收稿日期:2003-02-05基金项目:“九五”国家科技攻关滚动计划(96-911-08-04)作者简介:成 筠,女,三峡大学经济与管理学院,讲师,博士。
文章编号:1001-4179(2004)05-0045-03基于GIS 的城市生态环境质量评价系统成 筠1 徐泮林2 郑丙辉3(1.三峡大学经济与管理学院,湖北宜昌443002; 2.山东科技大学地球信息科学与工程学院,山东泰安271019; 3.中国环境科学研究院,北京100012)摘要:生态学、生态经济学、景观生态学、生物多样性保护理论的发展和完善,已为人类认识宏观环境提供了先进的理论和思想,为开展大尺度的区域生态区划与生态环境质量评价提供了可度量的技术与方法。
计算机技术的发展,也为我们认识和管理生态环境提供了手段和方法。
根据GIS 开发设计中原型法的思想,以结构化系统分析为主要技术路线,利用面向对象技术和组件技术,用可视化编程语言Visual Basic 和GIS 控件MapObjects 开发了城市生态环境质量评价系统,探讨了系统开发中的主要技术问题,包括确立系统开发的构想与目标、系统分析与设计、系统实现等。
关 键 词:城市生态环境;质量评价;GIS;原型法;系统设计中图分类号:X 84 文献标识码:A1 概述生态环境是人类生存和发展的基本条件,是社会和经济可持续发展的基础。
随着全球工业化和城市化的迅速发展,现代城市面临着生态环境危机。
生态保护离不开生态环境信息的采集和处理,而生态环境信息85%以上与空间位置有关。
城市生态环境质量的综合评价工作,就是在分析、归纳大量环境调查和监测资料的基础上,通过各种生态环境质量评价方法与模型的计算,找出研究区域的主要生态环境问题,指出环境质量的发生、发展与空间分布规律。
要解决这个问题,依靠传统的生态调查方法和限于局部环境及相互分离的评价方法显然是不行的。
寻求能够从更大的空间尺度上调查与评价城市生态环境质量、建立指标体系,提出评价模式,建立生态环境质量评价系统是当务之急。
近年来,生态学、生态经济学、景观生态学、生物多样性保护理论的发展和完善,已为人类认识宏观环境提供了先进的理论和思想,为开展大尺度的区域生态区划与生态环境质量评价提供了可度量的技术与方法。
计算机技术、遥感(RS )技术、地理信息系统(GIS )技术、全球定位系统(G PS )以及信息网络技术的发展,也为我们认识和管理生态环境提供了手段和方法。
2 系统需求目前的城市生态环境质量评价不外乎如下几种情况:(1)单环境要素的城市环境质量评价,如大气环境质量评价、水环境质量评价和噪声环境质量评价等;(2)城市环境质量的综合评价,其评价数据仅来自于地面监测数据和社会统计资料,评价因子考虑也不全面,评价结果主要是以表格和统计图方式表示,几乎没有引入生态学的概念,也没有利用3S 技术,空间概念不明确;(3)以卫星遥感数据为基础,结合地面调查,依据生态学理论,对城市生态环境质量进行评价,但大多处于半自动化半手工方式,亦即对卫星遥感影像进行解译后,利用计算机或手工方式对数据进行计算分析,然后根据分析结果做出人为评价,没有形成系统。
建立城市生态环境质量评价系统的目的旨在实现生态环境质量评价的计算机化;提高生态环境监测数据的综合利用能力;利用现代化技术手段,反映和预测生态环境破坏,生态环境质量变化及规律,实现生态环境管理的规范化和科学化。
针对生态环境质量综合评价的目的,利用卫星遥感监测数据和地面同步实地监测数据以及社会经济统计数据,运用景观生态学理论,构建一套包括城市生态系统压力、生态系统状态和生态系统响应3方面的全新的且较为全面的城市生态环境质量评价指标体系,建立一套可行的生态环境质量评价方法进行生态环境质量的综合评价并最终实现计算机化。
3 系统的分析与设计3.1 系统设计思想首先通过地面监测数据和遥感解译的初步成果,参考已有的自然区划和植被区划的成果,进行生态功能区域划分,然后确定指标体系,并应用专家经验法确定其权重系数,对于选定的指标和标准,建立评价模型。
最后利用计算机技术、地理信息系统技术,设计出城市生态环境质量评价系统。
3.2 数据流程图系统的数据流程如图1。
第35卷第5期人 民 长 江V ol.35,N o.52004年5月Y angtze River May , 2004图1 城市生态环境质量评价数据流程3.3 系统功能城市生态环境质量评价系统是一个空间型的信息系统,能存贮城市和生态环境有关的大量数据。
为了方便地输入信息,快捷地提取数据,并且能够进行多信息源支持下动态监测与评价,该系统具有以下基本功能。
3.3.1 系统管理功能该功能主要为系统管理人员设置,系统运行时,管理人员能实现用户管理,包括添加、删除用户,分配用户操作权限等;亦能实现系统数据的备份和恢复;同时,还可在系统运行过程中对系统本身加以修改,如修改评价指标和权重系数,修改分类标准等,增强了人机交互中人的主观能动性,并且该模块还为用户提供系统说明以及有关的使用说明。
3.3.2 基本功能包括GIS所拥有的数据采集、数据变换、数据库管理、信息输出图形图像显示以及信息查询等功能,该功能为用户提供输入数据、浏览数据、输出数据的基本操作。
(1)数据的输入。
主要包括图形数据(图层)的增加和移除;属性数据(包括各类评价标准、权重系数、社会经济统计数据和环境质量数据)的文件导入和手工输入。
