地理信息系统在环境科学中的应用研究

安徽众帆环境工程有限公司 任爱华

近年来，随着我国社会发展水平的不断提高，我国国民的环保意识也逐渐增强，国家对于环境的保护和检测方面越来越重视。环境的质量好坏决定着我们人类未来是否能够健康并长足稳定地发展下去。我国大力支持开发环保技术，GIS技术的发展对我国环境保护的开展起到了很大的促进作用。GIS在计算机系统的支持下，与环境科学的融合应用，能够及时有效地获取相关的环境信息，完成相关的信息处理等，从而得出资源环境的变化规律或者未来走向等。这对于改善我国的生态环境作出了非常大的贡献。

生态保护与工程建设,是一个跨地区、跨部门、跨行业、跨世纪发展的综合性工程,它直接关系着国民经济与社会发展如何长期、迅速、健康、平衡地实现。利用生态环保评价系统能够有效科学地处理各类生态环保问题,以保障人类天然生态环境,进而有效维护人类自然环境和社会经济持续稳定发展。利用GIS技术辅助对一些自然灾害也能及时预报,从而降低天灾所留给人们的直接经济损失。利用GIS技术在环保科研中的广泛应用,可以同时促进环境资源的合理开采和利用,并提出有利于环境保护与经济发展的环保对策。GIS技术凭借庞大的空间数据系统、形象直观的应用界面以及超强的空间数据分析能力等优点,在环境保护与科学研究中的效果越来越突出。所以,对探讨GIS信息技术在生态环境科学研究中的实际运用也有着重要意义。

一、地理信息系统技术概述

（一）地理信息系统技术

地理学信息体系是以计算机科学为基础,融入了地理学科技、遥感技术和信息科学等专业信息技术,对整体或部分地表上的有关地理数据进行收集、管理、保存、分类、描述的综合信息技术体系,同时具备了信息可视化和空间关联分析的特点。

（二）地理信息系统的基础结构和功能

地理信息系统的基本架构。地理信息系统的应用范围相当广阔,包括了基础设施的管理、环境研究、城市规划、自动导航等。但若从与地图和位置信息相关的层面来考察,如在环境科技的应用方面,地理信息系统将会和许多专业领域密切联系,包括经济学、基础设施管理、环境研究、城市规划工程、农学等。

（三）GIS 的功能和特点

GIS的功用主要包括地理环境数据信息的提供、贮存、管理,及其输入输出等多个主要方面。按照地理环境数据信息的主要来源分为地图矢量化、遥感图像数据信息、GPS等;地理学数据储存采用分级方法,把地理环境特性与属性的数据信息按照需求分为若干个层,并在数据处理作业中管理有关的层以提高工作效率;数据处理与运算则是指经过对数据处理的修正,增删和运用各类算法等,使用户能够在已有的地理学数据信息中获取隐藏的主要结果,而使用者经过检索或统计分析的成果也可进入其他应用程式或数据库系统中,在计算机屏幕上展示或透过画图仪传递。(1)强大的空间数据系统。真实世界中经过模拟数据处理后将各类数据分析注入信息系统中,信息系统就能够有机地组合、管理和显示这些数据分析了。(2)采用形象直观的引用式界面系统用电子版图与人们互动,人们能够借助人们固定的对自然科学界的理解和逻辑方式使用数据。(3)较强的空间解析能力。数据信息是空间对象的一个特殊属性,它可以利用与地理对象的关系实现联接、分割、总计等运算,使得空间问题的解决更加简便快捷。

（四）GIS的应用优势

1.节省了时间和经费

GIS的标准化包括支持GIS工作的数据分析架构和数据信息交换格式的统一规范,并提出了GIS工作基本数据信息连接的统一规范。包括建立开放地理信息系统(Open GIS)的互操作标准,以及寻求与网络地理信息系统数据与空间信息处理业务合作的规范方案等。

2.提高了工作效率

GIS特有的对空间结构与属性数据的管理和对空间分类的应用,是其他所有普通应用软件所替代不了的。GIS将自然地理快速发展中的现代理论知识、方式和计算机技术融合到了一块,拥有着超强的空间和时间属性解析能力,是传统手段中无可比拟的。在环境科学中,GIS所表现出的定性、快捷、易更新、高动态、可实现的模拟数据分析等优点,是常规科学评价方式所难以达到的。

