第10章_环境应用建模

武汉大学遥感信息工程学院时间：星期五:6-7节(13:15-14:00,14:05-14:50)地点：3区2-104第6章空间分析在环境领域的应用建模2主要内容：10.1概述10.2数据模型10.3环境质量评价应用建模10.4环境监测应用建模10.5环境模拟与预测应用建模36.1概述随着全球性环境的日益恶化，环境保护在实现人类可持续发展战略过程中扮演着越来越重要的角色。而环境问题与地理因素紧密相关，通常带有很强的地理或地理分布特征。因此，运用GIS技术有效处理基于环境问题的大量复杂空间信息，将在很大程度上提高环保工作的质量和效率。6.1.1必要性46.1概述GIS空间分析在环境领域的应用建模就是根据环境领域的具体应用，将GIS空间分析方法和环境应用模型相结合，使得GIS技术能够运用在环境领域，发挥其处理大量复杂空间信息的能力，实现环境领域的分析应用，提高模型的精度和易用性。目前，GIS空间分析应用建模已经在环境诸多领域得到了的应用。主要有以下几个方面：1.环境工程管理2.环境质量评价3.环境监测4.环境事故模拟与决策5.环境污染应急与处理6.1.2基本概念56.1.3所需数据GIS空间分析在环境领域的应用建模需要多源、多种类、多时相的数据。主要包括以下数据：1.基础地理信息数据2.社会经济数据3.多源多时相卫星遥感数据4.污染事故历史统计数据5.环境监测数据6.环境工程统计数据7.区域环境矢量数据6.1概述66.1.4所需方法GIS空间分析在环境领域的应用建模需要多种空间分析的方法,主要包括以下方法：1.栅格数据的空间分析方法:包括聚类、聚合分析、信息复合分析、追踪分析、窗口分析、量算分析等；2.矢量数据的空间分析方法：包括包含分析、缓冲区分析、叠置分析、网络分析等；3.三维数据的分析方法：包括三维可视化、三维空间查询、地形分析、阴影分析、水淹分析等；4.空间数据的统计分析方法：包括空间点模式分析、格网或面状数据空间统计分析、空间变异函数、克里金估计、探索性空间分析等。6.1概述7(1)栅格模型：地理空间被划分为规则的小单元，空间位置由栅格单元的行、列号表示。栅格单元的大小反映了数据的分辨率即精度，空间物体由若干个栅格单元隐含描述。(2)矢量模型：各类地理要素根据空间形态特征分为点、线、面三类/（体状空间对象）。地物是显示描述的。空间数据的两种表示模型：6.2.1空间数据表示模型6.2数据模型86.2.2空间数据模型6.2数据模型空间数据模型：是关于GIS中空间数据组织的概念，反映现实世界中的空间实体，及其相互之间的联系，为空间数据组织和空间数据库模式设计提供基本的概念和方法。GIS数据模型的三个层次：概念数据模型逻辑数据模型物理数据模型96.2.2空间数据模型6.2数据模型GIS空间分析在环境领域的应用建模需要的数据模型多种多样，针对环境领域的应用，下面主要讲述应用较多的两种数据模型：时空数据模型:常用在环境监测领域，针对环境状况进行时间序列的监测和变化研究，以便及时发现异常情况。三维空间数据模型：常用在环境事故模拟、应急和决策领域，可视化显示事故发生的地点、污染扩散情况，根据分析结果及时有效做出应急处理，为政府部门提供决策支持。106.2数据模型6.2.3时空数据模型时空数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成（张祖勋等，1996）。时空数据模型是一种有效组织和管理时态地学数据、空间、专题、时间语义完整的地学数据模型，它不仅强调地学对象的空间和专题特征，而且强调这些特征随时间的变化，既时态特征。建立合理、完善、高效的时空数据模型是实现时态GIS的基础和关键。时空数据模型是TGIS和STDB的基础。11时空数据模型的核心问题是研究如何有效地表达、记录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间不断发生的变化。