14地理信息系统应用案例.docx
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14地理信息系统应用案例
第十四章地理信息系统应用实例
导读：
本章介绍了地理信息系统在一些具体领域的应用。
由于GIS是用来管理、分析空间数据的信息系统，所以几乎所有的使用空间数据和空间信息的部门都可以应用GIS。
由于各个部门的不同，GIS在具体业务系统中所占的比重、应用方式也各异，结合比较紧密的如城市规划、环境领域等，相对松散的有商业、医疗卫生领域。
本章简单介绍了一些GIS应用实例，针对不同实例，介绍方法也不同，有的概述一个具体区域的应用，有的叙述工作流程，有的介绍了工作原理和分析方法，可以对相关领域的GIS建设提供借鉴，也可以作为其它领域建设GIS的参考。
本章也引入了一些新的概念，如AM/FM、GIS/T以及一些具体的分析方法，如动态分段模型，它们处于GIS与具体领域的交叉部分，同时也是GIS理论和技术的有益补充。
1．城市规划、建设管理
城市是人类活动高度集中的区域，同时也是信息、物质高度集中的区域。
随着科技的进步和经济的发展，城市系统越来越复杂，数据和信息越来越多，服务要求越来越高。
城市管理面临着新的挑战，为了城市的现代化、生态平衡和持续发展，城市需要全面的规划，而地理信息系统给城市的规划和管理带来了新的工具。
在城市管理中，可以应用GIS的方面非常多，如土地、道路、管网、环境、人口等等诸多要素都可以通过地理信息系统进行管理*，并且形成了应用于专门领域的GIS工具，如土地信息系统（LIS-LandInformationSystem）和AM/FM（自动制图/设施管理，AutomaticMapping/FacilityManagement），前者侧重于管理地块的位置、面积、权属以及地籍的动态变化；后者则主要对电力、通讯等设施的管理和分析、制图。
城市建设规划涉及的因素非常多，开发新城要征用土地，改建旧城要拆迁安置，同时需要基础设施、公共服务设施的配套。
在开发建设活动中，如果不注意各工程项目之间的协调，就可能造成混乱，而采用GIS对各种信息进行管理，并基于此进行分析和辅助决策，可以有效地防止这种混乱局面的出现。
由于城市在不断地建设发展，所以需要随时更新城市基础数据库，这就要求应用GIS管理日常城市建设活动，以保证信息的时效性。
下面介绍GIS在密尔沃基（Milwaukee）市城市建设日常管理方面的应用。
美国威斯康星州的密尔沃基从1976年开始建设城市地理信息系统，并不断发展、完善。
由于数据库比较完整，地理信息系统在很多方面发挥了作用，主要可以分为三个方面的活动。
1）地图更新
密尔沃基市常用地图分为三种：
第一种是地籍房产图（当地称为PlotMap），由政府税务部门负责编制。
这种地图通常在以下情况下需要修改更新：
●地契内容改变，包括地块边界的变化以及地块权属的变化；
●在一个大的地块内再划分为若干小块，产生新的土地所有者；
●公共道路的拓宽或者连通；
●小地块合并成为大地块；
●其它变化，如道路名称、地名的改变以及错误的纠正。
第二种是一般的测绘图（当地称为Quarter-SectionMap）。
这种图由政府市政工程部门负责编制，图面上标有主要的地块边界（不作为法律依据），但是没有普通的建筑物，通常在下列情况下需要更新：
●城市建设造成地面重要物体的边界变化；
●重新测量，纠正过时的内容；
●道路打通、拓宽或封死；
●大的地块合并或重新划分；
●街道名称改变；
●地图上的错误纠正。
第三种是土地使用图（当地称为LandUseMap）。
这种地图反映土地的实际用途，也反映了主要的地块边界。
土地使用图由城市规划部门负责编制，主要为城市规划服务，通常在以下条件下需要更新：
●房屋的拆除和重建；
●房屋改变用途；
●地块边界改变；
●地块重新划分；
●地块兼并；
●道路变化；
