GIS在農(nóng)業(yè)面源污染研究中的作用
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1數(shù)據(jù)的管理與處理
gis數(shù)據(jù)管理和處理的功能十分強(qiáng)大袁能夠?qū)Χ喾N地理空間實(shí)體數(shù)據(jù)及其關(guān)系淵包括空間位置數(shù)據(jù)堯地形數(shù)據(jù)堯感影像數(shù)據(jù)堯?qū)傩詳?shù)據(jù)等各種數(shù)據(jù)冤進(jìn)行處理和分析袁實(shí)現(xiàn)空間處理和可視化。
1.1數(shù)據(jù)庫技術(shù)
農(nóng)業(yè)面源污染涉及到大量的空間數(shù)據(jù)袁主要包括行政區(qū)劃數(shù)據(jù)堯農(nóng)戶基本情況堯化肥農(nóng)藥采樣數(shù)據(jù)堯流域降雨量堯統(tǒng)計(jì)年鑒堯土壤類型數(shù)據(jù)堯數(shù)據(jù)高程數(shù)據(jù)digitalelevationmodel袁DEM冤堯土地利用數(shù)據(jù)堯河網(wǎng)數(shù)據(jù)等以及各個(gè)數(shù)據(jù)相關(guān)描述性材料由于利用傳統(tǒng)的機(jī)理環(huán)境模型無法自動(dòng)完成這些數(shù)據(jù)的前期處理袁也無法完成后期的可視化工作袁致使傳統(tǒng)的模型的應(yīng)用得到限制而GIS具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理功能袁不僅能夠分類堯存儲(chǔ)堯修改堯查詢堯管理和顯示這些數(shù)據(jù)袁還能夠建立空間信息與屬性信息相互關(guān)聯(lián)袁最重要的是GIS能將不同來源的空間信息及其相互關(guān)系方便地顯示出來。
1.2數(shù)據(jù)處理
GIS具有強(qiáng)大的空間分析功能袁在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取堯?qū)傩詳?shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的數(shù)值計(jì)算堯空間數(shù)據(jù)的分析等方面應(yīng)用很廣泛在數(shù)據(jù)獲取上袁金 苗等使用ArcGISExplorer軟件獲取太湖流域感圖像袁并計(jì)算太湖流域耕地面積曰在數(shù)值計(jì)算上袁史健鵬等以GIS為平臺(tái)估算其耕地面積和化肥的科學(xué)施用量袁成杰民等用GIS軟件的空間分析野區(qū)類統(tǒng)計(jì)冶命令袁按照南四湖沿岸不同的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為區(qū)類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)袁整理確定USLE模型下南四湖沿岸的氮磷流失情況曰姜世英等以GIS為手段進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染PSR評(píng)價(jià)在空間數(shù)據(jù)處理上袁劉建昌等對(duì)流域DEM進(jìn)行3D分析袁提取坡度坡長圖袁求出地面表面積袁WANG et al利用SWAT模型根據(jù)土壤特征進(jìn)行土壤分類袁根據(jù)其空間分布特征得到關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布曰萬 超等通過ArcView的AvSWAT擴(kuò)展模塊袁利用DEM進(jìn)行匯流分析可以生成河網(wǎng)袁進(jìn)而劃分子流域GIS的空間分析功能能直觀地解析出研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化情況袁從而為面源污染的時(shí)空分異研究提供依據(jù)。
2模型集成與信息系統(tǒng)開發(fā)
2.1模型集成
