资源与环境研究中的GIS

地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是20世纪60年代以来随着电子计算机技术的发展及其广泛应用，在地理学中发展起来的一种新的工作手段和方法。该学科是介于信息科学、空间科学和地球科学之间的交叉学科，它是计算机科学、遥感技术、信息工程和现代化地理学理论与方法的有机结合，是它们应用的进一步延伸和发展，是地理学的又一新进展。

一、地理信息与地理信息系统

地理信息是指表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。从地理数据到地理信息的发展，是人类认识地理事物的一次飞跃。地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等是最大的地理信息源。地理科学的一个重要任务就是迅速地采集到地理空间的几何信息、物理信息和人为信息，并适时地识别、转换、存储、传输、再生成、显示、控制和应用这些信息。

地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其他类型信息的最显著的标志。地理信息的这种定位特征，是通过经纬网或公路网建立的地理坐标来实现空间位置的识别；地理信息还具有多维结构的特征，即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构，而各个专题型实体型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之间的综合研究提供了可能，也为地理系统多层次的分析和信息的传输与筛选提供了方便。地理信息的时序特征十分明显，因此可以按照时间尺度将地理信息划分为超短期的（如台风、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低温）、中期的（如土地利用、作物估产）、长期的（如城市化、水土流失）、超长期的（如地壳变动、气候变化）等。地理信息的这种动态变化的特征，一方面要求地理信息的获取要及时，并定期更新；另一方面要从其自然的变化过程中研究其变化规律，从而作出地理事物的预测与预报，为科学决策提供依据。认识地理信息的这种区域性、多层次性和动态性变化的特征对建立地理信息系统，实现人口、资源、环境等的综合具有重要意义。

地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，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。因此，地理信息系统具有以下三个方面的特征：

（1）具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力。

（2）以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力，并能产生高层次的地理信息。

（3）由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；计算机系统的支持是GlS的重要特征，它能使GIS得到快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和动态分析。

二、GIS的组成部分

地理信息系统是一种计算机技术系统，它由信息输入、存储、数据的分析处理和信息的输出等基本部分组成，并在计算机软、硬件支持下运行工作。各种组成在GIS中所起的作用不同，可以分为五个组成部分：

（1）计算机硬件：指GIS所需要的基本设备。这些设备用来存储、处理和显示。对象主要是数字地图或数字图像数据。

（2）计算机软件：包括机器运行所需的各种程序及有关资料，如操作系统、编译程序、汇编程序、专用程序、GIS数据库管理系统、各种分析程序及使用分册、说明等。主要作用是完成各种GIS应有的操作。

（3）数据：GIS研究所需要的各种地理空间数据，包括数字化了的地图数据、经过数字转换的图像数据、分析用的统计数据等等。

（4）过程：GIS工作时，为了得到问题的解答而执行的一步一步的动作。不少系统在执行时，为了方便用户使用目录选择方式，又称作点“菜单”方式，作哪个动作就点哪项；也有的系统使用命令方式，根据用户需要打入命令，由系统完成，可以一个命令做一个动作，也可以一个命令完成一系列动作，也就是命令过程。

（5）专家：了解GIS，知道怎样使用系统，这是最重要的。有些系统不能被人完全了解，因而不能发挥出全部作用，更不能进一步发展系统。创造GIS的工作量很大，常以“人年”作为计量工作的单位。

三、GIS的类型

（1）专题地理信息系统：是具有有限目标和专业特点的地理信息系统。为特定的专门的目的服务，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统、环境管理信息系统等。

（2）区域地理信息系统：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。可以有不同规模，如国家级的、地区或省级的、市级或县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统，也可以按自然分区或流域为单位建立区域信息系统。区域信息系统如加拿大国家信息系统、美国橡树岭地区信息系统、圣地亚哥县信息系统、中国黄河流域信息系统等。

（3）地理信息系统工具：它是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。它们或者是专门研究的，或者是在完成实用地理信息系统后抽去具体的区域或专题的地理空间数据后得到的。这些软件适于用来作为地理信息系统支撑软件，以建立专题或区域性的实用性地理信息系统，也可以作教学软件。由于地理信息系统设计技术较高，而且重复编辑比较复杂的基础软件也造成人力的极大浪费，因此采用地理信息系统工具，无疑是建立实用地理信息系统的一条捷径。

四、资源与环境研究中的GIS

进入21世纪，中国的GIS事业发展迅速，GIS的作用日益被大众所认识，并蓬勃应用到各种领域中。人类正在进入以信息技术和空间技术应用为特征的新型信息时代。作为新兴技术科学的地理信息系统，从20世纪80年代末期以来已成为最活跃的信息产业之一。它涉及到GIS软件、硬件、数据、遥感与航空摄影、制图、野外数据采集、数据交换、系统集成和咨询等内容。其中，软件是GIS的技术核心，而从事软件开发和系统集成的公司或机构则往往成为GIS产业的主体。

