地理信息系统(GeographicInformationSystem)是20世纪60年代中期开始逐渐发展起来的一门新的技术系统。近半个
世纪以来,一方面,随着计算机硬件技术的提高,软件开发工具的广泛应用和数据库技术的推广;另一方面,随着卫星遥感技术趋于成熟和全球定位
系统(GPS)的出现,海量信息涌向社会,成为GIS非常重要的数据源,同时社会经济的高速发展,也为GIS提供了大量的社会经济方面的数
据;这两方面都加速了GIS的发展和应用,使GIS不断成熟起来。GIS是对各种空间信息进行收集、存储、分析和可视化表达的信息处理与管
理系统,它能提供文字和数据,根据栅格数据和矢量数据,还提供直观形象的空间图形和图像。GIS能对空间属性的对象进行输入、输出、编辑、
修改、查询。图形信息和属性数据一旦输入地理信息系统,就可进行动态管理和查询[1]。GIS强大的空间分析和统计运算功能,能对已有资料
进行加工处理,得到科学的结果,避免因人而异的主观随意性,有利于科学决策。正因为如此,作为一种强有力的研究工具,GIS现已广泛应用于
国土资源、矿产资源、交通运输、防灾减灾、环境保护、水电建设等各个领域。1.GIS基本原理1.1GIS概念及组成地理信息系统,简
称GIS(GeographicInformationSystem),是融计算机图形和数据库于一体储存和处理空间信息的高新技术,它把
地理位置和相关属性有机结合起来,根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用户,因此RS与GIS结合,才能发挥技术优势[1-2]。GI
S软件ARC/INFO采用开放的体系结构,使统计、分区、评估和其他信息不加修改就可以综合到系统中。GIS所需要的硬件包括处理速度高
且存储容量大的计算机,数据输入设备如数字化仪、扫描仪,图形输出设备如绘图仪等。软件方面,有ESRI的ARC/INFO和ARCVIE
W、ERDAS的IMAGINE、USARMY的GRASS等。在我国应用较广的为美国环境研究公司(EnvironmentalSys
temsResearchInstitute,Inc.)开发的ARC/INFO(用于UNIX)、PCARC/INFO(用于D
OS)和AR-CVIEW(用于Windows3.X、Windows95和WindowsNT)。1.2GIS技术GIS是对各种
空间信息进行收集、存储、分析和可视化表达的信息处理与管理系统。GIS能提供文字和数据,根据栅格数据和矢量数据,还提供直观形象的空间
图形和图像。GIS能对空间属性的对象进行输入、输出、编辑、修改、查询。图形信息和属性数据一旦输入地理信息系统,就可进行动态管理和查
询。GIS也可以使用各种坐标系统,甚至包括AUTOCAD等软件包使用的直角坐标系统,对空间对象进行精确定位。此外,GIS还能与AU
TOCAD等软件进行数据交流,也可以输出其他应用系统能够接受的文件格式,实现数据共享。另外,GIS强大的空间分析和统计运算功能,能
对已有资料进行加工处理,得到科学的结果,避免因人而异的主观随意性,有利于科学决策。正因为如此,GIS现已广泛应用于国土资源、矿产资
源、交通运输、防灾减灾、环境保护、水电建设、水土保持等方面的技术性管理。正因为GIS是涉及多种行业的信息技术工具,有广阔的应用前景
,地理信息系统的基础软件和应用软件不断出现,常见的有ARC/INFO、ARCVIEW、MAPINFO、MGE以及GEOSTAR等[
3-4]。1.3GIS基本原理GIS技术可认为来自2个比较成熟的软件技术:数据库管理系统(DBMS)和计算机辅助设计(CAD),
并附加上对空间数据的管理和分析功能。GIS的强大功能在于能够建立和分析地理对象的拓扑关系,这些地理对象包括高速公路、城市、水域、管
网等。建立拓扑关系是明确定义空间联系的数学过程。对于GIS数据库中的对象不仅能根据它们的地点和类别属性进行分析,还能根据它们的空间
关系进行分析。GIS系统通常具有图形用户界面(GUI),允许用户在可视化的地图上显示和操纵数据[5-7]。系统的核心是GIS引擎,
它提供数据库地理和拓扑功能以及用户界面。GIS引擎提供大量操作分析功能,包括测距、投影变换、统计、拓扑叠压、缓冲区分析地形表面操作
、网络分析等。许多GIS产品允许用户利用宏语言对系统进行扩展,包括定制菜单和函数等[8],有的还支持与外部应用程序进行开放通讯。所
有的GIS都具有某种形式的地理数据文件。GIS的图形和属性均由文件系统管理,其典型代表是Idrisi(美国Clark大学开发)。国