GIS技術(shù)具有高效堯靈活堯直觀等優(yōu)點(diǎn)袁有著強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理能力袁適合于像面源污染這種復(fù)雜現(xiàn)象的研究將GIS與各類面源污染模型相結(jié)合袁一直是國外面源研究的熱點(diǎn)如GIS與NLEAP模型堯GIS與DRASTIC模型堯GIS與SWAT模型堯GIS與USLE模型堯ARC/INFO與CMLS模型堯ARC/INFO與AGNPS模型等國內(nèi)農(nóng)業(yè)面源模型研究起步相對(duì)較晚袁但自21世紀(jì)初以來袁AGNPS模型堯AnnAGNPS模型堯SWAT模型等與GIS的結(jié)合發(fā)展迅速袁并得到廣泛的應(yīng)用如趙 剛等將AGNPS模型與GIS技術(shù)結(jié)合袁運(yùn)用于云南省撈魚河小流域試驗(yàn)區(qū)袁并模擬評(píng)價(jià)幾種常用的土壤侵蝕控制措施的應(yīng)用效果黃金良等在中國東南丘陵山區(qū)九龍江流域借助GIS和相關(guān)資料確定模型參數(shù)袁檢驗(yàn)了連續(xù)要分布式參數(shù)模型AnnAGNPS模型的適用性蘇保林等以密云水庫流域?yàn)檠芯勘尘霸⒘嘶赟WAT模型的密云水庫流域面源模型系統(tǒng)袁并采用長系列實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)模型系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)確定和模型驗(yàn)證此外袁近年國內(nèi)新引進(jìn)了一些面源污染的綜合模型袁如HSPF模型堯CREAMS模型堯ULES模型堯GLEAMS模型也得到了應(yīng)用GIS與面源模型的集成不僅可以在模型的不同模塊之間方便地完成數(shù)據(jù)交換堯信息共享與反饋袁還可以將模擬結(jié)果以生動(dòng)形象的圖形方式呈現(xiàn)給環(huán)境管理人員袁并且以這些信息為基礎(chǔ)袁完成相關(guān)流域水質(zhì)多情景的預(yù)測堯判斷和分析。
2.2面源信息系統(tǒng)開發(fā)
隨著面源污染研究模型的演進(jìn)與發(fā)展袁以及信息化普及的要求袁農(nóng)業(yè)面源信息管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用勢在必行袁結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)堯空間信息技術(shù)堯虛擬可視化等技術(shù)也是形勢所趨系統(tǒng)開發(fā)的模塊主要是針對(duì)污染過程的模擬堯污染負(fù)荷的核算堯污染源的監(jiān)管等幾個(gè)方面王云鵬利用感和GIS技術(shù)建立面源信息系統(tǒng)并以深圳為例介紹了基于感和GIS的NPSIS的建立方法袁建立了基于面源信息系統(tǒng)的分析計(jì)算模塊袁并進(jìn)行了初步的面源計(jì)算與分析施加春等通過利用GIS及其相關(guān)技術(shù)袁特別是網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)淵WebGIS冤技術(shù)淵ArcIMS堯ArcSDE冤的應(yīng)用袁建立了一個(gè)基于WebGIS的農(nóng)業(yè)面源污染信息系統(tǒng)淵ANPSPIS冤王玉坤等借助GIS實(shí)現(xiàn)對(duì)上海農(nóng)田化肥農(nóng)藥使用的監(jiān)測和管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)王依賀等對(duì)北京市大興區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染普査數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)進(jìn)行了詳細(xì)分析袁對(duì)縣域農(nóng)業(yè)面源污染普查系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行論述面源信息系統(tǒng)的自行開發(fā)不僅可以改進(jìn)面源模型堯修改污染負(fù)荷核算方法袁還可以自行定制數(shù)據(jù)分析和滿足特殊業(yè)務(wù)需求。
3其他應(yīng)用
3.1可視化表達(dá)
