三维模型表达的实现，也同时增强了真实地理现象的能力。Arc/INGO Tin和ArcView 3D Analyst的广泛应用是很好的实例。ArcView和Map Object和GPS的结合也提供了条件。

3　GIS在水资源综合评价中信息管理系统的功能

3.1　直观、理性的可视化功能

常用的CAD软件如AUTOCAD等，往往图形能力强而相对属性数据的管理能力弱，所以一般只能作绘图使用。而地理信息系统由于其对空间数据和属性数据的综合分析能力，弥补了其他工具纯图形、纯数字的缺陷，而使空间数据的图形表现和属性数据的空间分析有了很大程度的提高，因而可以提供一个直观、理性的可视化工具。可视化可促进建立概念及提高对事物的观察力。

3.2　大量空间数据的储存和管理功能

与人们早期对数据的掌握不同，今天是数据爆炸的时代。正如Naibitt所说：“我们第一次拥有如此众多的数据，这些数据不仅仅是自新的，而且是再生的。问题的关键不在于他们是否够用，而在于我们将会被他们所淹没”。这些空间的、非空间的数据，静态的、动态的表示在GIS中可以实现。以数据库管理系统为支持之一的GIS，开发了对大型数据库储存、管理的能力，并提供了对数据快速查询的功能。ARC/INFOR开发的SDE（Special Database Engine），作为一个高性能的空间数据库管理系统，提供了用户对超大型地理数据库的访问能力。通过SDE对以百万个数据查询的响应时间小于0.03s，从1500万个点中选择8000个点中的响应时间小于0.04s。使用者可以获得快速和适时的结果。在管理容量越来越复杂的情况下，建立超大型的数据库是必要的。必须有一个综合统一的系统来管理数据，数据的已知性和完整性才能得到保证。GIS为大量的区域水环境的空间数据提供了储存和管理的能力。

在水资源综合评价管理系统中，可以完成各种地图信息的输入编辑，建立地图数据文件，主要有矢量和栅格两种数据类型。在系统的支持下，还可以对与水资源相关的所有图形按图幅范围、图幅表示内容、图幅比例尺以文件方式逐级管理。

GIS支持多种形式的空间数据方式，并可通过数据的转换使之为区域水资源管理服务。传统的现场测量数据一般是将地图数据输入数据库，而随着GIS和相关的CPS的发展，使GPS获得的数据可以直接提供给GIS使用，遥感的结果经过人工解译或计算机解译也可直接纳入GIS的数据库中。GIS对空间数据多种表现形式的支持使空间信息可以直接为区域水资源管理服务，并使水资源管理工作得到全面、多层次地体现。

3.3　提供良好的数据维护和更新功能

GIS提供了图幅变形矫正、接边、核对等空间数据维护技术，空间数据的增加、删除和更改在数据库中可以很快得到实现。另外，通过网络分布式管理，可以使更新的数据迅速地体现在相应的模块并传递给相应的应用客户。GIS这种良好、快速的数据维护和更新能力，从长远来看，提高了水资源管理的时间效益。

3.4　基于空间的数据分析功能

基于GIS的水资源综合评价信息管理系统提供了查询、叠加、分类、网络、邻近、数字高程模型等空间数据的分析功能。

3.4.1　查询和量算

GIS提供的查询和量算功能可以进行空间数据和属性数据的相互量算。通过地理信息系统查询和量算的功能，可以实现图文互查，首先，可以按属性信息的要求来查询空间信息的位置（即“文查图”）和按空间位置来查询属性信息（即“图查文”）。其次，可以实现系统中点、线、面元素的相互查询。例如，从线到点的查询可以实现对某一线性元素如河流上点元素（排污口）的信息查询（位置、特征等）。

3.4.2　叠加

叠加的基本思路是：在利用地图进行资源评价和土地利用规划过程中，人们认为地球表面的各个要素不是彼此独立地进行作用，而是相互影响、综合地进行作用的。因此，有必要进行综合的、多学科的评价。进行这类综合评价工作的一个简单方法是在一个透明的正面上复合（叠加）各种资源地图的透明拷贝，然后在叠加的地图上寻找各种属性恰好适宜的地点。这种方法与计算机技术结合，在网格纸上打印出需要值来制作单因素地图，叠加这些网络值，用行式打印机字符叠加的方式产生适宜的灰度来表示综合评价的值，这就是基于网格的GIS。最终独立信息系统中的叠加是把分散到不同层上的空间和属性信息按相同的空间位置叠加在一起，成为新的一层。叠加的过程主要是对空间信息及其相应属性信息进行集合的交、并、补的运算，也可以进一步对属性做其他运算。

