GIS在流域战略环境评价中的应用

2012-02-26张敏

东北水利水电 2012年6期

关键词：决策支持系统缓冲区环境影响

张敏

（水利部松辽水利委员会，吉林长春 130021）

GIS在流域战略环境评价中的应用

张敏

（水利部松辽水利委员会，吉林长春 130021）

流域战略环境评价中涉及因素不仅包括属性数据，也包括空间数据，可以利用GIS进行数据管理、分析。本文介绍了叠图法、缓冲区分析法的原理及其在战略环境评价（SEA）的背景状况调查、范围界定、影响确认等过程中的应用。基于GIS与专家系统（ES）及环境遥感（RS）的集成开发的决策支持系统可以应用到流域SEA工作中，文章阐述了开发流域SEA决策支持系统的设想，并给出了流域SEA决策支持系统的基本结构。

战略环境评价；地理信息系统；叠图法；缓冲区分析；流域SEA决策支持系统

1 战略环境评价及其方法

1.1 战略环境评价

起源于20世纪70年代的战略环境评价（SEA）是环境影响评价在战略（包括法律、政策、计划、规划）层次上的应用，其目的是通过SEA消除或降低因战略失效造成的环境影响，从源头上控制环境问题的产生。

与传统的项目环境影响评价（EIA）相比，它超越了单个项目在时间、空间上的局限性，将空间分析范围扩展到区域甚至全球水平，将区域内或全球的环境、资源作为一个整体来考虑，体现政策的全球效应；从时间上，不只是考虑当前和预测的影响，还要考虑过去的影响以及影响随时间的变化，并对可能产生的影响进行预测。能充分考虑多个“小”的环境影响的累计效应，以及多个项目的综合效应，充分考虑发展项目或某一战略对地区的长期、间接效应及当地环境承载力。

目前许多国家的决策制度，往往将经济、社会、环境要素分离，对流域可持续发展产生很大影响，实施SEA，把环境更为系统地纳入战略决策过程中，通过分析、预测和评价战略环境影响，提高决策的质量，保证决策顺利实施。

1.2 战略环境评价方法

由于SEA相对于传统的EIA所研究对象更为宏观，影响范围更广，时间跨度更长，涉及因子更多，因此，许多用于EIA的方法不能直接用于SEA。应用于SEA的传统的EIA方法可以有清单法、矩阵法、系统流程图法等。政策评价方法也可应用于SEA工作过程中，例如政策价值分析，政策可行性分析等。SEA的研究对象是社会经济环境这一复合系统，研究涉及到战略学、决策学、社会学、经济学、环境科学等多方面。因此，能够将专家群体、信息和计算机技术有机结合，将各学科的理论和个人的知识经验结合起来，以发挥整体优势和综合优势，将各种定性到定量的方法应用于SEA的各个环节。

SEA的宏观性与综合性特点决定了它所采用的方法多为定性法、半定量法，以便对SEA对象的某一性质、特征或某一趋势进行定性描述。半定量方法是介于定量方法与定性方法之间的一种形式，是对定性结果的量化（例如主观评分法）或者是对定量结果的定性描述（例如等级分级法）。战略环境影响综合评价更多地使用加权比较法，逼近理想状态排列法，费用—效益分析法，可持续发展能力评价法，环境承载力评价法和对比分析法。

在时间、人力、技术手段允许条件下，尽可能使用定量方法，以降低SEA的不确定性。为保证SEA结论的客观、科学，综合集成技术将是SEA方法研究的一个发展趋势。

2 地理信息系统（GIS）及其主要功能

2.1 GIS

GIS萌芽于21世纪60年代初，70年代以后开始有专业的土地信息系统和地理信息系统的问世。直到80年代，许多国外厂家相继推出了地理信息系统产品，如ESRI公司开发的基于拓扑结构的ARC/INFO，美国MAPINFO公司开发的基于WINDOWS的Mapinfo，美国IBM公司的GDBS。地理信息系统是一个在计算机软硬件的支持之下，以空间数据为基础，储存、检索、处理、显示数据的属性信息和空间信息，并采用地理模型分析法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为科学研究和决策服务而建立的计算机系统。一个典型的地理信息系统应包括三个基本部分：计算机系统（软、硬件）、地理数据库系统、应用人员与组织机构。经过三十几年的发展，GIS已经成为一门集计算机科学、地理学、环境科学、经济科学、城市科学、空间科学和管理科学于一体的跨学科的新兴边缘科学。

