资源环境领域中GIS技术应用初探

资源环境领域中GIS技术应用初探资源环境领域中GIS技术应用初探王军1,2，李玉辉1(1．云南师范大学旅游与地理科学学院，云南昆明650092；2．昆明理工大学电力工程学院，云南昆明650051)摘要：地理信息系统技术在资源环境领域获得广泛的应用。本文据中国期刊题录数据库近年来相关资料，对资源环境领域中GIS技术的应用状况进行了大致的归纳、分析和展望，并针对应用中存在的几个问题提出了建议。关键词：地理信息系统；资源；环境中图分类号：TP751文献标示码：A1．引言目前，在资源环境(如森林、矿产、水利、农业、牧业等)的管理,自然资源(如林业、地质矿藏、水资源等)的调查,自然灾害(如水灾、旱灾、虫灾、震灾等)的监测、预报、评估,环境保护(如水土流失、荒漠化等的治理)等方面地理信息系统（GIS）已经得到广泛应用。[1][2][6]。作为一门迅速发展的空间信息分析技术，地理信息系统（GIS）在资源与环境应用领域中发挥着不可替代的基础平台和技术先导的作用，已成为分析和处理海量地理数据的通用技术。在当代资源环境相关领域中，地理信息系统贯穿于“数据采集—分析—决策－应用实践”的全过程，它回答和解决5类问题，即：①位置，在某个地方有什么的问题；②条件，符合某些条件的实体在什么地方的问题；③趋势，某个地方发生的某个事件及其变化过程；④模式，某个地方存在的空间实体的分布模式的问题；⑤模拟，某个地方如果具备某种条件会发生什么的问题[4]，是相应资源环境信息、时空地理信息的动态表达、自动管理、自动处理与分析的核心支撑系统。GIS技术不仅可有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息，对资源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，而且可有效地对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益，为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持。

2．资源环境领域中的GIS技术应用2.1区域区划研究在区域研究领域,有可持续发展空间分析、区域可持续发展研究、区域持续发展的空间分析,建立了区域资源信息系统、资源与环境地理信息系统、综合省情地理信息系统。在经济区划、聚落和人口研究领域,有综合经济区划分、工业布局调整、工程移民、乡村聚落空间分布规律研究、人口增长空间变化,建立了工业布局调整信息系统、村庄布局决策支持系统。资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第1页。同时,把区域区划等研究与地质领域相结合,以GIS技术、遥感（RS）技术为支撑，进行区域地质调查、区域填图、区调野外空间数据快速采集、岩溶塌陷预测、城市地质环境评价、地质灾害区划、地质灾害预测及风险评价与风险管理、火山机构和火山喷发规模研究、估算岩溶区大气CO2等；建立了不同空间尺度与时间尺度的区域地质数字化管理系统、区域地质图空间数据库、综合地质信息系统、岩土工程信息系统、边坡构造专题GIS、地学断面GIS等资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第1页。2.2农业在我国，从20世纪80年代中期开始，GIS技术就被应用于农业领域，从国土资源决策管理、农业资源信息、区域农业规划、粮食流通管理与粮食生产辅助决策到农业生产潜力研究、集水高效农业工程、水稻气候生产潜力研究、农作物快速更新、农牧系统结构的区域差异及空间位移研究、害虫综合治理、水稻产量时空变化研究、农作物遥感估产区划研究、气候变异对棉花产量影响的空间分析、棉花生产发展时空变异分析、高精度农用土地适宜性评价、棉田土壤养分精准管理、土壤肥力综合评价、区域农业可持续发展研究、农用土地适宜性评价、农业生态环境监测、基于GPS和GIS的精准农业信息处理系统研究等，都取得了很大的成绩，一些研究成果直接应用于农业生产，取得了很大的经济效益。随着GIS理论的产生发展以及方法和技术的成熟，在农业领域的应用也逐步深入，建立了变量施肥智能空间决策支持系统、旱作节水农业管理信息系统。