●道路名称的修改；
●地图错误纠正。
以上三种地图由三个相互独立的部门各自负责，在信息上存在很多重复内容，在地图更新时也需要大量的重复工作。
在建立城市地理信息系统之后，三种地图上各类信息的更新工作明确地分配到三个部门，三种数字化地图集中地存放于数据库中，实现数据共享，每个部门对数据的修改内容可以被其它部门得到，减少了数据冗余和重复工作。
2）土地区划管理
在美国，大多数地方政府都用土地区划（Zoning）来指导、限制城市土地利用和城市发展，但是具体做法各地有许多差异，在密尔沃基市，先由城市规划部门编制土地使用规划，经批准后再制定区划，区划的形式为文本和图件，它是城市建设和审批修建申请的依据。
密尔沃基市的土地区划图分为用途图、范围图和高度图，用途图用于限制和规定相冲突的土地利用，如不准贴近主要交通干道修建大型商业设施等；范围图对建筑之间的距离以及建筑后退道路等作出了规定；高度图则规定了建筑本身的高度、相邻建筑在高度上的相互关系的限制。
在采用GIS后，这三种区划图分为三个图层进行管理，并可以叠加在一起显示，避免各个部门数据不一致的情况，此外，可以很方便地检查规划图的错误，避免法律上的纠纷；也便于税收部门查询地产信息，调整对土地所有者的税收。
3）建筑审批处的内部工作管理
每个建筑物在修建之前，必须经过政府主管部门批准，由于申请非常多，并且需要实地勘察，工作繁重，如何分配并确定每个经办人员的工作，以充分调动每个人的积极性成为一个难题。
在建立地理信息系统后，修建项目申请卡片被记录到属性数据库中，其中的建筑物地址属性与地块空间数据相关联，这样可以很方便地将一定时期内所有的修建申请的位置分布显示在地图上（图14-1），可以方便的根据申请量的多少、到市中心的距离、前往勘察的边界程度，划分每个工作人员的负责范围，提高了工作效率，改善了建筑审批处的内部管理。
图14-1：
利用GIS进行建筑审批工作协调
2．农业气候区划
2．1项目背景与需求
自八十年代以来，中国农业生产环境、气候环境发生了巨大变化，包括：
1）农业科学技术进步，高新技术引进，农业朝高产、优质、高效、低耗方向发展；种植业向粮食—经济—饲料作物三元结构转变；小生产、大市场向规模经营方向发展，逐步实现种养加、产供销、贸工农一体化。
农村产业结构调整向农业气候区划提出了新的要求。
2）气候条件与气候资源本身发生了变化。
如东北地区平均气温升高，北方地区干旱范围扩大，长江流域洪涝增多，特别是九十年代以来，异常气候事件呈现明显增多的趋势。
有必要重新认识气候资源的变化及其合理利用和保护问题。
3）农业气候区划技术条件发生了巨大变化。
“3S”（GIS、RS、GPS）与网络技术在农业气候资源动态监测与开发应用中展示出广阔前景。
4）农业生产的发展，对气候资源开发利用和保护提出了更高要求。
气象部门必需依靠科技进步，技术创新适应社会的需求。
建立一套基于“3S”、网络平台的区划信息系统，有助于广大气象台站在气象服务手段和技术上得到提升。
5）面对21世纪农业新技术革命和可持续农业战略，农业气候资源作为一种重要的投资环境，有必要进行科学、客观的评价。
中国气象局提出建设“第三次农业气候区划”项目的目的是：
采用新技术、新方法、新资料，开发“农业气候区划信息系统（Agriculture&ClimateDistributedInformationSystem,简称ACDIS）”软件，建立气候资源开发利用和保护监测体系，实行资源平面与立体，时间与空间全方位优化配置；发挥区域气候优势，趋利避害减轻气候灾害损失，提高资源开发的总体效益。
为各级政府分类指导农业生产，农村产业结构调整，退耕还林防止水土流失等提供决策依据，为地方政府服务。
2．2农业气候区划信息系统（ACDIS）系统结构及工作流程
2．2．1系统结构
农业气候区划信息系统（ACDIS）是基于GIS工具平台，建立起面对专业技术人员的专用工具，适用于农业气候资源监测评价、气候资源管理与分析，小网格气候资源推算与空间查询、省地县三级区划产品制作等。
