基于遥感和地理信息系统的面源信息系统及初步应用.pdf

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1、简寸及第?卷增刊!年月科考五叙基于遥感和地理信息系统的面源信息系统及初步应用王云鹏#中国科学院广州地球化学研究所,广州?!%?&()+,./0 1230+0 44/5摘要利用遥感和6 78#地理信息系统5技 术建立面源信 息系统#/&/一2&+/9:&;=4+/&?8 78 5,并以深圳为例介绍了基于遥感和67 8的?8+:的建立方法以遥感土地利用图像为环境单元,通过面源模 型参数将面源模型与面源信息系统结合起来,建立 了基于面源信息系统 的分析计算模块,并进行了初步的面源计算与分 析关键词遥感67 8面源 信息系统面源污染#又称非点源污染5,是指特定区域的污染物#溶解的或固体 的5在降水或径

2、 流溶解或冲刷作用 下,通过径流进入江河而造成的水体污染研究表明面 源 所造成的污染远大于其他污染源,对区域环境和人类健康危害极大由于其起源复杂、类型繁多,形 成过程受区域地理条件、气候条件、土壤类型与结构,水文条件与植被覆盖类型等多种 因素影 响,具有随机性、广泛性、滞后性、模糊性和潜伏性的特点,研究控制难度很大,有两个因素影响着面源计算的准确性及对面源管理和控制#5准确而及时的土地利用信息这是由于面 源是发 生在特定土地利 用区域内的 污染#5准确而适当的面 源计算变量这是因为影 响面 源 的因素非常多,在面源计算时都要抽象为相应的变量我 国土地利 用数据主要是来 自各部门的统计数据,不仅

3、准确性低,而且更新速度慢,不能满足面 源 的准确快速计算,因此必须探索新的土地 利用信息计算方法另外面源变量都具有非常强 的空 间特性,而传统面源计算时这些变量多划分为特定时 空 间段的数值,不能准确地反映其时 空分布特性,因此也需要能准确反 映面 源空 间 变量时 空特性,具有统一结构和 功能的 面源计算和管理工具遥感技术近年来取得了迅猛的发展,由于遥感器分辨率的增 加和计算机图像处理技术的提高,已可以获得准确实时的土地利 用信息 ,?6,:是获取、存储、检索、分析和显示空 间数据的计算机化数据库系统作为一种新型空 间数据库管理系统,6 78具有很强 的空 间分析功能,近年来已广泛应用 于资

4、源环境的各个领域?,%国外在利用6,:进行面源管理和计算方面已进行了一些探索一。,但还没有利用6 78建立完 整 的区域或流域面源信息 系统的应用 实例鉴于上述,本文尝试利用遥感和67 8技术建立?8+:,以深圳 为例介绍 了基于遥感和6 78的?8 78建立方法,并进行了初步的面源计算与分析?878的建立方法?8 78是建立在6 78基础之上的 为获取、存储、检索、分析与显示与面源 相关的空 间数据的计算机化数据库系统系统包含三部分即 面源6 78数据库#包括面源信息收集、图形数字化与属性描述5、数据库管理模块和系统分析模块#通过参数与面 源模型相结合具有计算与模拟 功能5%科考立叙第?卷增

5、刊!年月简手及面源信息的收集面源污染涉及到许多 因素,应广泛收集信息为了建立充分反映其时空特征的 面源信息系统,在收集资料时 突 出了以下几个方面#5分面源类型收集信息在深圳市建立了两类型面源数据库,包含了该地区两类型面 源污染,即农业型和城市型 面源数据库这是因为 不同类型面 源 的影响 因素各不相同分类设计数据库便于管理和应用#5注意与面 源模型 的结合面源模型侧重于对面源过程描述、模拟和计算,算法简炼,但对面 源空 间数据的操作尤其是结果显示仍显薄弱,而空间分析和空 间数据管理正是6 78的优势但6 78在直接解决复杂的面源问题,如过程描述、时空模拟与运算时,其简单的布尔代数或逻辑运算很

6、难表达这些复杂 的特征,而模型 可以对此简洁处理因此将二者有机地结合起来,建立基于6 78的面源模型,将使二者相得益彰既可以使6+:免受复杂算法的困扰,充分发挥其空 间数据管理、分析、显示 功能,又可以为面源模型提供一套基于67 8的逻辑原理和空间操作规范通过6+:管理面源模型的各种参数,使得面 源模型除了传统的计算与数值模拟功 能外,更能够直观形象地反 映具有空间特性的面源对象的移动、扩散、时空动态变化及相互作用#5做到与遥感数据的结合在面源模型中以最新遥感数据所反映的 土地利用类型作为环境计算单元但传统面 源模型 中多采用反映环境单元边界的矢量数据遥感数据为栅格数据,很难为其直接使用而6