3.可以共享和自由交换数据

基于所有GIS数据参照的同一空间坐标,各个领域之间可以共用数据分析方法与结果,使数据分析的通用性提高,各部门间也能够集成支持整个项目的战略与决策体系。另外,结果也可以通过WEBGIS及时公布。

二、地理与信息系统技术在环境科学研究中的运用

（一）水资源管理方面的应用

地理信息为水资源管理工作提供了重要的信息基础,而水文水资源管理对GIS在可扩展性、分析原理、是否具备完善的技术手段、数据处理的容量大小等方面,均提出了相当高的需求。因此水文地质主管部门可以运用GIS技术手段,对地下水的存贮数量、深浅等信息进行测量,从而为进行地下水资料的采取提供了科学的数据。目前,中国已经在上海、辽宁等地区建设起以GIS信息技术为基础的国家水资源管理系统。GIS信息技术在国家防洪管理工作中发挥着相当大的作用,它能够把实时水情信息完整准确地表现到地图上,在超过一定程度时会发布预警。同时GIS还能够与图像处理、遥感等多项技术相结合,对灾后经济损失与重构问题作出专业评估。

（二）土地资源管理方面的应用

GIS信息技术最开始就在国土资源开发利用过程中实现了农田与村镇自然状况调查方面的数据储存与检索。而伴随现代科学技术不断发展完善,GIS信息技术也已实现了土地资源评估、各种资源使用计划等方面的实际应用。目前开展的土地资源评价,通常都是运用GIS对空间数据信息加以分类和信息管理,并根据土地评价理论,在适宜程度和耕地潜力等方面作出综合评估。同时运用GIS信息技术还能够对土壤地形的类型加以勘测,并以航空照片和地貌圈为基本资料,从而获得有关土壤的详细资料。在勘测过程中,首先可对航空相片实行数字化管理,使用导航系统进行定位并实现外业调绘,最后通过使用GIS实现土壤计量、表格统计等作业。

（三）环境影响评价应用

环境评估,主要是为检测和评价与环境相关的各种施工建设项目、规划等对环境形成的影响,并促使其在发展计划与投资等决策上将环境因素列入考量范畴。其中,与环境相关的施工建设项目主要包括各种工程、国家政策和区域开发规划等。尽管很多环保问题在环境评估中已经有了完善的模型在应用,不过这种模式的几个主要方面在实际应用中还面临着很多问题。而地理与信息系统技术则可以很好地克服模式在使用、分类和展示等方面的问题,使环境数据可以与地图实现更紧密的联系,分析空间信息,生成专题地图,把环境质量以及环境污染情况更直接地表现出来,并且能够选择更多样的环境评估方法,从而提高环境评估工作的效率。

1.区域环境影响评价

地区环境影响评价,是指利用科学技术的方式对一个地区内与环境有关的各种活动过程和规律加以揭示,以实现地区内的社会、经济和环境的和谐发展。将地理信息系统技术运用到地区环境影响评价,主要表现为以下三个方面。第一个主要方面,运用地理信息系统科学技术对地区内复杂的环境信息系统加以管理,包括了污染源、环境质量以及其他与环境相关的信息系统等,对环境因素的变动状况、污染源类型和污染物的地理特性等加以计算与分类；第二个主要方面,利用地理信息系统技术具备叠置地域对象的功用,把同一地域内各个时期的多种环境影响因素进行了叠置,以分析这些影响因素与地区环境的质量变化趋势之间是否存在联系,以便预报各地区的环境质量；第三个主要方面,通过将地区污染源、环境特征等的数据库和环境预报模型联系起来,对地区的环境质量作出了预报。

2.项目环境影响评价

对地理环境信息系统而言,项目环境评估的物质基础就是环境信息系统数据库。项目环境评估人员必须了解各种与环境相关的信息,这种信息来源比较广泛、信息量也比较大,与空间区域相关,主要涉及地区自然环境和经济、地区工程、地区环境质量要求、环境标准、环境政策法规,以及地区环境污染源信息等。将地理环境信息系统技术运用到建设项目的环境评估监测中,一方面,运用地理环境信息系统集成了与建设项目环境相关的基础数据分析和各种模型,并开展了数据分析、预报工作,以评价项目环境质量变化的状况；另一方面,运用地理信息系统的数据管理、更新和监测等功能,对与建设项目环境评估相关的单位和企业实施环境监测与检查。