具体实现了以下功能：
1）地理基础信息管理：
管理工作区的基础地理数据，如行政区划，水系，交通数据等；
2）小网格资源信息管理：
管理栅格格式的、与农业气候区划有关的信息，包括各种DEM数据；
3）小网格资源推算与区划产品制作；
4）农业气候资源监测与评价；
5）农业气候区划成果演示。
2．2．2系统工作流程
根据“3S”等新技术在区划中应用需求，建立了农业气候区划工作基本流程（如图14-2）：
图14-2：
农业气候区划工作基本流程图
2．3“3S”在项目中的应用
1）利用GIS对农业气候区划综合要素空间查询和管理
ACDIS利用GIS工具提供的基本功能，对其它子系统输入、处理和生成的气候资源等数据进行综合查询和管理。
生成不同查询条件下的区划产品，作为区划专题内容，进而实现对区划各类产品的矢量图、栅格图、DEM、注记和属性数据进行以地理表达式为条件的逻辑查询以及不同图件和属性数据的综合查询、管理，并把查询结果制图输出到绘图仪或打印机，或保存为其它格式文件。
2）利用GIS对气候资源进行小网格推算模式研究
气候资源小网格推算模式研究是区划的一项基础性工作。
在收集山区气候研究成果基础上，辅助以气象哨、水文站雨量资料后，通过GIS平台可快速计算和获取测点地理参数（高程、坡向、坡度）。
采用统计分析方法，根据要素的统计特征值和地理特征将全省划分若干气候区，分别建立各区域气候要素推算统计模式，通过验证和残差订正，应用到气候资源小网格推算中。
3）GIS在农业气候资源分析中的应用
应用GIS来定量采集、管理、分析具有空间特性的气候资源，建立GIS分析气候资源的思想、方法、步骤，包括数字高程模型建立、GIS农业气候资源数据建立、空间分析模型建立、气候资源分析计算、气候分区及定量分析等。
4）利用“3S”提取农业背景信息参与区划计算
农业气候区划是根据农作物生长发育过程中对气候条件的要求和气候资源的地理分布特征来进行分区划片的，在某种农作物的气候可种植区内还有不同的地物类型，不同的农作物要求不同的地理环境。
为使农业气候区划对农业生产更具有指导作用，将非气象因子引入到农业气候区划中。
农业气候区划对象中往往对土壤PH值要求很高，根据土壤类型分布可以得出土壤PH值的分布，将其作为区划的一个关键指标，使得区划更加有实际应用意义。
利用GIS将土壤分类图作为一项数据层参与气候资源数据层集运算，得出包含土壤类型信息的区划结果。
江西省在全省优质早稻种植气候区划和万安县脐橙种植综合区划中（图14-3），除了应用1∶25万的地理数据，还结合了TM影像数据，辅助GPS定位抽样，把早稻、脐橙的可能种植区（农田、荒山荒坡）提取出来，排除了山体、水体、居民点、道路等不能种植脐橙和早稻的区域，把可能种植区与农业气候区划图做逻辑交集运算，得到了全省优质早稻和万安县脐橙种植规划图。
图14-3：
江西省万安县脐橙种植区划
5）利用GIS建立集区划—资源动态监测—高产栽培技术为一体的信息服务系统
利用GIS工具，开发出基于Web的、对气候条件敏感的两系杂交稻制种气候资源空间配置信息系统，将区划服务于作物生产基地选择、关键生育期气象服务、农业生产技术指导等各个方面。
3．大气污染监测管理
随着经济的发展，环境污染直接影响了人们的生活质量，环境质量问题也得到了越来越多的重视。
污染环境包括水污染、大气污染、固体废弃物污染等，其中就大气污染而言，城市区域由于受到工业生产、居民生活的影响，成为大气污染发生的集中区域，历史上几次严重的污染事故，如伦敦烟雾事件（1952）、洛杉矶光化学烟雾事件（1943），都是发生在大城市。
近几十年来，研究者对大气污染问题进行了大量研究，并且通过实验或计算来建立适合于特定区域的大气污染物扩散模式以及确定相关参数的计算方法。
