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在环境地学研究中应用GIS急需解决的3个问题
王天阳（吉林大学环境与资源学院，长春 130026）
摘 要: 地理信息系统已经成为环境地学的主要工具之一。但从目前的应用状况看，多源空间数据集成、空间数据分析和挖掘以及模型集成是3个最需要解决的问题，文章对此进行了深入地分析。地理信息系统可以为环境地学研究组织管理数据，通过空间分析为研究提供新的所需要的信息，通过与模型集成来评价、预测、仿真模拟区域经济与环境的关系，并提供决策支持。多源环境数据集成是基础，而空间分析是连接多源数据集成与模型集成的桥梁和纽带，集成好的数据通过这个桥梁传输给模型，才真正的实现了对环境系统的模拟和仿真。
关键词：地理信息系统 生态环境 数据集成 空间分析 模型集成
1 前言
为了保护环境和实现可持续发展，环境地学研究日益受到重视。以往，对于环境地学研究，定性的描述多、定量的分析少；单因素多、复因素少；静态的分析多、动态的处理少；现状的研究多、虚拟的研究少[1]。目前，环境地学研究已从侧重调查、分类和制图的定性描述为主的阶段，进入到侧重于模拟、监测、评价、规划和管理的定量描述为主的阶段[2]。在此阶段，地理信息系统被当作一个主要技术支撑，但是作为资料存储和改变展示信息的工具，应有的特性并没有充分发挥[1]。本文从空间数据集成、空间分析和空间数据挖掘以及模型集成等方面进行分析，以进一步加强地理信息系统在环境地学研究中的应用。
2 多源空间数据集成
环境地学研究的对象是一个复杂系统，内部各要素间具有极为复杂的关系，仅凭传统的单要素分析已经难以满足人们全面认识的需求。另外随着定量化研究的深入，人们对环境系统的研究已经从单要素的定性分析过渡到多要素、多变量地综合定量分析。内容和形式的多元化已成为环境地学数据存在的特征，而需要解决的问题的复杂化、涉及内容领域的多样化，要求使用多种数据源。而这些数据又是环境评价、规划和决策等的基础。因此如何更有效地采集、组织、管理这些信息是更好地应用地理信息系统的前提，否则会造成不必要的浪费，但这常常被忽视。
集成是指将分散的部分形成一个有机整体，而数据集成则是把不同来源、格式、特点、性质的地理空间数据进行逻辑上或者物理上的有机集中。有机是指数据集成时充分考虑了数据的属性、时间和空间特征、数据自身及其表达的地理特征和过程的准确性[2]。其目标是通过对环境数据形式特征（如格式、单位、比例尺等）和内部特征（属性等）做全部或者部分调整、转化、合成、分解等操作，使其形成充分兼容的无缝数据集。这里所说的无缝是指属性、时间和空间上无间断，也就是说数据集应该在空间范围上连续、在环境过程允许范围内的时间连续和属性类别、层次的不间断，这三者是一体的，必须同时达到。集成后的数据集可以满足空间不同尺度以及对环境过程模拟的需要。如，为了了解区域水质演化趋势，灰色系统方法预测需要5a或更多年的数据，因此需要时间上的不间断；同时为了反映空间上的变化，在空间上采样点的数量要能够反映区域水质状况，这是空间上的不间断；为了全面反映水质状况，就要求数据中水中化学离子种类要满足要求，这就是属性上的不间断。而这只是一个简单的例子，实际上数据集成远远比此复杂。
多源环境数据集成作用和意义重大：（1）不同区域、不同时刻、不同手段所获取的不同比例尺、不同坐标体系、不同投影方式、不同分类指标体系的地球空间数据，通过有机集成，可以在空间上无缝、时间上连续、属性上一致，从而建立数据源间在时间、空间及特征的可比性。（2）通过数据的集成，把表面上看似分散的、彼此互不相干的环境数据，组成相互联系的整体，找到它们的有机联系。多源环境数据集成过程本身就是认识数据之间联系的过程，是寻找其内在规律的过程。国外对数据集成有一些研究[3，4]，而国内研究不多，为了满足可持续发展的需要，应该在今后加强对数据集成的研究。
3 空间分析和空间数据挖掘
3.1 空间分析