7、78系统具有 同时处理栅格数据与矢量数据的功能,为遥感信息 与 面源模型的结合提供了便利条件 图形数字化与属性描述主要包括图形的数字化,图征的位置信息,属性的输入,图形与属性统一以及位相关系的建立?:,:通过6,:数据模型规划、储存和管理面源数字地图以图层#=&4和注解/&9 9+&/5达到空间匹配和配准每一个图层 由许多图征#=&4 04 4 9;4 5所构成,基本的 图征包括点、线段和多边形等,以表示空间上的点、线、区域等特征每个图征包括位置及属性两部分信息位置资料为通过数字化仪或扫描仪输入的 坐标对#,力,用来表示该图征的 明确坐标位置属性资料用来描述图征的特征,反映图征所代表特征或具有

8、的特殊性质,包括点属性资料#?5、线属性资料#5和多边形属性资料#?5属性资料表在6+:中以关系型数据库形式储存,并通过接口程序与67 8连接位置资料和属性资料通过特征识别码#4 9;?:,:中利用6,:功能也定义了一些位相关系#9&?&,&01 5,将点、线、多边形图征间的空 间关系结构化,主要包括#,5多边形的定义#5多边形的空 间关系#5线段的连接性数据库功能模块的设计我们设计了一些67 8型 面源数据库维护管理的功能模块包括输人#图形数字化,属性录人,交互式输人5,更新和交互式修改,显示#图形和 属性5、查询#以图形和属性为条件5、分析#也集成在系统中5、输出#屏幕打印,文件交换5系统

9、能跨平 台#和&:.+/&.:5工作,6,:设计成服务器客户机#8 4 4 ,+4/9 5模式,支持网络用户操作以=7/&为主要6 78软件,但系统可以输出其他格式的67 8数据%?简手反第?卷增刊!年月科考五叙?分析模块的设计6+:具有非常强 的空 间分析功能,但这些功能主要适用 于标准67 8数据,而大多数面源模型所处理的数据及结果并不是标准的67 8数据格式,因此管理与处理各种面源模型 的数据是面源信息系统的主要功能借助67 8的开发工具设计一些面源 的模拟和计算模块,使面 源模型直接建立在67 8基础之上但6,:开发工具主要是针对空 间数据处理的,在一些较为复杂 的模型设计时功能还是不

10、够,因此分析模块还要用其他程序设计语言设计,主要集中在实现6 78与面源模型 的接口、67 8与面源模型的参数交换,以及67 8对面源模型分析结果的后期处理与显示等几个方面?与面源模型的结合方法国 内外的 面源模型很多,结合深圳 的区域特征,选择了个#,5广泛用以研究土壤侵蚀的通用 土壤流失方程#;:(,。/+4?:,0+=;,9;,/&/一2&+/9:&;4 42&,;9+&/)&4,5#5用以研究城 市面 源的暴 雨水 管 理模型#8,:9&).94?878 5的总体结构与初步应用8?8 78的总体结构如图可以看出面源信息系统利用67 8技术统一集成,具有 统一 的用户界面用户不对原始基础

11、资料进行操作,通过调 用数据库管理模块完成资料的录人,数据遥遥遥遥遥遥遥遥感数据据据面源模型型基基础资料料料料料料料料料料料料料料面面源信息6,:空间数据库库系系统用户界面面图深圳市面源信息系统总体结构构图%?科考五叙第?卷 增刊!年月简手反采集及图形数字化用 户对遥感数据的处理也是通过系统的栅格一矢量数据的转换功能来实现的,如将栅格格式的遥感土地利用 图转化 为可供面 源模型调 用 的矢量格式的环境计算单元用 户也不对面 源模型直接操作,通过调 用 系统分析模块完成面 源计算与分析,面 源模型参数通过系统分析模块直接从面源信息67 8空 间数据库 中提取,其计算结果也同样返回面 源信息空 间

12、数据库用户对面源信息数据、遥感信息数据及面源模型计算结果的管理是通过对面源信息 空 间数据库的直接操作来进行,包括查询、修改、输出和交换土地利用的分类是明确在这些小区域或地区单元中的主要土地活动,虽 然某一种 土 地利用类型内部并不绝对均 匀,面 源 的承载与负荷也存在一定的差 异,甚至一些强烈影 响 面 源 的因素#如降水5与土地利用基本无关,但是大多数影响面 源产生 的因素还是与土地利 用 有 着密切的关系实践证明,建立 面 源污染负荷与土地利用之间的关系或某种“概率模型”是一种简单实用的方法,可以快速确定高 污染 源区,但考虑 到 面源 影 响因素的复 杂性及其与土地利用的无关性,这种方

13、法还是过于简单化遥感数据虽 可以反映出 土地利用 的准确信息,但不能排除与土地 利用无关但对面 源影响很大的因素,建立基于遥感和6 78的 面源信息 系统可以将遥感土地利用信息及其所确定的环境单元与一 些对面 源影响很大 的因素#或参数5统一起来,这避免了仅利用 土地利用进行面源计算所造成的简单化,也为综合研究面源复杂因素提供一种途径我们利用%年月日的数据进行土地分类处理共划分出 !种土地利用类型,分别是稻田、菜地、果园、鱼塘、人工林地、天然林地、城镇用地、裸地、河流与湖泊基本可以分为农业用地、城市用地及无人工管理地三大类这些分类并没有完全按照 土地管理部门的分类标准,主要是因为上述土地分类类

