GIS在环境监测数据管理分析中的应用

GIS在环境监测数据管理分析中的应用：GIS在环境监测数据管理分析中的应用

发布时间：2009-08-04 浏览次数：449 字体：

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gis最大的特点是能够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、存储、管理、运算、分析和可视化表达的信息处理与管理, 能对已有空间和属性信息进行加工处理,得出科学结论。也正是这些特点使得它与环境监测结合成为可能,换一个角度来说gis的介入使各种环境问题和环境过程描述更加符合实际,友好的界面交互、方便的空间分析操作、直观生动的结果显示等都无疑促进了环境监测技术的发展。

gis在环境监测数据管理分析中的应用有从环境信息的存储、简单的地图显示和环境制图到复杂的环境状况的模拟与分析。环境监测的目的是准确、及时、全面地反映环境质量现状及发展趋势,为环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据。环境监测的目的具体可归纳为：

(1)根据环境质量标准,评价环境质量。

(2)根据污染分布情况，追踪寻找污染源，为实现监督管理、控制污染提供依据。

(3)收集本底数据，积累长期监测资料，为研究环境容量、实施总量控制、目标管理、预测预报环境质量提供数据。

(4)为保护人类健康、保护环境、合理使用自然资源、制订环境法规、标准、规划等服务。

文章则根据环境监测的目的不同，分为环境质量监测、污染源监督监测、应急监测三个方面来对gis在环境监测数据管理分析中的应用做进一步的说明。gis空间数据的存储和可视化表达的是gis的基本功能，在任何目的、形式的环境监测数据处理中都是会用到的,以下的三个方面就不再一一累述，下面主要从gis空间分析和综合分析功能的角度来阐gis的应用。

环境质量监测

环境质量监测是监测工作的主体。它是对各环境要素的污染状况及污染物的变化趋势进行监测，评价控制措施的效果判断环境标准实施的情况和改善环境取得的进展,积累质量监测数据，确定一定区域内环境污染状况及发展趋势。

环境质量监测一般是针对区域(如流域、城市等)进行的，对该地区的空气、水体、噪声、固体废物等进行定点的、长期的、长时间的监测以确定区域内的污染源现状进行客观全面的评价，以反映出区域中受污染的程度和空间分布情况。通常获得的环境监测数据都是空间上一些离散的点的数据，如何用这些离散的监测数据来真实的反应环境的质量状况。这里就可以利用gis的空间数据的内插方法。空间数据的内插可以作如下简单的描述:设一组空间数据，他们可以是离散点的形式，也可以是分区数据的形式，现在要从这些数据中找到一个函数关系式，使改关系式最好地逼近这些已知的空间数据，并能根据改函数关系式推测出区域范围内其他任意点或任意分区的值。这样由监测点的数据则可以推算出作为面状要素区域的空气质量状况。例如根据某条监测河流上的监测断面数据评价河流的水质状况。

此外，在对环境内的各个客体(空气、水体、噪声等)进行质量评价时，往往涉及到多个污染指标，例如空气质量标准，它是中国规定的各类地图大气中主要污染物的含量在一定时间内不允许超过的限值。主要污染物包括二氧化硫、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒、氮氧化物、二氧化氮等。如何根据这些多个单一的、含空间信息的污染物指标来综合评价空气的质量，这里可以利用gis的空间叠合分析来实现。空间叠合分析是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。前者可以一般用于搜索同时具有集中地理属性的分布区域，或对叠合后产生的多重属性进行新的分类，称为空间叠合属性；后者一般用于提取某个区域范围内某些专题的数量特征，成为空间叠合统计。这样通过多个污染指标的空间叠合分析来实现对空气质量的综合评价和

分类。

因此，为了正确的表述一个地区的环境质量，单靠某一点的监测结果是不准确的，利用gis强大的空间处理和综合分析等功能，根据污染物的时间、空间分布特点,对监测数据行统计分析，才能得到全面而客观的评述。

污染源监督监测

污染源监督监测是为了掌握污染源，监视和监测主要污染源在时间和空间的变化所采取的定期定点的常规性的监督监测。它主要是对污染物浓度、排放总量和污染趋势的监测,要利用监视网对某一区域的污染趋势和状况进行预报、预测。