農(nóng)業(yè)面源污染研究中的可視化主要是指對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源分布堯污染程度堯流域河網(wǎng)等的空間可視化表達(dá)GIS技術(shù)的可視化表達(dá)主要有2個(gè)方面袁一方面是通過與模型的集成袁在GIS軟件中直接繪圖顯示曰另一方面是獨(dú)立開發(fā)面源信息系統(tǒng)袁再進(jìn)行袁編程實(shí)現(xiàn)矢量圖形的電子形式表達(dá)和圖片的輸出董亮借助GIS軟件GRASS繪制了DRASTIC風(fēng)險(xiǎn)圖堯LDRASTIC風(fēng)險(xiǎn)圖堯地下水風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖萬 超等利用ArcView軟件的一個(gè)擴(kuò)展模塊AvSWAT劃分區(qū)域子流域和河網(wǎng)葉 春等利用GIS空間分析功能袁將N堯P分布密度標(biāo)準(zhǔn)化處理袁通過GIS軟件顯示制圖袁繪制了N堯P污染指數(shù)圖曰劉建昌等利用ArcGIS對(duì)DEM進(jìn)行3D分析袁提取坡度坡長圖WANG et al基于SWAT模型繪制了土壤侵蝕的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)分布圖徐麗萍等通過統(tǒng)計(jì)新疆地區(qū)農(nóng)藥堯化肥投入密度袁利用GIS軟件渲染功能袁分級(jí)劃定實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥化肥污染程度分布空間表達(dá)。
3.2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
識(shí)別流域內(nèi)關(guān)鍵源區(qū)并加以重點(diǎn)控制是流域面源污染治理的最有效手段目前袁基于GIS的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要集中在污染物的分布確定堯水土分布流失風(fēng)險(xiǎn)區(qū)確定堯關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別方法制定等幾個(gè)方面雷能忠等在GIS支持下袁實(shí)現(xiàn)模型所需數(shù)據(jù)的提取及分析運(yùn)算袁獲得多尺度農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)程度分布圖袁為農(nóng)業(yè)面源污染控制提供工作目標(biāo)區(qū)WANG et al根據(jù)觀測數(shù)據(jù)對(duì)SWAT模型進(jìn)行驗(yàn)證和率定袁并利用SWAT模型進(jìn)行模擬袁揭示了清江流域面源污染的時(shí)空分布特征袁確定了清江流域水土流失風(fēng)險(xiǎn)區(qū)宋月君等以GIS的空間分析功能和養(yǎng)分平衡計(jì)算等方法為依托袁參照國際常用的磷指數(shù)法袁對(duì)黃河流域主要農(nóng)用地進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源磷污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)張汪壽結(jié)合面源污染和水系污染野外監(jiān)測袁最終提出平原區(qū)關(guān)鍵源區(qū)的識(shí)別方法和技術(shù)流程。
4結(jié)語
GIS憑借在空間信息處理堯數(shù)據(jù)庫技術(shù)堯數(shù)學(xué)計(jì)算堯可視化表達(dá)等多方面的優(yōu)勢袁廣泛地被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)面源污染研究中數(shù)據(jù)庫技術(shù)為農(nóng)業(yè)面源污染提供了最底層的數(shù)據(jù)管理袁數(shù)據(jù)處理為模型的參數(shù)和必備圖層提供了初始條件袁可視化表達(dá)為結(jié)果的輸出提供了形象的表達(dá)袁GIS與面源模型的結(jié)合充分地利用了其強(qiáng)大的空間分析功能袁同時(shí)也完善了面源模型的發(fā)展自GIS被引入到農(nóng)業(yè)面源污染研究中以來袁污染負(fù)荷核算和模型集成一直是研究的熱點(diǎn)袁近年來袁面源污染的時(shí)空分布特征和空間分異性研究逐漸成為熱點(diǎn)袁但隨著WebGIS和組件式地理信息系統(tǒng)淵ComGIS冤的興起和發(fā)展袁為農(nóng)業(yè)面源污染研究提供了新的契機(jī)和活力袁使得農(nóng)業(yè)污染信息的和與農(nóng)業(yè)面源污染模型結(jié)合變得更加方便但目前基于WebGIS和ComGIS的研究尚不多見袁這2個(gè)方面的研究將是基于GIS技術(shù)農(nóng)業(yè)面源研究的方向。
作者：毛鹍 周美春 胡國仲 單位：江蘇省常州市環(huán)境科學(xué)研究院