14、型间面 源行为相互差别较大而传统土地分类中有些类型 的面 源行为 近视另外在分类时也考虑了遥感分类的可能性以土地利用 为环境单元计算面源,单位负荷的确定至关重要,单位负荷是指在每种 土地类型上,每单位面积单位时 间所产生 的面 源污染#0 5传统用 一个常数表示单位负荷,虽然 当面源在同一土地类型 内均匀分布时 简单实用,但与实际情况相差太远,准确性也低将单位负荷与其他因素#如土壤类型、气候、坡度、人文地理状况等5结合起来,建立单位 负荷函数,应用 时准确性就大大提高将单位负荷函数建立在通用 流失方程或暴雨水或其他面源模型上,就更为 可靠和实用,在深圳市,各种 土地类型面 源 的单位负荷的确定

15、就采用 了这种方法其中将无人工管理地#如天 然林地及裸露地5面 源负荷作为 面源 的背景负荷通用土壤侵蚀方程涉及到许多 因素,在本区主要考虑了一些对面 源影 响较大的主要因素,见表这些信息通过6 78集成后将直接保存在面 源信息系统中,空 间位置为矢量数据,属性数据保存在关系 型数据库 中进行面源计算时,通过遥感土地利用 获取环境计算单元边界,该边界限定了所需参数的位置,参数大小通过67 8位置从属性数据库中直接提取计算过程这里就不详述了图版工一,为本区两个子区总 和 总氮磷的计算结果正如上述,它以遥感土地利用类型 为环境计算单元,单位负荷由通用 土壤流失方程从67 8数据中提取相应参数计算图

16、版工一,的计算结果保存67 8系统中的栅格数据,给人以直观显 示,其中象元地面大小为?)?)图版工一左边水体的周 围以城市用地为 主,总 单位负荷!0 一,城郊总=!单位负荷介于?!0 图版工一 左边以农业用地为主,总氮磷 单位负荷?0,右边以林地和果园 为 主,总 氮磷单位负荷介于?一?0%简手及第?卷 增 刊!。年月科考五叙 犷实践证明这一方法 既方便了面源信息 的管理,又可以快速进行面源计算,为 面源控制提供准确信息表一些对面源影响较大的因素通用特性农业型面源城市型面源地理因素耕作方式人口密度、大气沉降物 地形与坡度植被覆盖】?不透水面积比例土壤组成与特征灌溉与排水特征?交通流量?渗透率

17、!土地有机物及养 分%固体沉降特征?气象因素 化学肥料及药剂运输污染%季节影响 人一处理特征输污比、污染输送系统结论#,5在介绍67 8技术的基础上,提出并尝试利用遥感和67 8建立面 源信息 系统#5以深圳 为例介绍 了基于遥感和6 78的面源信息系统的建立方法#5以遥感土地利 用信息 为环境单元,通过基于 面源信息系统面 源模型进行了初步的面 源计算与分析#?5面 源信息系统方法既可以快速进行面 源计算,又为 面源信息管理与控制提供了一种新途径致谢对罗承 平与吴 治 君博士提供部分资料,作 者表示感谢本工作 为国家自然科学基金口匕准号?!?5、广东省 自然科学基金#编 号!?5和广东省自然

18、科学博士启 动基金#编号?5共同资助项目参考文献珠 江水资源保护办公室译,林芳荣等编面污染源管理 与控制手册广州科学普及出版社,一 贺缠 生,傅伯 杰,陈利 顶非点 源 污染的管 理 与控 制环境科学,#?5%徐希孺混合象元的因子分解方法及其在大面积冬小麦播种面积的研究9见小麦、玉米和水稻遥感估产技术试验研究文集北京中国科学技术出版社,?王喜鹏,张养贞应用神经网络模型分解 混合象元遥感学报,#,5?一?%?陈述 彭,赵英时遥感 地学分 析北京测绘出版社,!%李德仁,龚建雅地理 信息 系统导论北京测绘出版 社,8+/+:/(/04,:?9+,4 4+:+&/:;2 2&9凡1:94)&菠,:4:

19、+/00+=;,9;,/&/&+/9:&;=4?&,;9,/94一 4:&;一_;,?!?一?(/04,8+/+:/,&/?&+/9:&;?85?&,;9+&/)&4+/0;:+/0)&4,:+/940 94.+904&0?+4+/&)9+&/:1:94):#678594一:4+一94 4/&,%?一%!;_;:8(,+、9,4,+,.&9(,49,:+1+/0 4)&94,1:4/:49&;:4+/0 4;,9;,/&/?&+/9一:&;=4?&,;9+&/)&4,7&.?!/.94一4&/:4 9+&/8&4+491&)4+4&;/,&?!/94&/:4&/?&+/9一:&;4 4?&,;9+&/,/;1 一;/4 4+_1,84?;+4+_,+&0?1:4+4:一一84?9)4/9&0+4;,9;9+&/,0+4;,99一 ,一_ 1#?5#一%5 84?+_,+&0?1?#一!一%收稿,!刁一 收修改稿5%