3S与在线监测技术在环境模型研究中的应用

生态环境2003,12(2):[e-mail]作者简介：崔侠（1963－），男，博士，高级工程师，目前从事环境评价、环境规划和环境信息方面的研究收稿日期：2002-12-233S与在线监测技术在环境模型研究中的应用崔侠1，孙群1，何江华21：广州市环境保护科学研究所，广东广州510620；2：广东省生态环境与土壤研究所，广东广州510650摘要：结合环境信息系统的研究现状和研究实例，首先分析了3S和在线监测技术与环境模型研究结合的必要性，并分析指出了3S、在线监测技术在环境模型研究中潜在的应用范围，然后剖析了3S技术与环境模型研究结合的三阶水平，最后介绍了3S在环境规划模型研究中的理想结合框架。关键词：地理信息系统；环境模型；遥感；环境规划；环境决策支持系统中图分类号：X83文献标识码：A文章编号：1672-2175（2003）02-0224-0413S与环境模型研究结合的重要性环境模型是环境学研究中较为重要的一个领域，是进行环境预测和环境规划的有力手段。由于许多环境问题和环境过程都具有空间分布特性、非线性、随机性以及随时间变化的特性，因此环境模型大都比较复杂，地理信息系统(GIS)和遥感（RS）是用来对地理数据及相关数据进行采集、存储管理、分析处理与显示输出的计算机技术系统。在GIS中，基本概念是空间位置、空间分布和空间关系，而基本研究对象是被抽象成点、线、面的空间实体及其相关属性。与之相对应，在RS和环境模型中，基本概念是物质、能量及其运动转化，而基本研究对象是诸如水、大气、土壤、人口等明显具有空间分布特性的环境要素。3S和环境模型在概念和研究对象上具有相似性、互补性，这使得二者的结合是自然、合理又具有潜力的。为了使环境模型对各种环境问题和环境过程的描述具有实时性和动态性，实时监测数据和实时的物理数据（如实时气象数据、实时水文数据等）是不可缺少的。广州市环境信息系统中的环境模型如下：（1）珠江广州市河段一维水质模型；（2）珠江广州市河段二维水质模型；（3）AirQUIS（环境空气质量模型）；（4）CALINE4（交通线路空气污染预测模型）；（5）光化学烟雾模型；（6）细粒子源解析受体模式；（7）)环境噪声模型；（8）水环境质量统计模型；（9）大气环境质量统计模型。这些模型一般用Fortran语言或C语言编程，要求系统留有接口，可以根据需要可随时增加或更新其他环境模型，这些模型可以以任何常用高级语言编成，其计算结果将由3S表现。选用的环境模型要求是环境保护部门经常使用的，大部分是经过简化的实用模型，其结果可以满足实际工作需要而计算时间能够满足快速决策的要求。3S、在线监测技术和环境模型的有机结合将使二者相得益彰。一方面，由于3S越来越多地应用于环境模型研究，其三维显示、空间统计分析功能、空间模拟功能定会大大加强；另一方面，3S和在线监测技术的介入会使各种环境问题和环境过程描述更加符合实际，环境模型的检验、校正更加容易，而且3S的空间表现能力会使环境模型的视觉效果有质的飞跃，在环境评价与环境决策支持时可以得到以前所得不到的结果：友好的用户界面、完全的数据共享、方便的空间分析操作、直观的结果显示会让用户更专注于应用问题，提高环境模型的运行效率。23S与在线监测技术在环境模型研究中的主要应用范围（1）主要数据源功能在线监测技术能为环境模型提供大量的实时数据，而遥感作为一种全新的信息获取手段，近年来已广泛应用于环境研究的各个方面。如利用NOAA卫星影象进行气象预报和农作物估产，利用TM、SPOT影象进行热污染研究、泥沙研究、土地利用变化研究，利用航空象片进行城市环境研究。另外，在环境监测和环境控制时，许多环境参数都具有确定的边界，可以用矢量数据来表示。但是在环境模型研究中，环境参数经常是催侠等：3S与在线监测技术在环境模型研究中的应用225连续的，并不具有确定的边界，如污染物的扩散、某种环境因子的影响范围等，这时用栅格数据就更合适。