文章编号：1008-181X (2000) 04-0259-04
林年丰，汤洁
（吉林大学环境与建设工程学院，吉林 长春 130026）
摘要：21世纪全球环境问题将更加突出，环境地学应为研究、解决环境问题做出更多的贡献。但是，环境地学研究所采用的方法和手段还不能满足客观的需要。文章着重讨论了环境模拟系统（Environmental Imitation System， EIS）的建立及EIS与地理信息系统（Geographical Information System，GIS）的耦合等问题。作者通过研究，认为上述问题已基本得到解决，从而可以弥补GIS中环境模拟功能的不足，可使EIS纳入GIS的信息空间管理系统，进行信息空间管理、应用分析和信息叠加，并使信息可视化。文章最后指出，目前，可建立GIS-EIS联合系统，以实现信息互换和信息资源的二次开发、利用。 关键词：环境地学；GIS；EIS；耦合技术；可视化；信息资源；开发与利用
中图分类号：X14 文献标识码：A
The Effect and Signification of GIS and EIS on the Research of
Environmental Geology
LIN Nian-feng，TANG Jie
( College of environment and construction engineering, Jilin University, Changchun 130026, China )
Abstract: Environmental problems will be more serious in the world in the 21st century, so environmental geology should make more contribution to study and resolving of these problems. However, the methods and instruments that are used on environmental geology do not satisfy external need. This paper discusses some problems about establishing EIS (Environmental Imitation System) and coupling GIS (Geographical Information System) with EIS. Through research, the authors suggest that these problems have been resolved basically. The coupling technology could remedy some defects of the function of environmental imitation in GIS and make EIS into space manag
ement system of information in which space information are managed, appliance analyzed and spliced, and made videotex. In the end, the paper indicates that co-system of GIS and EIS can be established to accomplish interchange, second developing and using of information.
Key word: environmental geology; GIS; EIS; coupling technology; videotex; information resource; developing and using
21世纪全球环境问题将更加突出，环境地学在研究、解决环境方面的问题将承担着愈来愈大的责任。因此，加强环境地学工作，提高研究水平具有重要的意义。
环境地学通常是指那些直接与人类生存环境有关的地质学、地理学、土壤学等相关学科，它们都属于地球科学的范畴。以往的环境地学研究定性的多，定量的少；单因素的多，复因素的少；静态的多，动态的少；实际的多，虚拟的少；传统方法多，高新技术少。虽然，近年来在研究方法和技术方面有了较大的改进，但是，与现实的需要还有较大的差距。