早期GIS主要应用于自动制图、设施管理和土地信息系统（LIS），后来逐步扩展到资源与环境管理、森林清查、城市规划、市政管理、灾害监测与预测、科学研究和军事战略等众多领域。随着GIS技术的成熟，数据积累和应用环境的改善，它的应用范围不断扩展，应用程度不断深化。GIS在资源与环境研究中的应用主要表现在以下几个方面：

1.资源清查与管理

资源的清查、管理和分析是GIS应用中趋于成熟而重要的领域，包括土地资源、森林资源和矿产资源的清查、管理，土地利用规划，野生动植物的保护等。资源清查是地理信息系统最基本的职能，这时系统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和资源状况分析，为资源的合理开发、利用和科学管理提供依据。

以土地利用类型为例，可以输出不同土地类型的分布和面积，按不同高程带划分的土地利用类型、不同坡度区内的土地利用现状、不同岩性引起的土地利用差异以及不同时期的土地利用变化等，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。又如中国西南地区国土资源信息系统，设置了三个功能子系统，即数据库系统、辅助决策系统、图形系统。资源数据存储了1500多项300多万个。该系统提供了一系列资源分析与评价模型、资源预测预报及西南地区资源合理开发配置的资料。可绘制草场资源分布图、矿产资源分布图、各地县产值统计图、农作物产量统计图、交通规划图、重大项目规划图等不同内容的专业图件。

2.区域与城镇规划

城市与区域规划中要处理许多不同性质和不同特点的问题，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。地理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到统一系统中，最后进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置以及城市环境动态监测等。这些规划功能的实现，是以地理信息系统的空间搜索方法、多元信息的叠加处理、空间分析方法和网络分析功能等作为保证的。中国大、中型城市很多，根据加快中心城市的规划建设，加强城市建设决策科学化、现代化的要求，利用地理信息系统作为城市规划、管理和分析的工具，具有十分重要的意义。

3.环境灾害监测

利用GIS方法和多时相遥感数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和灾情损失的估算，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息，例如据中国大兴安岭地区的研究，通过普查分析森林火灾实况，统计分析十几万个气象数据，从中筛选出气温、风速、降水、温度等气象要素、春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等14个因子，用模糊数学方法建立数学模型，建立微机信息系统的多因子的综合指标森林火险预报方法，对预报火险等级的准确率可达73%以上。又如黄河三角洲地区防洪减灾信息系统，在ARC/INFO地理信息系统软件支持下，借助于大比例尺数字高程模型，加上各种专题地图，如土地利用、水系、居民点、油井、工厂排放工程设施及社会经济统计信息等，通过各种图形叠加、操作、分析等功能，可以计算出若干个泄洪区域及其面积，比较不同泄洪区域内的土地利用、房屋、财产损失等，最后得出最佳的泄洪区域，并制定整个泄洪区域内的人员撤退、财产转移和救灾物资供应等的最佳运输线路。

4.环境保护及管理

GIS技术也是进行环境评价、环境规划管理的有力工具。其内容包括：环境监测和数据收集，建立基础数据库和环境动态数据库，建立环境污染的有关模型，提供环境管理的统计数据和报表输出，环境作用分析和环境质量评价，环境信息传输和制图等。

环境管理涉及人类社会活动和经济活动的一切领域，一个大中型城市每年收集和监测的环境数据可能多达100万个，对如此大量的数据，应使其有效地为环境管理决策及其他用途服务。一个地方环境管理信息系统的功能有：为环境管理部门提供数据和信息系统存储方法——基础数据库系统；提供环境管理的数据统计、报表和图形编辑方法；建立环境污染的若干模型，为环境管理决策提供支持；提供环保部门办公软件；提供信息传输的方法和手段。

例如，上海市环境管理雅息系统具有如下主要特征：①建立了动态数据库，可存储环境监测数据（如包括污染源和环境质量）和其他有关数据（如环境标准、水文、气象等），对大多数环境管理功能来说，实现了数据共享；②面向环境质量管理，可以对环境质量状况的统计、评价、预测、规划以及其他管理提供支持；③为实现面向污染源的污染控制管理提供支持，可以实现排污收费、排污许可证制度的管理；④为便于用户使用，系统设计一个界面友好的窗口菜单系统，使用方便，可以提供不同形式的输出，包括屏幕显示、表格打印、图形绘制、磁盘输出等，还预留了远程通讯接口。

5.宏观决策

GIS利用有效的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，可为国家或区域的宏观决策提供科学依据。例如GIS支持下的土地承载力的研究，可以解决土地资源与人口容量的规划。中国在三峡地区研究中，通过利用地理信息系统和机助制图的方法等多种功能建立了环境监测系统，为三峡宏观决策提供了建库前后环境变化的数量、速度和演变趋势等可靠依据。又如，通过水土流失监测系统数据库中的水土流失强度、地质岩性、坡度及其他资源与环境的相关数据进行分析研究，利用图形叠置等功能和变化的规律模型，可以进行水土流失的预测，为水土保持方案的编制及实施生态环境治理等提供坚实的数据基础，为宏观决策提供依据。