从技术角度看，GIS在我国农业资源与环境领域中的应用进展主要体现在四个方面：作为农业资源调查的工具，建立了农业资源地理数据库，实现空间数据库的浏览、检索等，利用GIS绘制农业资源分布图和产生正规的报表；作为农业资源分析的工具，GIS技术已不限于制图和空间数据库的简单查询，而是以图形及数据的重新处理等分析工作为特征，用于各种目标的分析和重新导出新的信息，产生专题地图和进行地图数据的叠加分析等；作为农业生产管理的工具：主要是建立了各种模型和拟订各种决策方案，直接用于农业生产；作为农业管理的辅助决策工具，利用了GIS的模型功能和空间动态分析以及预测能力，并与专家系统、决策支持系统及其它的现代技术（如RS和GPS）有机结合，便于我国农业生产的管理和辅助决策。2.3林业林业生产领域的管理决策人员面对着各种数据，如林地使用状况、植被分布特征、立地条件、社会经济等许多因子的数据，这些数据既有空间数据又有属性数据，对这些数据进行综合分析并及时找出解决问题的合理方案，借用传统方法不是一件容易的事，而利用GIS方法却轻松自如。社会经济在迅速发展，森林资源的开发、利用和保护需要随时跟上经济发展的步伐，掌握资源动态变化，及时做出决策就显得异常的重要。常规的森林资源监测，从资源清查到数据整理成册，最后制定经营方案，需要的时间长，造成经营方案和现实情况不相符。这种滞后现象势必出现管理方案的不合理，甚致无法接受。利用GIS就可以完全解决这一问题，及时掌握森林资源及有关因子的空间时序的变化特征，从而对症下药。林业GIS就是将林业生产管理的方式和特点溶入GIS之中，形成一套为林业生产管理服务的信息管理系统。以减少林业信息处理的劳动强度，节省经费开支，提高管理效率。GIS在林业上的应用过程大致分为3个阶段，即：作为森林调查的工具：主要特点是建立地理信息库，利用GIS绘制森林分布图及产生正规报表。GIS的应用主要限于制图和简单查询。作为资源分析的工具：已不再限于制图和简单查询，而是以图形及数据的重新处理等分析工作为特征，用于各种目标的分析和推导出新的信息。资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第2页。作为森林经营管理的工具：主要在于建立各种模型和拟定经营方案等，直接用于决策过程。资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第2页。三个阶段反映了林业工作者对GIS认识的逐步深入。目前GIS在林业上的应用主要有：环境与森林灾害监测与管理方面中的应用，包括：林火、病虫害、荒漠化等管理，如在防火管理中，其主要内容有：林火信息管理、林火扑救指挥和时实监测、林火的预测预报、林火设施的布局分析等；在森林调查方面的应用，包括：森林资源清查和数据管理，连续森林清查与估计蓄积量、制定森林经营决策方案、林业制图、森林采伐量的监督；森林资源分析和评价方面，包括：森林与生态环境综合监测及评价、林业资源调查、森林景观监测、林业模型、林场森林立地分类、优势树种与地形空间关系格局探讨、林业土地利用变化监测与管理、用于分析林分、树种、林种、蓄积等因子的空间分布、森林资源动态管理、林权；森林结构调整方面，包括：林种结构调整、龄组结构调整；森林经营方面，包括：采伐、抚育间伐、造林规划、速生丰产林、基地培育、封山育林等；森林景观监测、野生动物植物监测与管理；林业区划、森林资源可持续利用空间格局分析、内陆河流域的荒漠河岸林变化研究、护岸公益林规划、森林资源信息更新,建立森林地理空间数据库。此外，还有如：上个世纪九十年代中期，已顺利执行的联合国开发计划署（UNDP）援助的“中国森林资源调查技术现代化”项目；以全国林业监测站点数据和遥感数据为主要信息源，进行的全国林地生态类型数据库的建设工作，以在空间上和时间序列上完整、系统的反映林地区域不同的生态系统特点、林种、群落特征及其林（树）龄等。2.4水利领域在水利领域,GIS在海岸工程冲淤分析、供水系统功能失效分析、水文站网管理、电子江图开发、水资源综合开发、河道演变分析等方面的应用已全面展开,建立了岩溶地下水资源信息系统、潮汐河网区环境管理决策支持系统、堤防管理信息系统、水利工程宏观规划与信息管理系统、电子江图显示与信息系统数据库、水电规划决策支持系统、泥沙过程可视化分析系统、地表水资源开发管理信息系统、水环境空间信息管理系统、灌区地理信息系统、库区及河道地理信息系统。