环境地学中的环境要素和环境信息具有系统性、交叉性、综合性、时空性和多变性等特点，传统的研究方法不利于对丰富的信息资源进行开发、利用。广泛应用高新技术是环境地学发展的必然趋势。这里所指的高新技术就是地理信息系统（湖北日报GIS）、环境模拟系统（EIS）及其耦合技术。
1 GIS与环境地学研究
GIS是管理空间数据的计算机系统，它可进行数据输入、存储、检索、运算、分析、显示和输出，它的主要功能是制图、检索和查询。最早的GIS是为支持土地利用、规划和决策而设计的。世界上第一个GIS产生于加拿大，1963年开始研制，1971年运转。在70年代，美国田纳西流域管理局首先将GIS应用于水文学及水资源管理。80年代，GIS在该领域内得到了较广泛的应用［1］。
长期以来，研究者们对GIS进行了不断地改进，他们以计算机技术为基础，结合环境、系统工程、经济管理等学科的知识，形成了跨学科的技术系统。改进了的GIS可对资源与环境等方面内容进行综合评价、管理、分析和决策。目前，在国外和国内GIS已被广泛应用于气象、水文学及水资源、国土资源调查与管理、农业估产、病虫害监测、水土流失、沙
漠化调查、盐渍化调查、环境污染监测（含赤潮）以及地质构造、矿产资源调查等方面。李勇等[2]应用GIS对土地利用的适宜性进行过评价。作者3在生态环境与荒漠化的研究中应用了GIS、RS技术，因而大大地提高了科研成果的水平和应用价值。
生态环境恶化与荒漠化已影响到人类的生存，引起了国际上的关注，它已被列入全球变化研究计划中。由于GIS具有强大的信息空间管理和分析功能，它已成为研究全球变化的一个重要手段。1990年美国全球变化研究计划（USGCRP）提出了以下的研究内容：地球观测与信息管理；全球变化过程研究；环境模拟和预测评估。其中环境模拟的优先学科是气候与水文系统；生物地球化学动力学和生态系统及其动力学。开展上述研究需要将模拟过程与GIS技术相结合，需要交叉学科的知识和技术，因而具有较大的难度，即使在美国，能开展这项研究的机构也是不多的4。
GIS虽然有了不少改进，但仍然存在某些不足之处。例如，缺乏多方面的分析、评价、预测和决策功能；由于数据编码和格式化不标准、不规范，信息不能互换，成果不能共享；缺少信息采集和更新的自动化功能。因此限制了GIS的推广和应用。当今环境科学的发展要求GIS不仅具有信息空间管理、分析的功能，在其内部还要有建模和模拟的功能。要满
足上述要求，需要将GIS技术、EIS技术和跨学科的知识和技术三者进行完美的结合。但这一目标不是在近期内所能实现的。
此外，我们必需强调的是遥感技术（RS），它具有观测范围广、速度快、获取信息量大、适时性好、动态性强等特点，它是GIS主要的信息源。在GIS、RS、GPS技术的结合下，对于全球环境变化研究和环境地学研究特别重要。
2 环境地学的发展需要环境模拟技术
在环境地学的研究过程中人们往往要对环境的特征、性质、状态和质量等进行客观地描述，这就需要进行环境质量评价，然而，环境质量评价仅能反映某一时刻的环境状况。当人们需要了解未来的环境状况时，要进行环境预测，这样便相应地出现了各种预测模型。在研究生态环境与荒漠化关系时，我们不仅要进行环境评价及预测，而且还要了解生态环境恶化的“允许”极限，并为其发出预警信号。因此，需要借助于预警模型来实现这一目标。 人们往往采用物理的、化学的方法对某一客观事物和现象进行模拟实验，在此基础上建立
相应的数学模型，以揭示事物运动的过程和规律。在有些情况下人们需要以客观事物为基础，去虚拟事物的某些状态和运动过程，并判断实现这一结果的可能性和真实性。要达到这一目的，需要运用仿真模型。简单地说，模拟模型是使具体的事物抽象化，而仿真模型是使抽象事物具体化。
在环境地学研究中往往要进行多目标规划和方案优化决策，因此，经常借助于线性、非线性规划模型、动态规划模型和层次分析（AHP）、人工神经网络（ANN）等决策模型等来进行解决［5］。我们将环境评价、预测、预警、模拟、仿真、规划和决策等方法有机地结合起来，组成一个环境模拟系统，将其纳入模型库，或制成模型软件包，以满足环境地学研究中的各种需要，从对单一使用模型的现象中解脱出来。
环境模拟系统（杭州九峰垃圾焚烧厂EIS）中所含盖的信息大多数都具有时空属性，但是它们仍属于非空间信息。如果将EIS中的信息纳入GIS的空间管理系统，进行空间管理、应用分析和要素叠加，便可产生新的信息源。对丰富的信息进行深层次地开发，可深入认识、揭示环境特征和要素的运动规律，并实现信息的可视化。这将会大大提高环境地学研究的理论水平及其成果的应用价值。这是传统的研究方法所不能及的。
3 GIS与EIS的耦合技术