这种时空变化表现为三种可能的形式：属性变化，其空间坐标或位置不变；空间坐标或位置变化，而属性不变，这里空间的坐标或位置变化既可以是单一实体的位置、方向、尺寸、形状等发生变化，也可以是两个以上的空间实体之间的关系发生变化；空间实体或现象的坐标和属性都发生变化。6.2数据模型6.2.3时空数据模型12时空数据模型的主要类型：序列快照模型：将一系列时间片段的快照保存起来，各个切片分别对应不同时刻的状态图层，反映地理现象的时空演化过程。基图修正模型：基态修正模型按事先设定的时间间隔进行采样，它只存储某个时间数据状态(基态)和相对于基态的变化量。空间时间立方体模型：由空间两个维度和一个时间维组成，描述了二维空间沿着第三个时间维演变的过程。空间时间组合体模型：空间分隔成具有相同时空过程的最大的公共时空单元，每个时空对象的变化都将在整个空间内产生一个新的对象。将空间变化和属性变化都映射为空间的变化，是序列快照模型和基态修正模型的折衷模型。6.2数据模型6.2.3时空数据模型136.2数据模型6.2.4三维空间数据模型三维空间数据模型是研究三维空间的几何对象的数据组织、操作方法以及规则约束条件等内容的集合。三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象，是建立三维空间数据库的理论基础。三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现，是客观对象在计算机中的底层表达，是对客观对象进行可视表现的基础。146.2数据模型6.2.4三维空间数据模型156.2数据模型6.2.4三维空间数据模型1.基于镶嵌的数据模型是将三维空间划分成一系列连通但不重叠的几何体素,它可以看成是二维栅格模型的扩展。2.基于矢量的数据模型以物体边界为基础定义和描述几何形体,并能给出完整和显式界面描述的方法。3.分析型数据模型又称参数函数表示法，它可以描述三维空间中的线、面和体目标，其指导思想就是利用有限的空间数据，来寻求一个函数的解析式，用这个解析式来生成新的空间点，用以逼近原有物体。4.基于混合结构的数据模型是将两种或两种以上的数据模型加以综合,形成一种具有一体化结构的数据模型。以适应不同分辨率、不同背景条件、不同应用的要求。三维空间数据模型的类型166.2数据模型6.2.4三维空间数据模型二维GIS：即传统意义上的GIS，只能处理平面X、Y轴上的信息，不能处理铅垂方向Z轴上的信息。2.5维（假三维）GIS：在二维GIS的基础上，考虑了Z轴上的信息，但并未处理，只将其作为附属的属性变量对待。如DEM，虽然赋予了Z轴高程信息，能够表达出表面起伏的地形，但地形下面的信息却不具有。三维GIS：表达考虑多个Z值的出现，能表示多层属性。二维GIS2.5维GIS三维GIS176.3环境质量评价应用建模环境质量：环境系统客观存在的一种本质属性，并能用定性和定量的方法加以描述的环境系统所处的状态。环境始终处于不停的运动和变化之中，作为环境状态表示的环境质量，也是处于不停的运动和变化之中。引起环境质量变化的原因主要有两个方面，一方面是由于人类的生活和生产行为引起环境质量的变化；另一方面是由于自然的原因引起环境质量的变化。环境质量评价：按照一定的评价标准和评价方法对一定区域范围内的环境质量进行说明、评定和预测。6.3.1概述186.3环境质量评价应用建模环境质量评价应用建模是利用利用GIS的空间分析功能，并结合环境质量评价模型，对所有的改、扩、建项目可能产生的环境质量进行预测评价，并提出防止和减缓这种影响的对策与措施。通过应用建模可以综合性地分析环境方面的各种数据，帮助确立环境质量评价模型。在区域环境质量现状评价工作中，可将地理信息系统与大气、土壤、水、噪声等环境要素的监测数据结合在一起，利用GIS软件的空间分析模块，对整个区域的环境质量现状进行客观、全面的评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布情况。如通过叠加分析，可以提取该区域内大气污染布图、噪声分布图；通过缓冲区分析，可显示污染源影响范围等。