丑述仁，李 丁

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

地理信息系統(tǒng)(Geographic information system)是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和用戶組成的，通過(guò)對(duì)地理數(shù)據(jù)的集成、存儲(chǔ)、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理信息，從而為土地利用、資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市規(guī)劃以及政府部門(mén)行政管理提供新的知識(shí)，為工程設(shè)計(jì)和規(guī)劃、管理決策服務(wù)［1］。

地理信息系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的技術(shù)，由于40年代和50年代的計(jì)算機(jī)科學(xué)、地圖學(xué)和航空攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，逐漸產(chǎn)生了地理信息系統(tǒng)的基本框架。在這個(gè)基礎(chǔ)上誕生了世界上第一個(gè)地理信息系統(tǒng)—加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS)，1966年美國(guó)成立城市和區(qū)域地理信息系統(tǒng)協(xié)會(huì)(NASIS)，國(guó)際地理聯(lián)合會(huì)(IGU)于1968年設(shè)立了地理數(shù)據(jù)收集和處理委員會(huì)(CCDSP)。這些組織和機(jī)構(gòu)的建立，對(duì)于傳播地理信息系統(tǒng)的知識(shí)和發(fā)展地理信息系統(tǒng)的技術(shù)，起了重要的作用。從1963年，加拿大測(cè)量學(xué)家R.F.Tomlinson首先提出“地理信息系統(tǒng)”這一概念，并建立了世界上第一個(gè)地理信息系統(tǒng)——“加拿大地理信息系統(tǒng)”，用于自然資源的管理與規(guī)劃，GIS技術(shù)已經(jīng)滲透到了地理學(xué)、測(cè)繪學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)、管理科學(xué)等領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代以來(lái)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家在地下水領(lǐng)域廣泛開(kāi)發(fā)和應(yīng)用地理信息系統(tǒng)，使GIS在地下水領(lǐng)域有了較快的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用越地下水 、評(píng)估、開(kāi)采等方面。

1 GIS在地下水領(lǐng)域的主要應(yīng)用

1.1 GIS在地下水資源信息管理和評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

1.1.1 在地下水管理中的應(yīng)用

GIS在地下水管理中有著廣泛的應(yīng)用，邢毅等［1］使用使用GIS與數(shù)值模型相結(jié)合的方法，建立了GIS城市地下水管理模型，并應(yīng)用于南方某市，取得了較好的效果。武強(qiáng)等［3］采用Mapinfo軟件作為平臺(tái)，面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)技術(shù)，Visual basic和Map basic語(yǔ)言聯(lián)合開(kāi)發(fā)而成的“塔里木盆地水資源地下管理GIS”成功的將GIS技術(shù)應(yīng)用到塔里木盆地的水資源開(kāi)發(fā)、管理當(dāng)中。為西北干旱地區(qū)水資源利用管理提供一條新的研究途徑。它是GIS技術(shù)在地下水資源管理中的成功應(yīng)用。蘭瑞等［4］設(shè)計(jì)了基于組件式地理信息系統(tǒng)的太原市地下水資源管理信息系統(tǒng)，以地理信息系統(tǒng)技術(shù)為支持，結(jié)合地下水管理的實(shí)際需要，在可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境c++builder中嵌入MapX進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使開(kāi)發(fā)后的GIS能高效、直觀、準(zhǔn)確的為地下水管理服務(wù)。

1.1.2 在地下水資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

EL-Kadi等［5］利用 GIS作為模型的外殼，在 Oahu和Hawaii島建立了二維數(shù)值模擬模型，GIS主要完成數(shù)據(jù)管理和模型的前后處理。Jonathen等［6］人利用 Arc/info的 AML語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)與地下水流模型CFEST的集成，GIS作為模型的前處理，模型運(yùn)算結(jié)果經(jīng) GIS分析。Tang-Changyuan等［7］建立Arcview GIS的地下水流模型，利用GIS屬性功能可以對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行方便的修改。Kenneth.KE［8］建立了地下水勘探開(kāi)發(fā)、模擬、評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)。Tim等［9］利用GIS和水文模型相結(jié)合的方法來(lái)評(píng)估農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染。國(guó)內(nèi)劉明柱等選擇四種因子自然地理子系統(tǒng)(NGS)、水文地質(zhì)環(huán)境子系統(tǒng)(HES)、地質(zhì)環(huán)境子系統(tǒng)(GES)、地表水系子系統(tǒng)(SWS)，對(duì)區(qū)域地下水進(jìn)行富水性評(píng)價(jià)并應(yīng)用于天長(zhǎng)市的地下水評(píng)價(jià)。