地理信息系统具有强大的空间分析功能，因此其专用函数可以进行空间叠加、缓冲区分析、地形分析、网络分析等。空间分析功能是对集成数据的进一步处理与分析，为环境模型提供数据。在环境地学研究中，我们对水体、大气等单要素认识比较深，但对于众多要素相互关联、相互作用的农业生态系统等综合体认识不足，而地理信息系统的空间分析功能。为综合各种环境因子和解释生态系统的功能和过程提供了强有力的工具，同时可以产生新的数据、新的信息，为环境科学研究决策提供参考。
地理信息系统的空间分析能从代表各种现象和区域的不同的数据组别中识别现象之间以及区域之间的空间关系，能方便地改变空间分析的地理尺度，可以应用到区域、局部或者某一具体地点，也可以从某一尺度到另一尺度进行分析[5]。如地理信息系统的叠加分析功能，可以记录、比较和重叠不同时段的区域行为和环境特征数据；可以显示和分析区域行为和环境特征随时间的变化规律，如人口密度变化、土地利用变化等。当然也可以对同一时段的区域行为和环境特征等进行叠加，揭示环境系统要素之间的关系。以地下水易污性评价为例，在评价中常需要把各种要素图层进行叠加处理，产生评价和模拟的“单元”以及相应的属性。在每个新产生的评价单元中，包含了评价因子，这个单元可以看作是同质均一的。而不同时段数据的空间叠加，则可以帮助分析某区域行为可能造成的后果，为可持续发展的宏观调控提供参照，或者用来模拟未来某时刻的演变状况。
空间分析是地理信息系统的一个强大功能，在地学环境研究中有很多应用前景，但目前地理信息系统的空间分析功能还主要表现在对图形的操作，如复合分析、缓冲区分析等。在环境地学研究中，常需要对空间要素进行结构分析、空间自相关分析、空间选择过程以及空间模拟等。环境现象、社会经济现象以及各种具有空间属性的变量只有通过上述分析才可以揭示其空间分布特征，了解其空间关系，模拟其时空演变过程，但这些功能目前的地理信息系统一般没有提供，因此把这些功能引入地理信息系统，从而形成更强大的空间分析功能，是环境科学研究的需要。
3.2 空间数据挖掘
环境系统的空间数据库是一类重要的、特殊的数据库，其中含有大量的空间数据和属性数据，具有比一般数据库更丰富和复杂的语义信息，如环境要素及其相互关系的信息（地理位置、形状、属性、空间分布、空间关联、空间演变等），隐藏着丰富的知识。另外随着遥感技术的广泛应用以及其他监测技术的发展，数据更新速度很快，造成越来越多的空间数据生成，产生了地理信息系统领域“数据丰富而理论薄弱”的局面，使得在分析上需要一种“让数据说明本身”的分析技术，即空间数据挖掘技术。空间数据挖掘是从空间数据库中提取用户感兴趣的空间模式与特征、空间与非空间数据的普遍关系及其一些隐含在数据库中的普遍的数据特征[5]。通过空间数据挖掘技术发现隐含在数据内的信息或者知识，从而为研究提供服务。
通过空间挖掘技术，地理信息系统经过分析和提取，可以提供以下几个方面的知识和信息：一般几何知识、空间分布规律、空间关联、空间聚类、空间特征、空间区分和空间演变等[6]，这也是以往环境地学研究由于技术原因而很少利用的信息。空间知识的挖掘方法主要有统计方法、归纳方法、聚类方法、探测性数据分析、云理论、模式识别和Rough集方法、神经网络、遗传算法、决策树等方法。空间数据挖掘提高了地理信息系统的查询和分析技术，也有利于建立智能化的地理信息系统，从而更好地为环境科学研究服务。然而这才刚刚开始，为了从海量的环境空间数据中，提取研究所需要的信息或者知识，应加快对空间数据挖掘技术的研究。
4 模型方法集成
环境地学研究包含的环境规划、环境质量评价、环境模拟、环境预警的研究都是有关空间行为的决策问题，其相应的模型包括评价、预测、规划、模拟仿真、预警等，其常用模型见表1。这些模型除数值模拟模型外(如地下水溶质运移模型、水动力学模型)，一般不受空间条件约束。因此从模型的空间特征来看，具体的空间位置对其并没有制约的特性，如模糊综合评判模型、神经网络模型以及回归分析模型等。这些模型可以处理空间数据，其数据来源于地理信息系统，同时由于模型描述的是空间过程，揭示的也必然是空间规律和空间机制，需要地理信息系统支持。