2.2 GIS的主要功能

地理信息系统的基本功能包括：数据采集、检验与编辑，主要用于获取数据保证数据在属性与空间上的完整性、数据逻辑一致、无误；数据存储与组织，其中关键的是如何将属性数据与空间数据融合为一体；数据格式化、转换、概化，通常称为数据操作，包括数据格式、比例尺的转化以及空间数据的平滑、特征集结；查询、检索、统计、计算功能；多边形中的实体属性分析；结果显示，有一个友好的人机交互式的制图、输出环境是判断地理信息系统性能的标准之一。

地理信息系统的空间分析功能可用于分析和解释地理特征间的相互关系及空间模式。空间分析可分为三个不同的层次，第一是空间检索，包括从空间位置检索属性和根据属性检索空间物体；第二是空间拓扑叠加分析，包括矢量叠加和栅格叠加两种类型；第三是空间模拟分析。

GIS具有强大的数据库管理功能，同时又能将属性数据与空间数据有效地连接起来，建立各种地理对象的拓扑关系，实现对区域信息的查询、检索及有效管理，进行空间分析，并产生新的图形或信息。

在进行SEA过程中，可以根据需要，利用GIS数据库管理功能建立数据库，例如环境标准、环境法规数据库，根据不同的SEA选择适当的环境标准、法规，使各项规划、计划与现行的标准、法规相匹配，对于政策SEA，保证与原有政策法规相一致，且不庸余；区域自然与社会经济信息库，包括区域自然概况、经济发展概况、人口分布状况、年龄结构、受教育程度及其它相关信息；区域环境质量信息与污染源信息数据库，包括大气、水、生物、噪声、土壤及其它有关信息等。

SEA的基础数据库是利用GIS进行查询及空间综合分析的基础，在此基础上，利用GIS的各种工具可以执行诸如统计、画出缓冲区、将不同的地理对象进行图形叠加、从不同的地理对象中划分空间特征及根据具体的性质选择特征，识别和分析环境影响在空间、时间上的特征，空间模拟分析则能同时发挥系统本身的作用和使用者的能力。

3 GIS在流域SEA中的应用

3.1 叠层法在流域SEA中的应用

叠加分析是将两层或多层地图要素进行叠加产生一个新要素层的操作，其结果将原来要素分割生成新要素，新要素综合了原图层要素所具有的属性。叠加类型可分为：多边形叠加、点与多边形叠加、线与多边形叠加。

GIS的叠图功能，可以应用在SEA中大区域环境背景状况调查分析和战略环境影响的识别过程中。例如对某一区域的不同时段的多个不同的环境影响因素及其特征（例如环境质量状况，人口分布，自然条件，地形地貌等）进行叠加，分析环境质量变化与诸因素之间的相关关系，从而得出该地区的环境制约因子以及环境变化与各因素之间的相互关系，确定显著的环境影响以及环境影响的发生地点、受影响者及其敏感性，以及影响发生的时间、强度。

德国对风场选值的评价成为这一SEA的关键步骤。运用GIS叠图技术，在SOEST区对于风场选值问题进行了成功的研究。风力电厂选址的条件包括政府关于风场行选址的要求：远离自然保护区、国家公园、森林、水体等条件之外，还包括当地的年平均风速，土地利用状况，景观，鸟类尤其珍稀鸟类的分布等。因此，将上述因素的图件：1:25 000的土地利用现状图，鸟类在SOEST地区的分布图，该地区的风频、风速分布图，发展计划、保护区分布图，SOEST生境状况及有保护价值的生境分布图等，输入ARC/INFO，在ARC/INFO中将这些信息进行叠加综合，从而得出禁止、严格禁止合适以发展风场的地区的分布图及有关属性数据库。这一结果，对于政府发展规划、管理模型及具体建设的项目审批以及对政策产生的环境影响的评价、预测等都有积极的作用。

3.2 缓冲区分析法在流域SEA中的应用

缓冲区分析是针对点、线、面实体，自动建立起周围一定宽度范围以内的缓冲区多边形。缓冲区的产生有3种情况：基于点要素的缓冲区；基于线要素的缓冲区；基于面要素多边形边界的缓冲区。

对某一客观实体或政策进行评价时，常常要考虑到其在一定范围内的影响，利用GIS缓冲分析功能，建立点、线或面的缓冲多边形，利用流域污染数据库及环境特征数据与各种环境预测模型相关联，采用模型预测模式对环境质量进行预测，再结合一定的模型（例如污染扩散模型、衰减模型等），可以快速得出某点源污染，某一流域的影响程度，受影响区域内的自然环境状况、经济发展状况，以及在受影响范围以内有无敏感点的存在，受影响的人群、动植物数量、分布，可能造成的环境、经济影响，并据此与替代方案比较。同时利用GIS建立分析结果的地图。