1.2 GIS在水源地保護(hù)中的應(yīng)用

在水源地保護(hù)中，GIS也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，國(guó)外Rifai H S［10］根據(jù)GIS劃分出水源地保護(hù)帶，并應(yīng)用與美國(guó)休斯頓市，取得了很好的效果。Werner E.S等［11］基于GIS和一些相關(guān)水文模型建立了管理系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)水質(zhì)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，自動(dòng)報(bào)警，以便在污染物沒(méi)到水源地時(shí)就采取作用，該系統(tǒng)還能自動(dòng)生成相關(guān)報(bào)表。國(guó)內(nèi)信昆侖等［12］根據(jù)水源地相關(guān)信息Geodatabate數(shù)據(jù)庫(kù)，以VB為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，利用 ArcObject開(kāi)發(fā)工具包開(kāi)發(fā)的GIS系統(tǒng)，對(duì)水源地保護(hù)的有力工具。

1.3 GIS在水質(zhì)預(yù)警及污染物分析的應(yīng)用

應(yīng)用GIS技術(shù)的空間分析功能，對(duì)水質(zhì)預(yù)警和污染物分析，以此來(lái)指導(dǎo)水資源的開(kāi)發(fā)利用，董志穎等［13］以 MapGIS為平臺(tái)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行預(yù)警并應(yīng)用與吉林省西部地區(qū)。對(duì)該地區(qū)的水資源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用舉有很重要的作用。謝洪波等［14］在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，采用二次開(kāi)發(fā)模式，運(yùn)用灰色預(yù)警模型，建立了焦作市的地下水水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)。

1.4 GIS在水資源分析嵌入模擬模型

GIS技術(shù)在地下水分析中也被廣泛應(yīng)用，用來(lái)表現(xiàn)地下水的時(shí)空和動(dòng)態(tài)變化，目前基于GIS的地下水分析主要有4種方式:(1)GIS平臺(tái)中嵌入地下水模擬模型，如Arcinfo中級(jí)嵌入了地下水Darcy水流模型和污染運(yùn)移模型。(2)GIS功能嵌入地下水模擬模型，如表1是主要的地下水模擬軟件。(3)GIS與模擬模型的松散連接，如Argus ONE(Open Numeric Environment)(4)GIS與模擬模型的緊密連接，如通過(guò)GIS提供的宏語(yǔ)言或二次開(kāi)發(fā)4GL高級(jí)語(yǔ)言(如Visual basic、Visual c++、Delphi等)將水流數(shù)值模擬模型和 GIS緊密連接在一起。

表1 地下水模擬軟件［15］

1.5 基于GIS在地面沉降研究

地下水超采，形成大面積區(qū)域性地下水下降漏斗，改變了地下水壓力、開(kāi)采含水層和含水層上下滯水層中的應(yīng)力狀況，產(chǎn)生了粘性土的釋水以及含水層、滯水層的壓縮效應(yīng)，從而導(dǎo)致地面沉降.日本的 S.Murakami等［16］利用 GIS技術(shù)描述了日本kamto平原地區(qū)的地面沉降，并預(yù)測(cè)了其發(fā)展趨勢(shì)，且在圖中實(shí)現(xiàn)了可視化成果。如地面沉降區(qū)域圖、沉降與地下水歷時(shí)曲線圖、實(shí)測(cè)沉降與歷時(shí)沉降比較圖和散點(diǎn)相關(guān)圖、預(yù)測(cè)沉降分區(qū)圖、土地利用圖、地面沉降潛在危害程度分區(qū)圖。陳鎖中等［17］以GIS主控模塊，選擇美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)的地下水運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)(GMS)和美國(guó)D.C.Helm等人開(kāi)發(fā)的地面沉降模擬模型系統(tǒng)(compac)，進(jìn)行地下水運(yùn)動(dòng)模擬和地面沉降模擬系統(tǒng)進(jìn)行集成分析和設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于蘇常地區(qū)。

1.6 基于GIS的地下水?dāng)?shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，地下水?dāng)?shù)值模擬模型的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，但要使這些數(shù)值模擬模型真正在生產(chǎn)實(shí)踐中取得較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，模型擬合的效果和精度至關(guān)重要。

楊旭等［18］在分析傳統(tǒng)的地下水?dāng)?shù)值模擬模型的擬合方法的基礎(chǔ)上，提出了基于GIS的點(diǎn)、線、面的模型擬合的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了GIS的地下水?dāng)?shù)值模型的可視化擬合。桑學(xué)鋒等［19］采用GIS和 Visual ModFlow軟件相結(jié)合的方法，對(duì)敦煌水資源進(jìn)行現(xiàn)狀模擬和未來(lái)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合GIS空間分析能力、地圖學(xué)、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域地下水二維和三維的可視化。

2 存在問(wèn)題及研究趨勢(shì)

2.1 目前GIS在地下水應(yīng)用的局限性

GIS在地下水方面的應(yīng)用還存在一些局限性如:(1)地理要素是很復(fù)雜的，GIS要想表示地下水中某些復(fù)雜的地理要素、時(shí)空模型及綜合空間分析方法等方面還有一定的難度。(2)地理信息的共享，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，GIS與應(yīng)用模型的集成，由于地下水系統(tǒng)的特殊性，GIS軟件的空間查詢(xún)和分析功能不能滿足地質(zhì)專(zhuān)業(yè)分析和應(yīng)用的需要。