（四）环境规划中的应用

环境规划学是指为推动地方经济社会发展和环境资源的协调发展,对地域内的环境状况进行研究、观测与评估,以预测因经济社会发展所带来的环境变迁,在生态学原理的基础上提供调控对策,以达到经济社会发展的需要,避免或者减少环境污染的目标。利用地理环境信息体系基础上包含的空间数据分析技术,将其与环境基础数据管理和空间图形库技术相结合,处理环境数据的采集管理、对环境质量的评价、污染管理的对策等,以呈现直观、真实、合理的环境规划决策流程。同时,迅速处理复杂的环保问题,对环境质量的变化及时做出预报,充分发挥及时更新环境历史数据、即时检索环境空间资料和属性数据的优点,发挥了宏观把握和微观数据分析的功能,为城市总体规划编制工作提供了强大的技术手段和信息保障。

（五）环境灾害监测与评估

因为GIS具备了相互位置和逻辑检索及其丰富的关系型数据库链接技术能力,从而非常适合于进行自然环境自然灾害检测和评价。针对特大火灾事故,消防部门还能够通过GIS技术进行起火事故数据分析、绘制火场救援地图、展示消防栓分布状况、交通状态及其资源分布,以便实施应急调度和路线优选等。灾后还能迅速开展环境质量跟踪调查、评价,并通过最新的环保监测数据,可以快速获取一定区域内大气环境污染的等值线图,及其对居民健康、生态的危害。

（六）大气环境保护中的应用

近年来，随着我国经济水平的不断提高，工业化进程不断加快，我国城市发展吸引了大批量的人口进入城市，居民生活水平不断提高，家用汽车普及度很高，造成了城市的交通堵塞问题严重，由此造成了大量的能源消耗和汽车尾气排放导致的大气环境污染问题日趋严重。为了解决此问题，我国相继出台各种政策，但是治理效果仍然不明显。城市的大气污染问题日趋严重，危害着每一个人的身体健康。净化城市空气成为城市可持续发展的首要任务。GIS技术的发展，让我们对重新获得好的环境有了更大的希望。它通过网络搭建大数据传输平台，监测大气环境污染源的排放数据，并且能够对其进行实时分析，能够把城市上空的环境质量报告和大气环境污染信息集中结合到一个平台上，方便对大气污染的源头进行定时定位的监控和解读，为城市大气污染的环境规划和治理提供了非常关键的决策支持。

（七）在环境应急情况下的应用

环境污染已经演变为我们人类急需迫切需要解决的问题。如若发生紧急环境污染情况，应对此类紧急污染事件需要我们结合该环境污染的特点和要求，需要对所在的空间进行大量的数据采集，进而进行评估监测。由此我们对建立完善的环境应急系统的强大数据库有着迫切需要。鉴于此，我们从侧面知晓建立此强大的数据库需要地理信息技术与环境数据相融合，这就需要引入GIS。为了提高环境监测管理工作的效率，我们需要在环境应急的有关措施中，利用GIS技术管理储存很大一部分空间数据。此应急系统需要从时间和空间两个维度进行处理，而只有GIS能够在有限的时间内根据实际情况，储存此类数据并全面分析，为重大决策提供有效的科学依据。

三、结语

随着经济水平的不断提高，科学技术也在不断进步，GIS技术也在不断地改革更新，我国的环境地理信息系统在开发和应用上逐步迈向新的台阶。本文主要论述了地理信息系统技术在大数据分析、管理空间数据分析和属性数据分析等领域方面都有着难以取代的功能。在环境科学研究中应用地理环境信息系统科技,对环境污染有关的时空信息进行收集、管理和分类、评价,一方面能够节约大量的人力、物力和财力,另一方面也大大增强了各种数据信息体系的处理速度,快捷有效地取得与环境保护科学研究相关的研究成果。而伴随地理环境信息系统科技的发展,其应用范围和前景也会更加广泛。

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地理信息系统有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，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、显示和描述的技术系统。

位置与地理信息既是LBS的核心，也是LBS的基础。一个单纯的经纬度坐标只有置于特定的地理信息中，代表为某个地点、标志、方位后，才会被用户认识和理解。用户在通过相关技术获取到位置信息之后，还需要了解所处的地理环境，查询和分析环境信息，从而为用户活动提供信息支持与服务。

地理信息系统是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，随着GIS的发展，也有称GIS为“地理信息科学”（Geographic Information Science），近年来，也有称GIS为"地理信息服务"（Geographic Information service）。GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理（简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析）。GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。