评价污染源对环境的影响，除了需要获得污染源的浓度和排放总量数据外，还必须依靠污染源所在的地理环境的空间背景信息，同样的污染物排放量，由于其所在的地理位置不同(包括气象、地形等方面条件的影响)，其污染程度与范围将有所不同。这就是污染源的地理空间特性。污染源的地理空间特性决定了对污染源的影响分析必须采用定量与空间分析相结合的综合地理思维工具-地理信息系统(gis) 。不仅要进行污染源的定量分析，如计算排放量大小，而且要进行空间分析，如计算排放量与环境浓度关系。gis正是这种结合的完美体现, gis以数据表示空间分布，数字和图形融为一体，支持数字思维与空间思维同时进行，比传统的地图分析和仅仅对统计数据的定量分析方法有质的改进。

gis的空间缓冲区分析为污染源污染扩散影响分析提供了有力的工具。空间缓冲区分析是指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立他们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对临近对象的辐射范围或影响度。在这里应用主要体现在，根据污染源的位置(气象状况、地形条件)等与环境模型进行结合，计算其对临近对象的影响程度，得出一个缓冲区域，来表现污染源的影响范围及浓度变化，为污染物总量控制、制定削减方案提供辅助决策。例如通过缓冲区分析和路径分析可用来对多种图上要素进行包含和临近分析，分析污染源排放去向，显示污染源影响范围,结合污染源监测的数据，分析和评价排放到该条河流的污染源贡献率(见图10) 。

gis与污染源监督监测的结合，使得污染源监督监测能够根据污染源的污染类型和现有地理数据的变化程度，从选择合适的环境模型如扩散模型、影响模型等进行预测，利用预测结果和不同时期的环境污染数据进行比较，计算给定污染物在不同时期内的扩散浓度，确定其污染扩散的范围，得出污染源排放与环境污染之间的规律，预测环境污染的发展趋势，为污染源规划决策和环境质量控制提供科学依据。

应急监测

应急监测又称为特定目的的监测，根据特定的目的又可以分为以下四种：污染事故监测，在发生污染事故时进行应急监测，以确定污染物的种类和危害程度、扩散方向、扩散速度和危及范围，为控制污染提供依据；仲裁监测:主要针对污染事故纠纷、环境法执行过程中所产生的矛盾进行监测；考核验证监测，包括人员考核、方法验证和新建项目的环境考核评价及污染治理项目竣工时的验收监测;咨询服务监测：为政府部门、科研机构、生产单位所提供的服务性监测。

污染物事故应急监测是对各种污染事故进行现场追踪监测，摸清其事故的污染程度和范围，造成的危害大小等。对环境污染进行动态连续监测以及对重大污染事故快速做出反应，是环境监测功能发展的一个重要方向。为了有效得实施污染

事故的应急，需要利用地理信息系统技术对有关的数据和方法进行全面的分析，首先确定事故发生地位置，然后利用gis 与环境模型的结合预测受影响的区域范围，通过gis的可视化提供污染区域内的敏感单位、救援单位、人口以及由事故发生地点到指定地点的最佳路径等信息，为应急监测、应急救援工作的开展提供决策依据。如图11所示,这里用到的gis的空间分析主要有缓冲区分析、空间数据的集合分析和查询以及网络分析。

图11污染事故应急分析示意图

缓冲区分析

缓冲区分析在前文已经提到，利用缓冲区分析与环境扩散和影响模型结合预测受污染事故影响的区域和范围，同时还可对扩散等影响分析的结果进行渲染以直观显示污染物的浓度或者影响的程度。

空间数据的查询

空间数据的查询属于数据库范畴，一般定义为从数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。属性约束条件查询与传统的数据库查询方式是相似的。空间约束条件用带空间谓词的逻辑表达式描述，空间谓词由地理对象间的空间关系演变而来，如包含、相交、分离、重叠、距离、方向等。因此空间查询是作用在库体上的函数，返回用户请求的内容，也属于咨询式分析。例如查询污染事故影响缓冲区内的敏感单位、人口等信息。

网络分析

网络分析是依据网路拓扑关系(线性实体之间、线性实体与结点之间、结点与结点之间的连结、连通关系) ，并通过考察网络元素的空间、属性数据，对网络的性能特征进行多方面的分析计算。在现实生活中，许多复杂的地理实体均可经过适当的简化取舍将其抽象为地理网络，地理事物常被抽象为点。而地理事物之间的联系常被抽象为点的连线。突发性环境事故的应急对策及其空间关联又常表现为“点”和“点的连线”所构成的地理网络。例如从消防队(点)到风险源(点)的路径，从风险源到最近的固废处理厂的路径，从居民到急救医院最佳路径分析等都涉及了点要素之间，点和弧之间的网络关联分析。

gis在污染事故应急监测中的应用，将会大大地节省人力、物力、财力，极大地提高突发性环境污染事故的监测、处理、处置速度，把污染事故造成的危害降低到最低限度，同时也将会获得巨大的直接经济效益和良好的社会效益。