6.3.1概述196.3环境质量评价应用建模环境质量评价的主要目的是:1.较全面揭示环境质量状况及其变化趋势;2.找出污染治理重点对象;3.为制定环境综合防治方案和城市总体规划及环境规划提供依据;4.研究环境质量与人群健康的关系;5.预测和评价拟建的工业或其他建设项目对周围环境可能产生的影响，即环境影响评价。6.3.2目的和类型206.3环境质量评价应用建模6.3.2目的和类型环境质量评价的类型：按地域范围：局地的、区域的（如城市的）、海洋的和全球的环境质量评价。按环境要素：大气质量评价、水质评价、土壤质量评价等。就某一环境要素的质量进行评价，称为单要素评价。就诸要素综合进行评价，称为综合质量评价。按时间因素：环境回顾评价、环境现状评价和环境影响评价。按参数选择：卫生学参数、生态学参数、地球化学参数、污染物参数、经济学参数、美学参数、热力学参数等质量评价。216.3环境质量评价应用建模环境质量评价按环境要素可分为：大气环境质量评价水环境质量评价土壤环境质量评价噪声环境评价等下面以土壤环境质量评价为例来叙述GIS空间分析在环境质量评价的应用建模过程6.3.2目的和类型226.3环境质量评价应用建模土壤不仅是一种有限的资源，作为地理环境的组成部分，也对人类生存和发展乃至地球上众多生命形态的生存繁衍有着重要的作用。土壤环境就是地球生态系统中能够生长植物、具有一定环境容量及动态环境过程地表疏松层连续体构成的环境。6.3.3土壤环境质量评价（1）基本概念土壤环境与地球表层环境以及生物健康和人类健康均有重大关系。因此，科学评价土壤环境具有重大意义，它不仅关系到我国的可持续发展战略，而且还可以为土地、环境等部门提供合理保护与利用土壤资源的依据。236.3环境质量评价应用建模所用数据：采用的是根据土壤环境质量标准、国家标准以及一些经典方法采集的土壤样品，并利用GPS进行精确定位。所用方法：土壤环境评价方法主要用到四种方法：层次分析法：确定土壤评价指标的权重模糊数学法：获得土壤养分分布图空间内插：获得连续的土壤空间分布图栅格分析方法：获得土壤立地条件分布图6.3.3土壤环境质量评价（2）数据和方法246.3环境质量评价应用建模土壤环境作为一个环境体系，不仅有它的内部功能属性，更有它的外部特征。土壤环境质量评价的流程如图所示：6.3.3土壤环境质量评价（3）建模流程土壤环境评价流程图25从影响土壤环境内部功能及外部属性出发，确定评价因子及影响各因子的具体指标，并利用层次分析法确定各指标的权重，评价因子表如下表所示：6.3环境质量评价应用建模6.3.3土壤环境质量评价266.3环境质量评价应用建模6.3.3土壤环境质量评价数据采集采用公里网格法，即将研究区按公里网划分为若干单元，进行土壤样品采集的同时，利用GPS进行精确定位。土壤采样点位图采用ArcGIS作为支持软件，把采样点GPS数据导入ArcGIS，经过坐标和投影信息的变换，形成土壤采样点位图土壤环境评价单元的确定由于采样点多而均匀，将研究区域划成一定数量的栅格，每个栅格作为一个评价单元，栅格大小为30m*30m。（4）具体操作过程276.3环境质量评价应用建模6.3.3土壤环境质量评价（4）具体操作过程评价等级图的绘制对离散的采样点进行插值得到连续的空间分布图。采用逆距离加权法进行插值，然后根据相应的标准进行等级划分。土壤养分与土壤污染状况对采样点的土壤养分进行模糊数学评价，对得到的综合指数和土壤污染的内梅罗综合指数进行统计。土壤环境质量综合评价利用ArcGIS的空间分析模块对各评价因子的评价指标图进行叠加，并用“加权指数求和法”对各个栅格进行计算，然后计算每个质量等级的土壤面积。286.3环境质量评价应用建模6.3.3土壤环境质量评价（5）评价结果从图2可以看出，研究区土壤养分状况整体较好，土壤养分综合指数位于90以上的点占大多数，土壤养分综合指数位于80-90之间的采样点数和小于80的采样点数大致相等。由图3可见，研究区整体土壤污染指数不高，绝大部分采样点的土壤污染指数小于0.7，土壤污染指数在0.7-1.0之间表示警戒区域的点较少，占总数的10%，处于轻污