城市大气污染的来源主要包括点状污染源和线状污染源，前者主要包括烟囱，后者则指汽车尾气排放。
而污染的扩散的影响因子，除了排放量、排放物之外，还受到气象条件、下垫面等因素的影响。
通过大气动力学的研究，研究者给出了用来描述污染物在大气中扩散规律的各种解析方程。
这些大气扩散公式为空气污染预报提供了一定的基础，可以为现有污染源条件在不利的气象条件下减少有害污染物的排放、在城市规划中合理进行区域规划以及环境影响评价提供了切实有效的信息。
无论是点源污染，还是线源污染，其空间分布以及属性可以通过地理信息系统进行管理，而污染扩散的影响因子的空间分布同样可以作为GIS的空间数据组成部分，所以，基于GIS可以建立大气污染扩散模型，进而，GIS也提供了丰富的功能以表现污染物强度空间分布，可以查询强度分布状况，并可以结合其它社会经济数据，进行更加细致的评价分析。
下面介绍内蒙古自治区包头市在利用GIS进行大气污染扩散模拟中的应用。
包头市是中国最大的稀土工业基地和著名的钢铁机械工业基地之一，是门类齐全，体系较为完善的现代化工业城市。
包头市工业能源消耗以燃煤为主，占56%，其次为焦碳和电力，在能源结构中，重中污染能源占70.8%，包头工业排放的SO2、烟粉尘和氟化物都较大，造成包头市煤烟型和氟污染的特点。
其中21家重点空气污染源占全市工业排放的95%，85%，96%（分别为SO2、烟粉尘和氟化物）。
其中包钢是最大污染厂家，其SO2、粉尘、氟化物的排放量高居榜首。
从自然条件上看，包头市地处内陆，属内陆半干旱、中温带大陆性季风气候，全年干燥，无霜期短。
年均气温6.5℃，取暖期6个月。
由于受地形影响，冬季包头多北风和西北风，夏季多东南风，各月夜间均盛行NWW风。
近年来城市建筑的快速发展及自然植被，人工绿化面积的不断扩大，市区平均风速呈逐年下降趋势。
1995年年均风速为2.2m/s。
一年中，春季风速最大，秋季风速最小，冬季风速居中。
除七月份主导风向与最大风速风向恰好相反外，常年盛行风向与最大风速风向重合。
逆温层影响着污染物的扩散、稀释，包头市冬季逆温频率很高，夏季逆温频率较低，逆温的强度与厚度，冬季均明显大于夏季。
包头是我国大气污染治理的重点城市，包头关于大气污染扩散的研究工作较多。
冶金部建筑研究总院1982针对包钢地区的烟气综合治理规划，利用风洞模拟试验、现场实验等提出了“大气输送气候学模式”（ATCM）。
1989年包头市环境监测站，针对包头新市区大气扩散模式和SO2容量计算，提出了基于美国EPA的ISC（工业复合源大气扩散模式）的城市多源高斯模式。
这些模式的建立为包头市的大气污染治理和管理提供了可靠的依据。
基于GIS建立大气污染扩散模型，可以
1）模拟污染物的空间分布，评价不同区域的环境质量；
2）将污染物空间分布与人口密度空间进行复合分析，确定受污染影响的人口数目；
3）预测在给定气象条件下污染物的空间分布；
4）确定不同点源对整个研究区污染总量的贡献；进而
5）为污染整治，如降低排放量、甚至关闭某些污染源，提供决策依据；
6）如果要增加污染点源，可以比较不同的方案（如烟囱的位置，高度等），从中选择最优方案；
7）在城市规划时，作为确定不同用地（居住、工业、商业等）的分布。
在包头市的研究工作中，利用1月份平均风速、风向、频率，并将其换算为风频表，对包头市的37个高架点源造成的地面SO2浓度的空间变化进行模拟，结果如图14-4所示。
图14-4：
包头市大气二氧化硫分布图
将模型预测结果图与包头市环境监测站绘制的等值线图相比较。
模型在工业区的预测值比较切合实际，在昆都仑区，预测值偏小，原因应该是由于包头地区在一月份特定风向条件下，工业污染对该区域的影响比较小，相比之下居民取暖燃煤造成的二氧化硫污染就较突出。
总体来看，无论从工业区还是居民区，模型预测的二氧化硫的浓度不存在数量级上的差别。
在大气环境规划中，对规划中欲添加的新污染源需要预测新增污染源造成的污染、对新源的进行合理选址、确定新源的排污量大小以及点源烟囱的高度等。