内大多数自行开发的软件均属此类。混合型GIS的图形以专门的文件方式存储,并由专门的图形软件处理,而属性数据由商业化DBMS管理,其
典型代表是ARC/IN-FO(美国ESRI)。整体GIS的图形和属性均由一扩展的关系型DBMS管理,其典型代表是SICAD/OPE
N(西门子利多富)及System9(美国Unisys)。一体化GIS将图形和属性数据封装在一起,由面向对象的DBMS统一管理,目前
尚无成熟产品。后两者是GIS的发展方向。GIS可以根据若干原则来分类,例如所完成的任务、目的、专业类型、系统功能、用户类型、行政等
级、空间数据模型、数据结构、地理范围和系统操作难易程度等。按照GIS空间数据模型的不同,可以将GIS软件分为栅格、二维拓扑矢量、数
字高程模型(DEM)、不规则三角网(TIN)、三维模型、时序模型等。栅格数据模型在许多产品中都存在,但趋势是更灵活的二维拓扑矢量或
不规则三角网。真正的三维和时序模型还很少使用,但它们是未来的研究方向。另外,图像GIS将遥感图像与GIS矢量分析紧密结合起来,对地
面进行三维立体观察和GIS分析,这也是目前的研究方向之一[9]。不同种类的应用对地理数据的比例和精度要求不一。一般说来,环境管理和
规划中常用的比例尺范围是1B(1万~5万),城市规划和交通规划应用的比例尺可达1B1000甚至更大[10]。1.gis在水土保
持中的应用现状水土保持初设要求先进的技术手段、可行的措施、规范的管理和典型的示范性，为此有大量空间对象的属性数据和空间图形和图像,
如流域地形、土壤侵蚀状况、水保设施布设、水保效益观测体系等,需要形象直观的描述和表达。地理信息系统GIS正是能把数据管理和图形管理
有机结合起来的信息技术,对这些信息的表现具有极大的优越性[2]。通过地理空间分析可以产生常规方法难以得到的分析决策信息,在工作精度
、效率和科学性等方面,要远高于人工;应用地理信息系统进行水保初设,不仅能完成流域内各要素的分析,而且可以将自然发生或思维规划的动态
过程实施于数据模型中,对未来的趋势进行精确预测,从而指导水保工作,提出水保治理最优方案。1.1GIS在水土保持规划中的应用我国利
用GIS进行水土保持规划的实践起步较早，主要内容是应用GIS软件对地形图进行数字化，建立数字高程模型(DigitalE
levationModel)，根据坡度、坡向等情况，建立地理数据库，包括空间数据和属性数据。根据不同的需求，建立相应的模块。利
用GIS技术，不仅可以优化各种水土保持措施配置，而且还能对水土保持措施的实施效果进行数量化分析。冯九梁等在进行山西狼窝沟小流域
水土保持规划时，将遥感解译(ＲS)、GIS和CAD与常规方法相结合，大大提高了规划设计的准确性，并节约了经济成本。基于
GIS软件，排除难以治理、已治理及特殊用地地块，根据用地优先次序选定规划地块。李建民、李昌志等也分别利用GIS进行水土保持规
划和水土保持初步设计。传统的GIS开发平台采用专门设计的开发语言，而且还有很多函数和命令库，水土保持工作人员在掌握运用时有一定
的难度，基于以上原因，周宝书等提出建立水土保持规划信息系统。通过水土保持规划系统，可进行水土保持图形和属性查询，水土保持统计分析，
水土保持利用状况变更，以及图形显示和输出等多种功能。史志华等将地理信息系统和修正通用土壤流失方程(ＲUSLE)结合，进行农地水
土保持规划。利用ＲUSLE预测农地的土壤侵蚀量，根据地块可能产生的土壤侵蚀量，在GIS软件中对其赋予不同的值，以确定不同地块
采取不同措施的优先性。1.2土壤侵蚀危险性评价倪九派等基于AＲC/INFO软件和SPSS软件，运用层次分析法和系统聚类法
，对三合水土保持生态园区进行土壤侵蚀危险性评价。从坡度、土层厚度和植被覆盖度三个因素评价土壤侵蚀。汤丽洁等基于GIS技术和Ｒ
S技术，对巢湖流域地表覆盖、水土保持措施、坡度坡长、土壤可蚀性和降雨侵蚀力5个主要影响水土流失的因子进行分析，并采用修正的通用
土壤侵蚀模型估算土壤侵蚀量，生成水土流失等级分布图，从而完成对巢湖流域水土流失现状和空间分布特征的评估分析，为流域水土流失治理及决
策提供科学参考。张旭群等基于GIS和ＲUSLE对粤东黄冈河流域土壤侵蚀进行评估，分析得出影响土壤侵蚀的主要因素是降雨，显著
因素是地形地貌。曹晓仪等选取风力、植被、气温、降水、地形、土壤等因子，在ArcGIS9．3平台支持下，建立土壤风蚀环境因子数
据库，采用层次分析法构建土壤风蚀危险度评价模型，对榆林市土壤风蚀危险度进行评价。该方法可从宏观上揭示区域风蚀危险度的空间格局特征，
并指出榆林市土壤风蚀危险度空间分异格局呈带状分布，危险度从西北向东南逐渐降低。通过土壤侵蚀危险度评价，可为水土保持规划提供参考，有
