GIS在环境模拟与预测中的应用

1、GIS在环境模拟与预测中的应用一、地理信息系统（GIS） GIS是在计算机硬、软件系统支持下，以地理空间数据库为基础，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述，并采用地里模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。 其主要功能有:(1)数据采集与编辑；(2)地理数据库管理；(3)空间信息的提取；(4)空间分析功能；(5)三维动画显示与飞行；(6)方案优选与决策；(7)制作专题图等。优势：可以提高环境影响评价、预测和环境规划的科学性及效率性，从而为环境规划、环境保护提供科学依据；

2、为环境污染管理与治理提供辅助决策、对国家制定环境保护、人类健康方面的政策具有深远意义。二、环境预测中运用GIS的目标和任务 环境规划GIS总体设计目标是充分利用先进的GIS技术、数据库技术、网络通信技术、分布式计算技术等，建立一个科学、高效的环境规划GIS。在充分整合与利用环境空间数据的基础地理信息的基础上，实现对环境空间信息的科学组织和有效管理，使环境规划人员能够方便地对各种环境空间信息进行可视化管理，并实现环境空间信息的查询、维护以及专题分析、专题图制作、信息服务等功能，并结合环境规划业务和技术应用需要，为环境规划GIS的开发和建设提供全面的解决方案。 环境规划GIS系统设计的根本任务是将

3、系统分析阶段提出的逻辑模型转化为相应的物理和数学模型。一般而言，系统总体设计分三个部分进行： 功能设计 数据库设计 应用设计三、GIS优势在环境预测和模拟方面的应用 GIS对于环境预测模型的建立、多因素预测分析、污染过程的模拟与发展趋势分析具有重要意义。具体如下：1、GIS为环境预测模型的开发建立提供了良好的环境. 环境预测模型的建立是一个十分复杂的任务.它需要大量计算分析,即进行定性与定量分析.而这些问题由于GIS的开发应用都变得高效、科学得多了。 例如某大城市郊区修建一座现代化的机场.环境工作者对这项工程的可行性进行分析评价,就可以利用GIS的缓冲区分析功能,将其对周围的环境影响划分为不同

4、等级的缓冲带,确定其对周围的环境影响划分为不同等级的缓冲带,确定其对周围的环境的污染及危害程度.着重分析飞机的噪声对居民的生活影响,从而确定飞机场修建的可能性.还要考虑随着城市的发展和规模扩大后,机场对人民生活、生产的影响.GIS的缓冲分析功能就能很好地解决机场周围一定宽度范围的缓冲带划分的分析,从而很好地预测出机场建设的可行性.2、GIS使多因素预测分析变得简便易行 环境预测分析不是单一因素的简单分析过程,而是多个因素相互影响、相互联系的统一系统.多因素预测分析在环境预测中是相当普遍、相当重要的.影响环境变化因素包括地质、地貌、气候、水文、土壤、动植物、交通、文化及社会经济等各类污染源因素.

5、在环境预测中就要对以上各类因素分别加以分析,然后将各要素文件进行叠置,寻找和确定各因素共同作用下环境变化情况,这就可以利用GIS的空间分析功能中的叠置分析来预测环境的未来变化.3、 GIS为环境污染过程的模拟与发展趋势分析提供可视化环境 环境污染过程的模拟和发展趋势分析是依据历史资料和定性、定量相结合的原则对环境污染状况进行动态模拟,进而预测其发展趋势.利用GIS的空间分析功能对污染物空间数据、属性数据输入计算机,进行分析、综合,完成环境动态监测与趋势预报.三、GIS在环境规划中的应用现状1、GIS在国外的应用 美国国家环保局从1989年起用ARE/INFO进行了大量科学研究和应用，范围覆盖环

6、境影响评价、地下水保护电源和面源污染分析、酸沉降分析、危险废物泄漏紧急响应等。GIS在环境评价方面也已有许多成功的应用。如美国犹他大学的一个科研小组利用GIS技术对墨西哥与美国接壤地区进行了环境影响评价，建立了地表水和地下水污染路径模型，并用GIS的空间分析能力（如缓冲区分析）对该地区经济发展造成的环境影响进行了分析；美国加州大学、海军研究生院、茫特雷湾水科学研究所共同研究开发的REINAS（实时环境信息网络与分析系统），则是根据本国的世纪需要而开发的区域性海洋环境与资源立体、动态监测和信息服务系统。 欧洲环保署（EEA）早在1985年就建立了欧洲共享环境信息系统（SEIS）。目前已实现环境信