在研究中，拟在青年农场（图上三角点位置）增加一个新的污染源，有三种方案，分别为源强为100000mg/s、烟囱高150米；源强1000000mg/s、烟囱高150米；源强1000000mg/s、烟囱高200米。
在一月风向风频条件下进行预测，将预测结果叠加在原来的污染分布状况上，结果如图14-5。
图14-5：
增加不同参数污染源的污染分布图
大气污染的受害人群是大气污染管理和控制中最重要的关注对象，结合包头市新市区（青山区和昆都仑区）的人口分布，研究中分析了添加新源前后大气中SO2污染受害人群的变化。
研究方法是将模型的预测结果与包含人口数据的行政区划图进行叠加复合分析，获得各个污染区的面积和人口，结果见表14-1。
表14-1:
新添加污染源造成的污染人群变化结果表（单位：
万人）
浓度单位：
mg/m3
0.00-0.05
0.05-0.15
0.15-0.25
0.25-1.6
新源强：
100000mg/s
新源高：
150米
46.05
15.33
2.10
0.80
新源强：
1000000mg/s
新源强：
150米
36.20
24.30
2.73
1.04
新源强：
1000000mg/s
新源强：
200米
41.02
20.02
2.33
0.89
未添加前大气状况
49.83
15.61
2.03
0.80
从图和表可以看出，源强为1000000mg/s的污染源造成的高浓度受害人群数量明显增加，而源强为100000mg/s的新添污染源造成的高浓度污染受害人群数量变化不大。
同时可以看出，增高污染源的高度来降低污染的危害是以低浓度受害人群数量的增加为代价的。
从新增污染点源的污染分析来看可以考虑在青年农场位置新建立一个源强为100000mg/s、烟囱高为150米的新点源。
4．道路交通管理
近年来，GIS在交通方面的应用得到了广泛的重视，并形成了专门的交通地理信息系统GIS-T，以满足道路交通管理方面的要求。
下面分几个方面介绍GIS在公路方面的具体应用。
4．1路廓设计
路廓设计是公路设计中的一个重要环节，是定出公路最终线向的一个步骤。
在路廓设计中，要综合分析多种空间数据，包括大比例尺的土地利用图、地形图以及现有的道路网等。
从各方面收集来的资料合并到GIS资料库中，建造约束多边形，确定公路需要避开的区域，通常这些多边形可以分为三级：
1）第一级约束是必须要避开或减至最少；
2）第二级约束是尽量避开或减至最少；
3）第三级约束是可以避开或减至最少。
根据需要可以用权重表示不同的约束等级，并在地图上分别显示，以便设计员在设计路线时尽量绕开这些区域。
然后将每条试验性线路输入到GIS中，利用缓冲区分析得到路廓多边形，与约束多边形进行叠加分析，计算路廓与每个多边形相交的总面积，并乘以权重，得到该试验线路的约束影响的加权总面积（TotalImpactWeightedArea,TIWA），用于比较这些线路设计。
在计算得到TIWA之后，可以根据DEM进行线向的详细设计，其主要操作是根据DEM得到道路横断面，进而进行填挖方的优化，得到最终的路廓设计结果。
4．2道路管理
4．2．1道路管理涉及的属性
在公路管理中，通常需要根据其类别、车道数目和路面种类进行分类，其管理的属性包括：
1）公路属性：
路网标识，道路标识，路段标识，参考点等；
2）几何属性：
路面宽度，路向，车道数目，坡度等；
3）设施属性：
中央隔离带和隔离物，护轨，桥梁，交通标志，路灯，交通量计算仪；
4）公用设施：
收费所，交叉口，涵洞，交通管理站等；
5）建筑材料属性：
面层，覆盖层，基层，路基；
6）道路使用统计属性：
交通量，每天平均流量，事故，车重统计，车类统计，进路要求；
7）验收记录属性：
强度，粗糙度，障碍物，路面损坏程度，限速区段，车速调查；
8）合同属性：
预算，费用，图则，日期等；
9）维修工程属性：