地理信息系统虽然可以为决策提供强大的数据输入、存储、显示和空间分析的工具，但在分析、模拟和推理方面的功能还比较弱，本质上是一个数据丰富但理论贫乏的系统，在解决复杂空间决策问题上缺乏智能推理功能。为解决复杂的空间决策问题，需要在地理信息系统的基础上，与一些结构化和半结构化数学模型，以及非结构化的专家知识经验相结合，从而实现对环境地学研究中的各个要素的性质、功能、相互作用和它们的总体表现及其随时空变化进行模仿，为环境决策提供科学依据。
因此，利用地理信息系统的基本功能可以提供模型需要的数据，实现对模型分析的结果的显示、输出，增加结果的直观性。地理信息系统与模型集成一般存在共享文件、共同界面和一体化3种形式[7]。其中共享文件方式实现简单，而一体化方式是今后研究和应用的主要方向。
第2节提到了环境模型与地理信息系统集成的必要性和意义，但在这方面的研究还很少。据统计，在模型与地理信息系统集成研究以及应用上，环境科学索引为7篇，科学索引为34篇[8]，可见对于模型与地理信息系统集成研究还有待加强。
表1 环境科学研究常用结构化模型 | 评价模型 | 预测模型 |
模拟仿真模型 | 决策规划模型 | | 综合指数法 | 灰色预测 | ANN仿真
| 线性规划 |
TOPSIS法 | GM（1.1） |
SD模拟 | 非线性规划
| | 主成分分析 |
回归预测 | 数值法 | 动态规划 | AHP
| 线性、非线性 |
蒙特卡罗模拟 | 风险型决策 | | FUZZY | 时间序列 | 其它 |
贝叶斯决策 | | 多目标模糊优选 | 线性、非线性 | | AHP决策 | ANN－BP
| ANN－BP | | ANN决策 | 突变评价
| SD | | SD
| | 专家打分 |
分形预测 | | 灰色聚类等 | | 其它 |
数学物理法 | |
| | 数值法等 | |
| | 突变预测 |
| |
| 其它预测 |
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5 参考文献
1曾玉清，傅国伟.推进GIS在环境规划中的应用探讨.城市环境与城市生态，1996 9（1）：1～5.
2李军，费川云.地球空间数据集成研究概况.地理科学进展，2000，19（3）：203～211.
3 Jones C B, Kinder D B .Database design for multi-scale information system. Int J.Geographic Information System，1996，(10)：901～920.
4 Hinnton J C. GIS and remote sensing integration for environmental applications. Int J.Geographic Information System，1996，(10)：877～890.
5李德仁，关则群. 空间信息系统集成与实现.武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000， 61～65.
6 Agustin.Geographic information system method of environmental impact assessment . Peter Morris and Riki Thervel，1995，320.
7李凤全，林年丰.地理信息系统与神经网络耦合在水质评价中的应用.长春科技大学学报，2001，31（1）：50～54.
8李本纲，陶澍.地理信息系统在环境模型研究中的应用.环境科学，1998，19（3）：87～90.
摘自-《上海环境科学》
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| • 微波改性活性炭脱硫剂的研究 |
| • 固定化微生物技术处理含酚废水 |
| • 生物处理含油废水技术通过鉴定 |
| • 洁净能源独立供热技术系统工程 |
| • 汽车、摩托车用新型节油、消尾气、降噪声净化器 |
| • CAF 涡凹气浮系列 |
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