另外，gis在考核验证监测应用也是不可忽视的，如建设项目审批，可以根据新建污染项目的地理位置、排污情况，参照环境规划、河网分布、保护区分布等信息，确定影响范围，利用缓冲区分析，叠加分析等寻找污染源设置的最佳位置与污

染排放量等指标，为审批新建污染项目提供决策支持。

GIS能应用到环境监测领域,是与GIS本身的特点以及环境监测的特点所引发的需求是分不开的。

文章主要从GIS空间数据库、空间数据表达和空间分析三个方面进行阐述GIS在环境监测中得以广泛应用的可能。

(1) GIS空间数据库实现对环境监测数据的有效管理

环境监测的主要结果是环境数据，环境监测连续性特点使得每年的环境监测数据数以万计，如此海量的数据仅依靠手工管理很难保证数据的一致性和准确性。必须建立起一套环境监测的数据库。而传统的数据库结构不能很好地表达、存储空间信息，无法实现空间数据的管理和空间信息的分析。解决环境问题必须与现实的地理空间信息相结合。GIS数据库是区域内一定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。由于GIS数据库具有数据量大，空间数据和属性数据具有不可分割的联系，以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等特点，因此GIS 数据库管理功能应用到环境监测，除了与监测点属性数据有关的DBMS功能之外，还包含了对监测点空间数据的管理技术。例如从空间位置检索监测点及其环境要素的监测信息、从环境质量控制条件检索监测点及其位置等。

(2) GIS形象生动的制图表达

GIS具有非常强大的图形显示和地图制作功能。但绝非仅仅是一个地图工具，它是一个将环境污染监测、环境管理、地理特征和环境因素等有关地理信息结合在一起的分析系统。资料的表达和可视化借助于地图、表格和图形,并在他们之间同时实行动态联接、管理和查询,使大量抽象、枯燥的数据变得生动、直观和易于理解。用电子地图形象直观的与用户进行交互，使用者可依靠人类固有的对自然界的认识和逻辑操作数据。特别是近年来GIS虚拟现实技术的应用和发展，为研究环境污染的空间分布扩散规律提供了准确、直观的可视化显示，以及实时、动态显示环境状况变化。

(3) GIS的综合分析功能

由计算机技术与空间数据相结合而产生的GIS这一技术,它包含了处理空间信息的各种高级功能,但它的基本功能是数据的采集、管理处理、分析和输出。GIS依托这些基本功能,通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术、数据库和数据集成技术、二次开发等演绎出丰富多彩的应用功能。正是因为GIS具有如此强大的空间数据管理功能和空间数据综合分析功能,而上文提到85%的环境信息与空间有关,使得它在环境监测数据的管理分析和环境问题的解决方面更有优越性。另外GIS与环境模型的结合为其提供了更加高效、专业的处理能力。因此利用GIS强大的空间分析技术来实现环境信息的综合全面的处理是合理的也是有必要的。

镇江市环境监测中心的污染源监测系统就是利用计算机网络和数据库系统，将分散在市区范围内的环境监测点产生的数据集成起来的, 综合运用Internet/ Intranet技术、GIS技术、数据库技术和环境保护技术的一个WebGIS系统。该系统将GIS先进的空间分析技术与环境专业应用模型相结合，实现了对污染源空间信息、属性信息的综合管理，直观地表现了污染源的分布特点、总量特征及其排放污染物的动态变化，并在此基础上实现了对环境污染情况的分析、评价和预测功能。田劲松等人通过设计将自动控制、网络通信、计算机以及GIS等信息技术引入环境监测领域，建立包括污染源在内的各环境要素在线监测，实现对污染源实时监控、监测数据远程传输和基于地理信息系统数据分析与管理的在线监测系统。该系统利用GIS强大的地理信息分析功能，结合环境数学模型,实现基于地理信息基础上的数据查询、统计、环境制图、显示等功能以及污染源分析、区域环境评价、预警应急、环境决策管理等。并且可以与环保部门局域网以及Internet 联网,实现监测信息的共享与对外发布。