SEA环境背景调查过程中，建立某一政策实施区域的缓冲区，对于界定环境影响的作用范围有重要作用，任何一项战略其执行范围一般以行政区划为依据，但其影响效应并不局限于执行范围内，缓冲区的建立，有利于从更大的范围内对该战略进行分析，避免或减少人为划定行政界限的局限性，全面地考虑战略的环境效应。

同时，将缓冲区分析手段与地图法相结合，可在SEA中发挥作用。对一地区主要单位、街区做出缓冲区，可以模拟该区域若干年后的发展规模，再与该地自然状况、自然分布状况、主要敏感点分布等图层进行叠加，即可得出发展可能出现的问题，例如资源的短缺、对敏感点的干扰等，判断流域环境承载力与发展规模是否协调，由此对当前的发展计划、发展政策评价提供依据。

4 开发流域SEA决策支持系统—GIS与ES、RS的结合

4.1 GIS与专家系统（ES）

传统的GIS的主要重点放在了数据库的建立、维护、管理和空间分布上，还无法为多目标、多层次的空间复杂问题，如环境规划、土地规划、生产力布局等提供足够的决策支持。这是因为GIS在处理、分析空间数据时，缺乏知识处理和进行启发式推理的能力，而这涉及到经验和知识的表示和处理，单靠GIS无法解决这些问题。

专家系统是一种以知识为基础，能对某一专门领域的问题提供“专家级”的解决办法的计算机程序。它面向现实世界中那些需要专家来分析、求解的半结构化或非结构化的复杂问题，强调利用专家的专门知识和推理方法来实现专家水平上的问题求解。利用专家系统，可以全面考虑相关因素，使决策这更易于利用专家的知识求解。

4.2 决策支持系统（DSS）

鉴于GIS与ES各有优势，两者具有一定互补性，它们的结合可以扬长避短，增强整体功能，构建智能型GIS。另外，RS技术则能为研究提供及时、准确的数据信息，产生了GIS，RS，ES与环境模式的理想的结合——环境决策支持系统（EDSS）。其中，RS为环境模型提供可靠、准确、快速的数据源，ES提供丰富的知识库，而GIS提供方便的相互结合的环境。

以此为基本框架，研制开发了一系列的流域环境决策支持系统，其基本结构提供了进行环境现状评价、环境影响评价、污染物削减及宏观控制，环境经济持续发展决策支持等功能；提供数据库与图形的互访；还包括常用的、规范的方法，例如预测方法，统计分析方法，聚类方法，规划方法等。其基本结构包括空间数据库、方法库、模型库及其相应的管理系统，利用地理信息系统的数据管理及空间分析能力，为系统提供工作环境，利用专家系统，建立各类知识库，并利用其完备的推理机制进行辅助决策。

4.3 流域SEA决策支持系统设计

在SEA工作过程中，可以仿照上述软件，开发战略环境评价决策支持系统，综合利用GIS数据库管理能力、空间分析能力，以及专家系统的丰富的知识库和判断、逻辑推理能力，为SEA提供信息、资料及决策辅助支持。战略环境评价决策支持系统基本结构见图1。

在此决策支持系统中，GIS作为软件主体及核心，专家系统提供智力支持。GIS与专家系统两者集成的体系结构主要有两种形式：嵌入结构和对称结构，其中对称结构相对简单，易于开发，GIS与专家系统保持相对独立，GIS用来产生空间数据，进行空间分析，进行结果显示；专家系统提供具体专业性的知识库，利用自身推理能力进行启发式推理。

系统的基本结构包括基础数据库、模型库、方法库、知识库、环境遥感、专家系统、地理信息系统及用户界面和响应的维护模块组成。其中知识库包括进行影响识别、替代方案选择，范围界定等过程用到的专家知识及环境管理通则；模型库包括社会经济模型如人口预测模型、产业及产业结构发展趋势模型、战略—经济行为的输入响应模型等；环境模型例如水污染源预测模型、流域环境容量模型、流域环境质量评价模型、流域环境决策模型以及社会综合评价模型、流域可持续发展能力评价模型等综合模型。方法库包括常用、规范的评价方法如预测方法、综合评价方法、聚类方法等。基础数据库包括环境质量统计数据库、重点污染源调查数据库、自然环境数据库及社会经济统计数据库，这部分数据的更新，一方面可以由用户通过各种途径输入，也可通过遥感技术进行更新。