从理论上说，人们可以建立一个功能强大的GIS，它既有信息空间管理和分析的功能，又具有强大的环境模拟的功能。然而，要实现这一目标是极其困难的。因为，必须将GIS季诺维也夫技术、EIS技术与交叉学科的知识和技术相结合，而且，还要克服理论上、技术上和操作上的某些困难。
自90年代以来，研究者们在对GIS与环境模型的结合方面进行了一些探索。1991年在美国科罗拉多州的摩尔德召开了首次GIS和环境模型结合技术的研讨会，与会者进行了讨论、交流，强调发展GIS与环境模型结合技术的重要性。Baller等（1991）和Stutheit（1991）介绍了IBM公司与科罗拉多大学联合研制的一个时间地理信息系统，借助于该系统可将商业化的GIS软件包与生态和大气模型相连接。Maidment(1993)提出了水文模型与GIS相结合的实例5。1998金山毒霸6年赵玲等［6］介绍了在GIS支持下的模型连接功能，利用ArcView所提供的Script宏语言，将模型统计数据与空间数据联为一体，实现了模型的连接。
近年来，我们在吉林西部平原开展的生态地质环境与荒漠化的研究中，在GIS与EIS的耦合技术方面进行了一些探索。我们采用的地理信息系统是由中国地质大学信息工程学院专家
们所开发的MAPGIS，它在国土资源部下属有关单位被广泛应用。实践表明MAPGIS具有非常优秀的2－3维模型的编辑和制图功能，应用MAPGIS可以绘制出各种精良的图件；还可将MAPGIS与Arc/Infor接口，进行文件转换，以满足国际通用的要求。
水质数据
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形成Foxpro石家庄化工厂爆炸文件
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人工神经网络模型评价
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将评价结果形成Foxpro文件
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连接MAPGIS点文件
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信息提取、形成2DM文件
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绘制图件
图1 人工神经网络模型与MAPGIS 耦合技术流程
MAPGIS如其它的GIS一样具有数据输入、存储、编辑、查询、检索、运算、分析、制图、数据显示和输出等功能。此外，还可进行数据扩充和更新。但是，它对于经应用分析、要素叠加后所产生的新信息源，缺乏环境模拟功能。针对上述情况，我们首先进行了水质评价模型与MAPGIS的耦合。我们采用人工神经网络模型对吉林西部平原的水质进行评价［7］，把原始采样数据建成Foxpro文件，通过神经网络模型进行计算，形成Foxpro文件。然后将该文件与MAPGIS采样点空间分布文件相连接，这样便可将评价结果直接输入到MAPGIS中。MAPGIS便可自动提取评价结果信息，形成2DM文件8，在此基础上绘制出水质评价结果空间分布图。人工神经网络评价模型与MAPGIS扭矩表耦合技术流程如图1所示。
4 GIS－EIS联合系统的建立及应用
基于上述研究，我们可以采用模块组合方法全面实现EIS 与MAPGIS的耦合。首先建立起EIS模块、MAPGIS模块和耦合模块，以实现模块组合。MAPGIS本身就是一个独立的巨型模块，我们需要建立的是环境模拟模块，它可以模型库或模型软件包的形式存在。该模块应包括各种不同种类的模型，它们具有多方面的功能，可对环境地学研究中有关的评价、预测、预警、模拟、仿真、规划和决策等方面的内容进行计算，并将计算结果的数据文件输出。借助于耦合模块，以共享文件、超级连接或公共界面的形式将数据文件输入到MAPGIS中去。耦合模块主要体现一种耦合的功能，可通过Foxpro文件与MAPGIS中的点文件相连接，而实现耦合。亦可通过FORTRAN语言、C 语言文件与ArcView所提供的宏语言Script语言模型的连接，使统计数据与空间数据联为一体，从而实现环境模拟模型与GIS的耦合。输入到MAPGIS中的数据参与信息的空间管理和分析，形成新的信息源，通过模型模块和制图模块形成数字文件和图形文件，最后输出。这样便实现了环境模拟信息的空间管理、应用分析及可视化。GIS模块、EIS模块、耦合模块的结构及耦合技术流程见图2。
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