目前，GIS也在我国水土保持工作中获得巨大成功,如：铁路工程水土流失监测与管理、黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀产沙的地貌分带研究、土壤侵蚀与土地利用关系研究、区域水土流失快速定量评价、岩溶地区水土流失遥感定量监测研究、土壤侵蚀与其背景的空间分析,建立了小流域水土保持规划信息系统、区域水土流失评价模型、土壤侵蚀背景数据库、水土流失遥感定量模型、水土保持土壤侵蚀信息系统等。2.5土地资源在土地资源管理领域,有土地资源评价、土地利用现状动态监测、城市地价评估、土地利用结构对非点源污染的影响、土地利用现状计算机成图；建立了土地管理信息系统、土地资源动态监测技术系统、城市土地利用扩展模式、用地管理系统、基于网络的土地利用总体规划管理信息系统、红壤开发区多媒体电子地图与土地管理信息系统、县域土地利用现状数据库系统、土地利用总体规划管理信息系统。资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第3页。GIS技术最初在土地资源开发与管理上的应用主要是土地利用现状调查和城镇地籍调查图件和属性资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第3页。为了查清我国的土地资源，特别是耕地资源，国务院于1984年正式布置开展全国土地资源调查。此次调查历时15年，采用以航空为主、航天为辅的遥感技术，结合大比例尺地形图，实行全野外调查。在土地利用图件编制、数据量算汇总与空间分析等方面，GIS技术发挥了重要作用。通过土地资源详查，初步摸清了我国土地资源的家底，为全国土地利用规划、土地开发与管理提供了的科学基础。从1996年开始，国家科委、国家土地管理局和农业部实施“全国基本农田保护与监测”工作。GIS成为全国土地利用动态遥感监测数据库建设的核心支撑技术，主要用于管理与分析矢量数据（土地利用年度变化信息）、栅格数据（遥感影像、DEM等）和属性数据。在国土资源部统一规划和组织下，在新一轮国土资源大调查纲要和实施方案的部署和安排下，以1:1万比例尺为主的县（市）级土地利用数据库建设工作于1999年9月在数字国土工程中立项，1999年10月正式启动。其中GIS技术在数据库管理与数据挖掘方面具有不可替代的优势。2.6环境资源管理资源环境管理的内容包括资源环境状况、动态变化、开发利用及保护的合理性评估、监督、治理、跟踪等方面。由于资源环境的空间和时间的非均匀性，利用以空间信息管理及分析为主要功能的地理信息系统（GIS）对资源环境进行管理才能够实现真正的有效管理。国外GIS在资源环境管理中的应用有着成功的经验，加拿大于20世纪70年代已经开始用GIS进行土地与其他基础设施的管理，美国、欧洲等一些发达国家也于20世纪80年代相继开展了GIS在土地、林业、生物资源等方面管理业务中的应用。目前，我国GIS在一些资源环境管理领域已得到了应用，如林业领域已经建立了森林资源地理信息系统、荒漠化监测地理信息系统、湿地保护地理信息系统等；农业领域已经建立我国土壤地理信息系统、草地生态监测地理信息系统等；水利领域的流域水资源管理信息系统、各种灌区地理信息系统、全国水资源地理信息系统等；海洋领域的海洋渔业资源地理信息系统、海洋矿产地理信息系统等；土地领域建立了土地资源地理信息系统、矿产资源地理信息系统；在矿产资源领域,在基于GIS进行了煤田勘查、开采沉陷预测、找矿预测、金属矿产成矿预测与远景评估、编制矿产预测图、煤矿突水危险性预测、矿产资源管理工作的基础上，建立了铁矿供水管网地理信息系统、矿区地理信息系统(MGIS)、矿山空间数据库、生产矿山资源评价与管理决策支持系统、开采沉陷预测化模型、矿山地理信息系统中巷道模型、面向MGIS的开采沉陷应用子系统等。这些地理信息系统在资源环境管理方面发挥了一定的作用。同时，基于GIS进行了土地资源调查与分类、气候资源分析及农业气候区划、水资源可持续利用研究、湖泊资源动态研究、土壤养分的时空变异特征研究、土地生产潜力研究、湿地资源调查、资源与环境动态监测等。