3.4.3　分类

分类的目的是为了把复杂的事物进行简化，从而便于进一步地思考和分析。人类正是借助分类的方法来揭示自然界的内在规律。实质上，对空间数据的分类，就是对空间信息的分析过程。GIS对区域水环境管理提供了从单元素到多元素的分类方法，并提供了自动分类的有效功能。

3.4.4　网络分析

网络分析功能的涵义是借助线性要素的组合来描述某种资源或物质在空间上的运动，借助网络分析，通过线性阻抗等方法的计算，可以实现路径选择、负荷估算、职员分配、时间和距离的统计等。在基础设施的布点分析等方面，网络分析都有很好的应用价值。

3.5　数字高程模型

与一般的点、线、面不同，自然地形是一个连续起伏变化的表面，往往没有明确的边界。传统的地图制图，常常用等高线来表示地形、地貌。从二维的角度，等高线便于视觉观察和分析，也可做手工的量算。但把等高线作为数据存储起来，不便于计算机进行分析，而且手工方式产生等高线费时费力，为此，产生了以计算机为基础的数字高程模型（DEM）或数字地形模型（DTM）。通过对数字高程模型的点、线、面赋予特殊的属性、高程，可以使其变成三维的表面模型。数字高程模型提供了对空间属性数据的直观分析，可以用于代表分析、汇流路径分析。

水资源综合评价的目的在于了解水源的数据、质量及其时空分布、水资源开发利用现状等，以达到调控人类自身活动，合理开发和高效利用水资源，防止水资源的污染和再生环境的破坏，从而保护人类生存和经济社会的稳定发展。水资源管理是一种克服人类经济社会生活的盲目性和主观随意性的科学管理与决策活动。近年来随着计算机的发展和GIS技术的进步，带来了这种科学决策和管理信息的新方法，改进了以往水资源管理的工作方法，因而基于GIS的信息管理技术是当前最先进的科学管理方法。在水资源评价、规划和管理方面，很强的图形显示功能和带有时间的三维GIS，有利于水文水资源工作者研究流域或区域的水文空间分布，并有助于了解降雨、地表水和地下水等在时间和空间上的变化情况。地理信息系统以管理大量的空间属性见长，可以作为空间属性数据的有效管理工具。应用地理信息系统，可以管理、分析、处理大容量的空间属性数据，特别是水文水资源各要素中的应用，解决了水文、气象和水文地质等分析工作中长期以来存在的数据量不足和信息量不丰富的问题。同时，当前地理信息系统的低成本趋势、具有实时预报的特点和数据的可持续利用，在水资源评价、规划和管理领域中具有广泛的应用前景。

gis在供水系统中的应用

GIS主要是对数据进行采集后的编辑管理存储以及最后实现共享的系统。它还包括强大的空间分析功能。

供水系统，我个人认为主要实现了供水管网数据（图形数据和属性数据）的计算机录入、修改；对管线及各种设施进行属性查询、空间定位以及定性、定量的统计、分析；对各类图形(包括管线的横断面图和纵断面图)及统计分析报表显示和输出；除此之外，还为爆管、漏水事故的抢修、维修提供关闸方案及相关信息，从而基本实现了供水管网的信息化管理。通过 GIS的集成，使管网图形库、属性数据库及外部数据库融为一体从而大大提高了管网管理工作的效率和质量。

而GIS应该远远不止这些功能。

GIS的空间分析、网络分析还可用于管道施工、管网维修预案和管网事故抢修决策等方面。在管网建设施工中，利用 GIS的缓冲区( Buffer)模型，对将要敷设的管道进行缓冲区分析，并将计算出的缓冲区与数字高程模型选加，计算其工程土方量。如在未来的管网事故紧急抢修时，可以采用GIS与 GPS相结合，一方面通过 GPS系统准确获取抢修车的地面位置和路网交通状况，并将数据实时传送给 GIS，计算最短行车路线；另一方面利用 GIS的关阀搜索、管网状态仿真模型，快速分析事故的影响范围和影响程度，模拟管网动态变化，以便调度管网有关设施，确保供水服务质量。显然与传统的事故处理相比，上述技术方案充分显示出现代信息技术高效率的优势。

等等。。。。

所以，GIS功能是强大的，实现手段是多样的。

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