利于有针对性地布置水土保持各项措施。1.3土地生态系统水土保持价值评价李晶等基于GIS技术，根据陕北高原的特点，采用无植被覆
盖的潜在土壤侵蚀量来估算各生态系统土壤保持量，并从保护土壤肥力、减少表土损失和减轻泥沙淤积3个方面来评价水土保持的经济效益。通
过研究发现陕西三类不同地貌类型区水土保持价值排序为:南部低山丘陵区大于北部风沙过渡区，中部黄土丘陵区水土保持价值相对最低。高伟等
基于GIS技术，结合实地测量，对安口小流域水土保持的效益进行研究。通过测定流域内土壤的物理性状、土壤的含水量、土壤的渗透性、土
壤粒级、土壤抗蚀性、林分的生长状况以及枯枝落叶的水源涵养功能等多项指标，对该流域的水土保持效益进行评估。1.4开发建设项目水土保持
GIS管理系统姚赫等针对开发建设项目水土保持，提出建设开发建设项目水土保持GIS管理系统，以便建设单位和水行政主管部门全面
、科学、系统地监督、管理开发建设项目水土保持工作。GIS管理系统具体包括水土保持方案、水土保持初步设计及施工图设计、水土保持工程
施工、水土保持监测、水土保持监理、水土保持监督管理、水土保持设施竣工技术评估以及水土保持设施验收评估共8个方面的内容。1.5水
土保持监测分区黄建辉等在传统水土流失分区基础上，应用GIS技术对现有地图和卫星影像解译分析，建立水土流失地学模型，通过ArcG
IS空间分析功能，对重庆市进行水土保持监测分区，为水土保持监测站网提供理论依据。2.gis在水土保持中应用的方向地理信息系统是将
空间数据和属性数据一体化管理、分析的技术系统。随着JAVA、虚拟现实等技术的发展,目前地理信息系统正朝着网络化、分布式、真三维和时
空信息系统方向发展;空间数据和属性数据的一体化管理正逐步实现,这将极大地扩展地理信息系统的应用范围[8]。在水土保持工作中,GIS
技术应用的趋势主要三个方面:2.1建立水土保持基本数据库收集资源环境研究成果图件资料,水土流失与水土保持调查数据以及科学研究数据,
建立水土流失基本数据库,为水土保持管理和研究部门提供信息支持[8,10]。1数据库的信息元:是以水土流失分区系统、数据管理地理网络
系统和流域分区系统为基础,划分基本信息元,构建空间定位基础。o土壤侵蚀背景数据库:是存储影响水土流失的有关环境要素数据。为土壤侵蚀
定量评价和预报,水土保持规划提供数据支持。?土壤侵蚀评价参数库:主要存储土壤侵蚀评价模型中所需要的重要参数,如土壤渗透性、土壤质地
、土壤导水率和作物管理等方面的数据信息。?水土保持知识库:主要存储与水土保持评价规划有关的知识、规则等。2.2建立水土流失与水土保
持监测指标体系以水土流失基本数据库和评价模型系统为基础,以地面监测和RS监测的成果为现实资料依据,研究开发区域水土流失快速调查的技
术系统,实现水土流失的快速调查[4]。2.3建立水土流失评价模型系统由于水土流失环境的特殊和复杂性,水土流失评价模型应有以下特点:
多空间尺度(坡面、小流域、区域);多用途(水土流失评价预报、水土保持效益评价、水土保持规划与设计、灾害性水土流失预警;多形式(物理
过程模型、数理统计模型、土壤侵蚀评价与GIS形成集成模型)。2.4区域水土流失快速调查以水土流失基本数据库和评价模型系统为基础,以
地面监测和RS监测的成果为现实资料依据,研究开发区域水土流失快速调查的技术系统,实现水土流失的快速调查[3]。1水土流失快速调查的
GIS系统:划分不同尺度的水土流失调查评价基本信息元,采集水土流失评价指标和现有调查数据,建立水土流失快速调查的基本GIS数据库、
参数库、模型库和知识库。o评价模型和GIS集成系统:将上述GIS系统和土壤侵蚀评价模型(小流域模型、区域模型)集成,编制各种空间尺度的水土流失专题图,作为区域水土流失评价的基本手段。?空间尺度转换:在GIS支持下,通过评价参数的转换、模型的嵌套和地图比例尺的变换,完成多种水土流失图的空间尺度转换,增加大区域水土流失调查的精度和可信度,为小流域水土保持研究成果和治理经验的推广提供支持。2.5水土保持管理信息系统水土保持管理信息系统是在GIS等现代信息技术的支持下,通过对多种水土流失数据的集成与快速处理,为水土保持决策与科学管理提供信息服务和决策方案的支持,促进水土保持信息化和现代化。系统由数据管理、文献管理、决策支持、规划设计、动态监测信息处理、辅助决策、数据通讯等7个功能系统组成。具有信息服务、水土保持辅助决策、水土保持规划与设计和水土保持信息公告等功能[8]。参考文献： |
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