2.7生态环境地理信息系统在生态环境研究中应用广泛,主要有：生态环境研究与背景调查；用遥感信息与地面站点监测信息相结合，对环境（水、大气及固体废气物等）进行动态、连续监测；利用"3S"技术支持自然生态环境监测、预报与评估；非点污染的监测、分析与评价；生态环境影响评价；生态区划与规划；环境规划与管理等。资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第4页。典型地，如：国家环境保护总局先后组织有关单位先后进行了我国西部和中东部地区生态环境现状调查，第一次全国摸清了我国的生态环境现状。为了提高我国环境信息技术的整体实力,国家环保局在27个省开展了“中国省级环境信息系统”项目,它以环境数学模型为基础,对管理信息系统提供大量数据分析和处理,给出决策原则上的辅助信息,该系统将先进的地理信息系统空间分析技术基础数据库和空间数据库综合起来,使环境问题决策的过程更加直观、快速、适时和有效。

2002年在科技部主持下，环保、农业、林业等部门开展了“全国环境背景数据库建设与服务”工作，资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第4页。具体地，可以三方面来看：在生态环境研究领域,有湿地资源及其生物多样性的遥感监测、景观生态研究与设计、植被景观空间格局及其环境响应特征研究、动物生态与动物地理分布、动物生境概率评价、水生植物生态学研究、估算植被光利用率、植被类型与气候因子关系的研究、流域生物圈保护区动物生境定量分析、植物地理分布式样研究、景观资源情况探测、昆虫区域性空间分布格局及动态分析、环境生态形势的空间分异研究、移民安置区内生态系统的管理、土壤养分空间变异特征研究、土地沙化/土地退化动态趋势研究、可持续农业景观生态规划与设计,建立了陆地脊椎动物分布的推论性预测模型等。在环境保护领域,有生态环境保护、大气环境质量预测、大气质量模型、大气污染扩散可视化、城市区域环境噪声标准适用区划分、城市噪声区划、水质管理、海湾陆源污染物总量控制、交通建设项目环境影响后评价、农业非点源污染研究、地质环境评价、水质现状评价、海水污染时空模拟与调控策略、近岸海域环境管理、突发性应急监测、水库水质模拟、机动车污染模拟、矿质污染沉积物疏浚及后续处理、地表水污染调查、现代水处理企业综合自动化方案、河水水环境背景分析、重点流域环境管理、区域水环境管理、地区环境综合评价,建立了城市环境监测与管理系统、大气污染扩散空间信息系统、环境航空测量与评价系统、环境决策支持系统、环境质量评价系统、环境敏感区信息系统、环境综合评价地理信息系统、突发性环境污染事故应急地理信息系统、自然保护区基础地理信息系统等。在环境演变研究领域,有草地退化指数研究、多年气象观测数据处理、多年平均降水资源空间变化模拟、半干旱地区降雨-径流关系模拟、环境演变信息的管理与应用等。2.8灾害预警、监测、评估与对策从国内外发展状况看,GIS技术在重大自然灾害和灾情评估中有广泛的应用领域。从灾害的类型看,它既可用于火灾、洪灾、泥石流、雪灾和地震等突发性自然灾害,又可应用于干旱灾害、土地沙漠化、森林虫灾和环境危害等非突发性事故。就其作用而言,从灾害预警预报、灾害监测调查到灾情评估分析各个方面,综合起来有如下几点：进行灾情预警预报；对灾情进行动态监测；分析探讨灾情发生的成因与规律；进行灾害调查；灾害监测；灾害评估等。资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第5页。由联合国环境署、联合国人居资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第5页。具体地，在灾害防治领域GIS的广泛应用可列举一些如下：基于GIS的自然灾害区划、滑坡灾害研究、抗震防灾、抗震规划、活动断裂与地震的相关性研究、城市防震减灾应急决策、地震灾害损失快速评估、地质灾害风险评价与风险管理、地质灾害危险性区划、城市岩溶塌陷地质灾害风险评估、大地震社会经济影响的多学科评估、干旱监测、供水系统地震反应分析、土地沙漠化动态研究、蝗虫灾害防治研究、地裂缝灾害模拟与灾情预报研究、滑坡特征与危险性评价、洪水灾害风险区划等,建立了区域历史地震信息系统、防震减灾信息系统、地震环境与潜在震源区信息系统、防洪空间数据库、海岸带信息管理系统与风暴潮预警子系统、重大自然灾害数据库、滑坡灾害制图的概率预测模型、城市防震减灾信息管理系统、城市火灾信息管理与分析系统、旱灾决策支持系统、森林火灾损失评估系统、区域洪涝灾害卫星遥感监测与评估系统、旱灾遥感监测研究--作物缺水指数模型、防震减灾应急决策信息系统等。3.