也就是说，环境模型在利用矢量数据、统计数据的同时，必须利用栅格数据。因此，在线监测技术和遥感必将作为主要数据源而广泛应用于环境模型研究中。（2）数据的前期处理绝大部分GIS和RS系统都有强大的数据采集功能，并支持多种格式的输入输出，而且这些输入输出都采用严格的分类标准。另外，GIS还能实现空间数据的多种投影转换以及数据的重采样。在环境模型研究中，GIS可以作为复杂的环境模型的输入数据集成器。利用GIS不仅可以采集、管理海量的环境数据，并能将这些数据按模型的需要以不同比例尺、不同精度、不同投影方式、不同格式反馈给环境模型。（3）模型开发GIS具有很强的空间分析功能，如邻域分析、叠加分析等，这使得环境模型中的一些空间分析操作简单易行。大多数GIS系统都具有高级应用系统开发语言，象Arc/InfoPC版的SML和Arc/InfoUNIX版的AML，Maplnfo的MapBasic，ArcView的Avenue以及GenaMaP的Genius等。模型开发者可以利用系统开发语言建立环境应用模型的输入和输出，调用环境模型并使环境模型运行于GIS内部，实现3S和环境模型的整体集成。（4）数据的后期处理和结果的显示输出3S能对环境模型运算输出数据进行综合处理，如合理性检验、模型校正以及各类统计分析。GIS包含空间实体的拓扑关系并允许空间实体拥有多重属性，所以可以结合模型运算结果进行有关的空间查询和属性查询。另外，3S支持图形、图象、数据、报表等多种显示输出，这也能在很大程度上丰富环境应用模型。（5）环境模型三维化(3D)环境模型不可避免地涉及到土地利用、土壤类型、地形等具有空间特性的环境要素。因此许多环境模型也明显具有二维、三维空间特性，如大气质量模型、地下水扩散模型、噪声传播模型等。因此，应用环境模型在考虑时间变化的同时，必须三维化。在这里，三维化包括环境参数的描述三维化、环境过程的模拟三维化和环境模型运算结果的显示三维化。（6）由解决具体的环境问题到环境决策支持系统(DSS)的建立，并以此作为出发点和最终目的。但随着环境问题的越来越突出，环境管理、环境预测、环境规划等环境决策工作比环境治理显得更重要。将GIS、RS、在线监测数据库与环境模型的结合构成环境决策支持系统(DSS)，这种环境决策支持系统框架可以说是GIS、RS、在线监测数据库与环境模型结合的理想模式。在这种结合模式中，RS为环境模型提供可靠、准确、快速的数据源，在线监测数据库为环境模型提供丰富的实时数据，而GIS除了模型数据的输入输出外，还为系统各部分的有机结合提供方便的环境。33S与环境模型的结合水平就结合方式和数据交换形式而言，3S和环境模型研究有3种水平上的结合：第l阶水平：3S和环境模型分属2个独立的系统并分别拥有自己的用户界面。二者的结合仅仅体现在3S能为环境模型提供一定的输人数据，而环境模型运算后的输出结果又能被3S用来处理或显示。其数据交换停留在文件交换的水平上（图1）。第2阶水平：3S和环境模型分属2个系统但拥有共同的用户界面，用户界面主要用来管理2个系统的公共数据和进行文件交换。这种结合方式降低了2个独立系统间文件交换的繁琐和出错率（图2）。第3阶水平：3S和环境模型的整体集成，二者拥有共同的用户界面并实现数据共享。在该水平上，环境模型作为分析功能的一部分并借助于GIS的开发语言运行于GIS内部。由GIS管理环境模型所需的空间数据和属性数据并对模型运算结果进行分析处理和显示。3S和环境模型的有机结合如图3所示。环境信息系统不仅要求所用GIS工具软件具有开放性，而且要求环境模型开发者具有良好的3S知识。我们必须充分利用高级开发语言将GIS处理图13S和环境模型结合的第l阶水平图23S和环境模型结合的第2阶水平3S文件交换与公共数据管理环境模型共同用户界面3S用户界面文件交换环境模型用户界面226生态环境第12卷第2期（2003年5月）空间数据能力和环境模型结合到一起，使之构成环境污染预测应用模型。