7、息共享，各成员国所形成的环境信息子系统之间与EEA的中央数据库之间可以直接访问、可以共享和互通环境信息，该信息的创建目的是为了非政府组织、研究机构、大学以及对环境感兴趣的公众方便和自由地获取环境信息创造条件，这种信息共享制度也为区域范围内环境质量综合分析提供了良好的数据基础。 加拿大也在20世纪80年代开始环境信息系统的研究，其中由加拿大国家的Envista公司开发的一个信息系统主要用来管理安大略湖沿岸矿产企业所产生的污染对沿岸环境可能产生的影响及周边环境的变化等，该信息有助于各区域例行监测计划的设立及环境管理及规划构建，减少环境监测的重复及资源的浪费，同时系统所提供的环境保护的条例及规定的共

8、享制度也有助于相邻区域之间所产生的环境问题的快速协调。 印度政府环境信息系统网络已经建立起来，以处理环境数据和信息的收集、校对、存储、分析、交换和发布。在澳大利亚，联邦、州和地方环境部门和机构越来越多地使用遥感数据，还正在应用模型技术，利用环境数据指示具有较高环境价值的地区作为资源规划活动的一部分，例如原始森林的综合区域评价。 SPREP和联合国亚洲及太平洋经济社会委员会（UNESCAP），在环境与可持续发展机构间委员会成员的帮助下，每5年编写一份地区环境状况报告。2、GIS在国内的应用 我国环境信息系统发展分为三个阶段：1980-1990年属于探索阶段，期间初步建成了一些研究型的环境信息系统

9、，如国家水质管理信息系统（NWQMIS）/国家环境信息系统以及一些地方性环境管理系统。20世纪90年代至世纪末国内环境信息系统逐步走向成熟，国家环境信息系统领域得到很多的发展，各级环保部门将先进的计算机信息技术应用于日常的环境管理和环境决策支持中，如1994年江苏省环保局和清华大学环境工程系合作开发完成了我国第一个基于客户/服务器结构的省级先进环境管理信息系统江苏省环境系统。在同一时期，我国还自行研制了一些适合本地特点和管理需要的地方环境信息系统。此外，国家还针对我国的两条重要河流长江与黄河分别建立了长江口潮滩环境信息系统和黄河水环境地理信息系统。 进入21世纪，由国家环保部组织开发的国家环境

10、监测信息系统（NESMIS）标志着国内的环境信息系统逐步走向市场化阶段，整个过程按照政府干预和市场机制相结合的运作方式，建成后的环境信息系统为环保产业提供信息和可行性方案，为企业提供环境影响评价、环境治理措施，而收益后的环保产业及生产企业又可以为环境信息系统的建设提供资金和技术支持，两者相辅相成，将是今后环境信息系统普及和发展的趋势。五、GIS应用举例1、GIS在水环境模拟中的应用 水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述，水质模型在理论上从最初的质量平衡原理发展到现在的随机理论、灰色理论和模糊理论；在实际应用上，从最初的城市排水工程设计发展到现在的污染物水环境过程

11、模拟等。传统的水质模型研究还存在以下几个问题:(1)模型建设前期，模型研究所需的基础图形属性数据的处理工作量大。(2)研究对象的边界域难以确定，传统的空间离散方法步骤繁琐。(3)水质模型的参数众多，结构复杂，模型检验和参数灵敏度分析工作量大。(4)后期模拟结果表达形式的效果不够清晰和直观。GIS在水质模型中的应用：(1)GIS能够通过各种数据模型和数据结构将多源、大量的地理数据统一存储和管理。水质模型建立之初所需的大量相关的地形、水、土壤、气候以及经济、人口统计数据可以通过建立GIS数据库米分空间特征数据和属性特征数据管理。(2)利用GIS可以很容易的在背景图上勾勒出研究区域的边界。(3)传统

12、的水质模型结果都是以统计图、计算报表的形式出现，不利于结果的形象表示。利用GIS，水质模型计算得到的模拟结果为离散点数据，可经过插值算法得到污染物浓度的等值线图。模型运行结果的离散点数据可通过GIS赋值给计算域内相应的污染点，在将污染点图层进行栅格转换；再通过调用GIS插值函数生成等值线图层，最后通过GIS控件显示等值线。这些等值线有利于直观地进行模型正确性的验证，为环境水质预测提供可靠依据。2、GIS在大气环境模拟中的应用 目前GIS在环境模型研究中的应用7主要体现在以下几个方面：（1）数据集成管理器利用GIS管理空间数据的强大功能，将这些数据根据需要提供给大气模型，并把计算结果以不同比例尺、不同精度、不同投影方式和不同格式反馈给决策者。（2）模型二次开发利用GIS系