2.2 GIS在地下水領(lǐng)域的研究趨勢(shì)

2.2.1 GIS 的發(fā)展趨勢(shì)

目前，地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，GIS正朝著一個(gè)可運(yùn)行的、分布式的、開(kāi)放的、網(wǎng)絡(luò)化的全球GIS發(fā)展。在未來(lái)幾十年內(nèi)，GIS將向著數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)多維化、系統(tǒng)集成化、系統(tǒng)智能化、平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化和應(yīng)用社會(huì)化(數(shù)字地球)的方向發(fā)展(1)三維GIS隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，二維GIS已經(jīng)無(wú)法滿足用戶的需求，用戶需要更為直觀、真實(shí)的三維GIS來(lái)作為交互式查詢(xún)和分析的媒介。三維GIS是GIS的一個(gè)重要發(fā)展方向，也是GIS研究的熱點(diǎn)之一，其研究范圍涉及數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等多門(mén)科學(xué)領(lǐng)(2)時(shí)態(tài)GIS傳統(tǒng)的GIS處理的是無(wú)時(shí)間概念的數(shù)據(jù)，只能是現(xiàn)實(shí)世界在某個(gè)時(shí)刻的“快照”。它把時(shí)間當(dāng)作一個(gè)輔助因素，當(dāng)被描述的對(duì)象隨時(shí)間變化比較緩慢且變化的歷史過(guò)程無(wú)關(guān)緊要時(shí)，可以用數(shù)據(jù)更新的方式來(lái)處理時(shí)間變化的影響。然而，GIS所描述的現(xiàn)實(shí)世界是隨時(shí)間連續(xù)變化的，隨著GIS應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，在如下應(yīng)用中，時(shí)間維必須作為與空間等量的因素加入到GIS中來(lái)。(3)網(wǎng)絡(luò)GIS伴隨著Internet和Intranet的飛速發(fā)展，GIS的平臺(tái)已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)向了網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)GIS的好處是不言而喻的，由于地理信息和大量空間數(shù)據(jù)都是以文字、數(shù)字、圖形和影像方式表示的，將它們數(shù)字化，輸入計(jì)算機(jī)，便可方便、快速和及時(shí)地將地理信息傳送到需要的地方去，以發(fā)揮地理信息在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)中的作用。(4)OpenGIS實(shí)現(xiàn)GIS的互操作，開(kāi)發(fā)開(kāi)放式的地理信息系統(tǒng)，OpenGIS是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和接口所建立起來(lái)的GIS，是GIS的一個(gè)重要趨勢(shì)。

2.2.2 GIS和RS相結(jié)合建立地下水資源管理專(zhuān)家系統(tǒng)

基于GIS、RS的柵格數(shù)據(jù)和地下水?dāng)?shù)值模型離散格網(wǎng)相似，而GIS和RS柵格數(shù)據(jù)更為豐富，尤其是RS信息具有實(shí)時(shí)特征，在研究土壤類(lèi)型、植被生長(zhǎng)、包氣帶水份等方面有很多優(yōu)勢(shì)。為使GIS的分析結(jié)果更趨合理性、科學(xué)性，應(yīng)用研究建立基于專(zhuān)家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及一定熟悉模型基礎(chǔ)上的智能DSS，以專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)式知識(shí)為基礎(chǔ)的GIS，具有更強(qiáng)的分析和表達(dá)復(fù)雜地學(xué)問(wèn)題的能力，引起了普遍重視可更好地服務(wù)于地下水領(lǐng)域。

2.2.3 GIS和地下水管理模型有機(jī)結(jié)合，做到GIS模型和專(zhuān)業(yè)模型的結(jié)合

地下水系統(tǒng)具有特殊性，是一個(gè)復(fù)雜的受人為和自然雙重作用的復(fù)合系統(tǒng)，GIS做為分析地下水的工具，由于缺少地下水的分析模型，在地下水評(píng)價(jià)中，制約了GIS強(qiáng)大的空間功能的發(fā)揮。能否做到GIS模型和地下水專(zhuān)業(yè)模型結(jié)合，關(guān)系到GIS在地下水研究中的發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

GIS技術(shù)的迅速發(fā)展，將提供更多適合于地下水特點(diǎn)的功能和技術(shù)，如輸入輸出、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換等更強(qiáng)大。相鄰學(xué)科和高新技術(shù)發(fā)展(例如網(wǎng)絡(luò)GIS、OpenGIS、三維GIS、時(shí)態(tài)GIS等形式)，加強(qiáng)了GIS在地下水中的應(yīng)用，也為GIS與地下水行業(yè)的相互結(jié)合和相互促進(jìn)提供了新的契機(jī)。上述GIS在地下水方面的應(yīng)用和GIS以后和地下水行業(yè)的新的發(fā)展趨勢(shì)分析，相信GIS在地下水行業(yè)將得到更為廣泛的應(yīng)用。

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