在3S与环境模型结合的应用研究中，GIS首先处理相应的遥感数据和数据库数据并进行环境模型所需的前期数据处理，模型运算输出结果经过GIS后期处理以GIS可以接受的格式传递给GIS分析模块，这些模块进行模型初始数据校正、模型输出结果分析及制图等操作。环境信息系统要求3S和环境模型结合的第2阶水平以上。环境模型一般采用相对坐标（大气模型、海洋水质模型、噪声模型等）和自然坐标（河流水质模型、地下水水质模型；X轴指向水流方向），而3S的坐标一般为地理坐标，坐标的转换往往是3S与环境模型结合的关键。4线性规划模型与3S的集成环境规划是环境管理的重要组成部分，其工作流程见图4。在环境规划中经常需要用预测方法（线性回归方法、投入-产出法、直接系数法、模糊（灰色）预测法、皮尔生长曲线法等）、环境模拟方法（环境模型）、空间分析方法和数学规划方法（线性规划模型、非线性规划模型、动态规划模型）进行工作。污染负荷分配到源时污染物排放总量控制的基本原则。合理地确定各个污染源（包括虚拟污染源）的允许排放量是污染排放总量控制的关键所在，数学规划方法是从系统观点出发，根据污染源空间格局和排放强度，结合自然条件以及污染治理的技术经济水平，求出整体优化的具有环境经济效益的排污负荷分配方案。数学规划方法中的线性规划模型是最常用模型，线性规划模型可以以污染源污染物排放量最大（或削减总量最小）为目标函数，最大限度地利用环境容量，在保证功能区环境质量达标的前提下，求出各污染源（可以包括虚拟污染源）的整体优化允许排放量。线性规划的主要目的就是优化（最大或最小）一个目标函数，同时满足一组约束条件，并且函数的约束条件都必须是线性的（非线性规划的约束条件不是线性的）。线性规划是一个数学优化方法，它不是一个空间技术方法，因为它没有考虑决策变量的空间因素。然而，它可以通过与GIS技术结合处理空间问题。线性规划模型的决策变量为S(xi,yi)是在坐标(xi,yi)排污口的污染物单位时间排放量。目标函数为：Zmax=∑S(xi,yi)图4环境规划流程图图33S和环境模型结合的第3阶水平污染源现状调查环境影响评价污染源发展趋势预测规划目标污染负荷削减量的确定综合整治规划方案环境效益分析经济承受能力分析决策可行的规划方案管理与政策支持综合治理技术途径DSS用户界面3S环境模型数据共享催侠等：3S与在线监测技术在环境模型研究中的应用227约束条件为功能区的环境质量目标。这些环境质量目标要根据环境功能区划制定，城市的环境质量目标依据环境功能区的不同而不同，即存在着空间差异，根据污染物的输运特性和扩散特性，响应系数（由环境模型给出）最大值区域（即纳污能力最差的区域）达到了环境控制目标值，则功能区中其它的区域也就可以达到环境质量目标值。这样，我们首先选择各环境功能区中整体响应系数峰值区域，即纳污能力最差的区域为环境质量目标控制区域；其次，在环境质量目标控制区域内，选取若干个环境质量目标控制点，将这些值所在的点作为环境质量目标控制点，这些环境质量目标控制点上的环境质量目标即为约束条件。设Cf为F环境功能区的环境质量目标的污染物允许浓度值；设Fj(xj,yj)为F环境功能区的环境质量目标控制点；Pij为第i个排污口(xj,yj)在Fj(xj,yj)点上的响应系数，则有约束条件：∑PijS(xi,yi)≤Cf。这样利用3S可以为线性规划模型获取数据，其主要程序为：1）将每个排污口的响应系数场进行叠加，形成整体响应系数场图层；2）将城市环境功能区划图层与整体响应系数图层叠加；3）利用GIS软件的统计功能，找出各环境功能区的响应系数峰值区域，在峰值区域内从响应系数最大值到最小值，依次选取具有代表性的点作为环境质量控制目标点；4）根据各环境功能区的环境质量控制目标点生成一个点的图层；5）将这个点图层与每个排污口的响应系数图层叠加，以获取每个环境质量目