主要问题GIS技术在环境资源领域取得进展的同时，不可否认GIS的应用还存在诸多问题，主要表现在：数据来源与数据质量难以保证（数据来源广泛，但数据质量不高）。资源与环境问题涉及土壤学、环境学与地理学等各个学科领域，其影响因素复杂，需要数据量大且要求质量高。然而由于仪器设备以及人力物力的限制,许多数据难以获取。而且现有数据也往往由于数据来源不一、数据格式各异、年代不同等原因造成土地资源与生态环境数据质量难以保证,特别是数据格式不一，使各地区的数据难以共享，严重影响了GIS的应用。同时,地理信息系统最基本特点是每个数据项都有空间坐标，而传统的人工采集与野外调查数据空间定位能力差,并且往往以点代面,不可避免的带来了各种误差。因此数据来源的异构、异质性与数据精度一直是GIS技术真正解决资源与环境问题的一个“瓶颈”。应用水平低，目前的资源环境管理型地理信息系统，还停留在简单的资源浏览查询、制图及简单的分析水平，而真正意义上以资源环境合理配置、决策支持方面的专业应用系统仍十分缺少；GIS的功能没有充分发挥出来，管理者的认识水平、基础数据、模型方法欠缺等方面的限制，使GIS的空间分析功能在资源环境管理没有发挥效益；标准规范不统一、数据共享程度低，由于资源环境管理的专业性比较强，在相应GIS建立的过程中技术标准、数据交换标准、元数据标准等方面存在着很大的差别，使不同的信息系统之间难以共享；集成化程度低，目前的许多资源环境管理GIS功能相对单一，系统结构开发性差，没有实现与全球定位系统、遥感信息的集成应用，难以满足现代资源环境管理相集成化、综合化方向发展的需要。4.发展趋势与建议

GIS在资源环境领域的应用方兴未艾，从技术、地理信息、经济社会的需求等方面分析，在该领域有以下趋势及建议：资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第6页。资源环境领域中GIS技术应用初探全文共8页，当前为第6页。应用往专业化、专题化方向发展，功能由通用管理功能转向资源评估、监督、跟踪分析等专业功能方向发展。随着经济社会的发展，经济社会与资源环境之间的各方面的矛盾及问题逐渐暴露出来，这些问题在时间和空间上具有诸多的关联性，分析这些问题、提出合理的专题解决方案建议，需要功能更专业化、体系结构更多样化的GIS软件系统支持；支持多源、多尺度、多类型集成应用的软件平台工具的开发应用。信息获取技术的快速发展和多源化趋势，要求资源环境方面的GIS应能够接收、处理及分析多种来源、多尺度的地理信息；促进3S技术集成应用，推动专业技术及软件的发展。全球定位系统、遥感技术与GIS的集成应用已成为GIS软件发展的趋势之一，而这种应用的发展是在应用推动的基础上建立的，针对特定的应用领域的集成化、综合化的GIS也将成为资源环境领域GIS的发展方向，也是系统与业务结合的需要；随着应用的多源集成性与综合性日趋明显，GIS数据源和GIS平台的异构、异质性这一GIS应用瓶颈问题必须尽快解决。这就要求加快GIS互操作理与方法研究，开发出切实可行的空间信息及其服务互操作技术。大力促进各专业/专题资源环地理应用系统开发应用与交互。在实际应用中，应考虑资源环境各相关领域的专题或综合需求，在研究与开发多种专业/专题化的GIS，如针对生态保护区、生态功能区、水资源、生物资源、矿产资源、土地资源等领域的专业性GIS软件与管理系统的同时，须顾及各专业或专题系统之间的动态集成交互性能，以能较方便、可靠、快捷地实现地理综合、综合信息匹配与抽取、资源共享目标，满足，诸如环境分析、生态系统分析、区域分析、重大工程建设、灾害应对、紧急事件处理等，综合应用的客观需求。参考文献[1]马建华等.现代自然地理学[M].北京：北京师范大学出版社，2002.2[2]黄秉维，郑度，赵名茶等.现代自然地理[M].北京:科学出版社,1999.2[3]龚建雅，杜道生，李青泉，朱庆等.当代地理信息技术[M]，北京:科学出版社,2004.1[4]邬伦等.地理信息系统—原理、方法与应用[M].北京:科学出版社,2001.1[5]孙九林.国土资源信息系统的研究与建立[M].北京:能源出版社,1986.1[6]陆守一,唐小明等.地理信息系统实用教程(第2版)[M].北京:中国林业出版社,2000.1[7]陈锁忠，常本春，黄家柱等.水资源管理信息系统[M].北京:科学出版社,2006.2[8]张成才，许志辉孟令奎等.水利地理信息系统[M].