工程类别，预算，费用，数量，日期。
这些属性是通过线性定位方法与路网建立关联，通常线性定位的方法有里程碑法和控制段法，前者采用路名和公路上的里程点来确定物体的位置；后者则将公路分成相连的、长度不等的控制段，每段有一个编码，并且其属性一致（表2）。
表14-2：
采用控制段方法记录属性
控制段
表层
车道数目
状态
起点
终点
CS1
砾石
2
坏
CS2
沥青
4
良好
30.08
30.16
CS3
沥青
2
尚好
30.16
30.2
CS4
沥青
2
良好
4．2．2动态分段
交通模型的一个特点是，多种线性物体，重叠在同一个路网上，如限速区段，公共交通线路都与路网重叠，这使得GIS在应用于交通时遇到困难，而动态分段（DynamicSegmentation）方法较好地解决了该问题。
动态分段是在数据库中纪录道路的每种属性的起止点到道路原点的距离，并不是真的将道路切断存储，适合于动态的分析，顾名动态分段。
采用动态分段之后，一个路段（Segment），是路网上两个交点间连线或者弧的一部分，路段的长度用其占连线的比例来表示，具有唯一的标识码。
在GIS数据库中，路段是依附于路网数据，本身没有坐标。
由于采用动态分段将道路的各种属性以及其分布集中在一个图层中进行管理，采用线性定位方法，因而容易实现各种“点线”以及“线线”的叠加查询分析，形如：
交通流量>800,000AND路面状况=“良好”AND道路分级=“省道”
4．3流量和路径分析
4．3．1道路网络拓扑
一个路网的表现方式可以偏重其“几何性”或者“拓扑性”，在道路设计中，需要用到其几何表现，而网络分析则着重于拓扑关系（图14-6）。
图14-6：
路网的两种表现方式
在交通网络中，大多数线与线之间的交点是具有拓扑性的交点，即在道路的交点处车辆可以转向；但是，由于在GIS中，使用的是平面图形（PlanarGraph），而有些道路的关系需要在三维空间中才能够正确表现，如立交桥，实际上道路并不直接相交，但是在平面图形上却表现为一个交点，这需要在应用时进行判定，区分拓扑交点和非拓扑交点，以防止出现错误的网络分析结果。
4．3．2用于道路网络分析的数据结构
进行道路网络分析时，可以只关注其拓扑数据表现，其数据结构和相关算法可以采用已经成熟的“图”数据结构，一种最为简单的实现方式就是“连通矩阵”，记录了结点与结点之间的连接关系（图14-7）。
图14-7：
网络连通矩阵
在连通矩阵中，单元格数值为1表示两个结点直接相连，反之表示不直接相连，这样的连通矩阵可以用于进行连通性、可达性分析；矩阵中每个单元格的数值还可以是结点之间的距离，不直接相连的结点间距离可以用无穷大表示，利用该矩阵可以进行最短路径搜寻。
在不考虑连线的方向性，即图是无向的，连通矩阵是对称阵，而在城市道路交通中，常常会出现“单行线”的情况，即连线是有方向的，这样矩阵是非对称的。
在城市交通应用中，还会出现“禁止左转”、甚至“禁止右转”的情况，这时，除了连通矩阵之外，还需要记录每个结点——即路口——的连通属性，同样可以用连通矩阵实现（图14-8）。
图14-8：
路口的转向和道路连通矩阵，其中第2，3条道路禁止左转
在实际的网络分析中，需要综合利用结点的连通矩阵和结点上道路的连通矩阵。
4．3．3流量和网络分析的具体应用和相关模型
流量和网络分析一般较多地应用于城市交通中，为城市交通管理和道路规划提供科学的决策支持，其中，有如下四类主要的模型：
1）“出行产生（TripGeneration）”模型
根据交通分析区（TrafficAnalysisZone,TAZ）的土地利用形态以及其它社会经济数据来估计各个区域所产生和吸引的交通量，例如，居住区会产生出行，而商业区则吸引出行。
2）“出行分布（TripDistribution）”
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