(2)数据的编辑。
主要包括图形数据(图层)的缩放、漫游和各类属性数据的编辑。
(3)数据库管理。
包括图形库管理和属性库管理功能,能完成对数据库的基本操作,并且能和其它属性数据库联接,使系统更加灵活,具有开放性。
(4)信息输出。
对于所需属性数据及图件资料可以直接输出,并有制图功能。
(5)查询。
包括两种基本的查询方式:基于位置的查询,也就是从图到属性的查询;基于属性的查询,也就是从属性到图的查询。
用户在系统中可对自己感兴趣的某项内容进行定位查询、标题关键字查询,所查询的内容以图形、图像、文字等形式予以显示,以便全方位、多层次地提取信息。
(6)图形、图像显示。
该功能为用户提供了开窗、关闭、中心缩小、中心放大、漫游、刷新等高效的图形操作功能。
3.3.3 统计分析功能对各专业部门的信息进行分析与统计,统计的结果可以按表格形式,统计直方图,专题图形式直观地输出显示并可直接输出成图。
统计分析使管理者对专业信息有直观的了解,便于决策使用。
3.3.4 监测管理功能监测管理功能主要包括如下几部分。
(1)自然环境监测。
主要是对河流水系、地形地貌、土壤的监测,并可生成各种专题地图。
(2)社会经济统计。
主要输入研究区域内各种统计数据,包括行政区划、人口状况、工业总产值、农业总产值等,并可产生各类统计图表和专题图。
(3)环境管理状况。
主要是对大气环境功能区、水环境功能区、水源保护区、生态环境功能区的监测,并可生成各种专题地图。
(4)环境质量监测。
主要是对大气环境质量、水环境质量和土地覆盖类型进行监测。
其中,大气环境质量包括对空气中S O2、NOX和TSP浓度的监测;水环境质量包括对河流、水库中各种污染物浓度的监测;土地覆盖类型包括解译标志数据库和遥感影像的及时更新。
3.3.5 评价计算(1)生态压力评价。
根据遥感图像解译后所取得的土地覆盖类型数据和社会经济统计数据计算人类对生态系统的压力,包括人类生存压力(人口密度)、农业生产压力(农业生产用地、坡耕地面积比例)、城市化压力(城镇工矿用地面积比例、公路密度)和饮用水源保护区压力等;根据各指标的权重系数和分类标准来进行各区生态压力的综合评价;并可生成各种统计报表和专题地图。
(2)生态状态评价。
根据遥感图像解译后所取得的土地覆盖类型数据计算生态系统的实际表征,包括维持生态系统功能所必须的组分(基本功能、高功能、人工性、疾病性组分等)、格局(斑块面积、核心区的数量、密度和面积指数、斑块破碎度、连接度和密度、景观多样性指数、边界密度和重要值等)及变化(未利用土地面积比例、采石场面积比例、坡耕地面积比例等);根据各指标的权重系数和分类标准来进行各区生态状态的综合评价;并可生成各种统计报表和专题地图。
(3)生态响应评价。
根据遥感图像解译后所取得的土地覆盖类型数据计算生态系统在压力下反映出的异常特征,包括自然保护区面积比例、自然植被保护区面积比例、生态恢复与治理面积比例等。
根据各指标的权重系数和分类标准来进行各区生态响应的综合评价;并可生成各种统计报表和专题地图。
(4)综合评价。
根据以上各指标的计算结果及其权重系数和分类标准来进行各区生态环境质量的总的综合评价,得出总的评价结果—各区分类结果;并可生成各种统计报表和专题地图。
4 系统的实现4.1 系统平台及开发工具城市生态环境质量评价系统所包含的软件,主要分为系统软件与应用软件两部分,系统软件是应用软件赖以运行的环境,应用软件是根据城市生态环境质量评价系统的具体需要为达到评价目的而编制的。
城市生态环境质量评价系统的软件平台,是城市生态环境质量评价系统所包含的软件中支持应用软件运行、维护和开发的平台,也就是通常所说的软件开发平台,选择64 人 民 长 江2004年一个合理的开发平台对于应用软件和系统的整体性能往往会有非常直接的影响。
城市生态环境质量评价系统软件包括以下几部分:操作系统(Windows98或Windows2000);数据库(Access、dbase);前台开发工具(Visual Basic、MapObjects);后台开发工具(Image Analyst、ArcIn fo、ArcView)。
4.2 关键技术4.2.1 GIS组件技术(1)C OM和C omGIS。
C OM是组件式对象模型(C omponent Object M odel)的英文缩写,是O LE(Object Linking&Embedding)和ActiveX共同的基础。
ActiveX是一套基于C OM的可以使软件组件在网络环境中进行互操作而不管该组件是用何种语言创建的技术。
作为ActiveX技术的重要内容,ActiveX控件是当今可视化程序设计中应用最为广泛的标准组件。
ActiveX控件是一种可编程、可重用的基于C OM的对象。
ActiveX控件通过属性、事件、方法等接口与应用程序进行交互。
组件可以在各种开发语言和开发环境(如Visual Basic)中使用。
随着计算机软件技术的发展,GIS组件化发展到了一个全新的阶段,出现了组件式GIS(C omponents GIS,缩写为C omGIS)。
C omGIS是面向对象技术和组件式软件在GIS软件开发中的应用。
新一代的组件式GIS也大都是ActiveX控件或者其前身O LE控件。