gis在水土保持中的应用

地理信息系统( Geographic Information System)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

1.1 GIS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]。GIS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ARCVIEW、ERDAS的IMAGINE、USARMY的GRASS等。在我国应用较广的为美国环境研究公司(Environmental Systems Research Institute, Inc.)开发的ARC/INFO(用于UNIX)、PC ARC/INFO(用于DOS)和AR-CVIEW(用于Windows 3.X、Windows 95和WindowsNT)。

1.2 GIS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AUTOCAD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]。

1.3 GIS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/OPEN(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1B1 000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。

1.1 GIS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( Digital Elevation Model) ，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ＲS 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