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地质信息系统技术

一、内容概述

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地质信息系统（GIS），产生于20 世纪60 年代。它随着人们对自然资源和环境的规划管理工作的需要以及计算机制图技术的应用而诞生，是一种对大批量空间数据采集、存储、管理、检索、处理和综合分析并以多种形式输出结果的计算机系统。1965 年，W.L.Garrison首先提出了“地质信息系统”这一术语，开创了这一新技术的发展史。此后，美国、加拿大、英国、澳大利亚等国均投入了大量人力、物力和财力，并逐步确立了他们在这一领域里的国际领先地位（黄润秋，2001）。

二、应用范围及应用实例

1.GIS技术在地质灾害信息系统中的应用

随着人口的急剧增长，经济的迅速发展和自然资源的大量消耗，不仅生态环境恶化，而且导致自然灾害（包括地质灾害）频繁发生。美国、印度等国是世界上地质灾害较为严重的国家，地质灾害具有类型多、分布广和成灾强度高的特点。这些地质灾害大部分发生在承灾能力较低的地区，给当地的经济和社会稳定构成了严重的威胁。地质灾害是地质环境质量低劣的表现，它的频发不仅反映了自然地质环境的脆弱性，而且反映了人类工程经济活动与地质环境间矛盾的激化。要使人类工程经济活动与地质环境之间保持较为协调的关系，就必须对地质环境进行评价，以了解不同经济发展过程中区域地质环境的基本态势和变化趋势，为环境管理和城市规划等提供依据，但传统技术手段已不能完全应付迅速反应的地质灾害。地质信息系统作为当前高科技发展的产物，集图形、图像与属性数据管理、处理、分析、输入输出等功能为一体，应是当前地质环境评价与地质灾害预测的强有力工具（赵金平等，2004）。

GIS 技术的产生是计算机技术和信息化发展的共同产物。是管理和研究空间数据的技术系统。可以迅速地获取满足应用需要的信息，能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果（曹修定等，2007）。国外尤其是发达国家在GIS应用与地质灾害研究方面已做了很多工作。从20世纪60年代至今，GIS技术的应用也从数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出，到DEM或DTM模型的使用，到GIS结合灾害评价模型的扩展分析，到GIS与决策支持系统（DSS）的集成，到网络GIS，逐步发展深入应用（黄润秋，2001）。

印度Roorkee大学地球科学系的R.P.Gupta和B.C.Joshi（1990）用GIS方法对喜马拉雅山麓的Ramganga Catchment地区进行滑坡灾害危险性分带。该项研究基于多源数据集，如航空像片、MSS磁带数据、MSS图像、假彩色合成图像及各种野外数据，包括地质、构造、地形、土地利用及滑坡分布。以上数据需要进行数字、图像等处理，然后解译绘制出专题平面图，包括地质图（岩性与构造）、滑坡分布图、土地利用图等。这些图件经数字化及有关数据都存储在GIS系统中，找出与滑坡灾害评价相关的因素，如滑坡活动与岩性的关系，滑坡活动与土地利用的关系，不同斜坡类型的滑坡分布情况，滑坡分布与主要断裂带的距离关系。经过统计及经验分析，引入一个滑坡危险系数（LNRF）。LNRF值越大，表示该地滑坡灾害发生的危险性越高。并且对LNRF的3个危险级别分别赋予0、1、2三个权重。考虑到滑坡的发生是多个因素综合作用的结果，故调用GIS的叠加分类模型，将各因素的权重叠加，得到综合图件，图上反映的是每个地区的权重总和。根据给定标准，即可在这张图上勾绘出滑坡灾害危险性分区图。

荷兰ITC的C.J.Van Westen和哥伦比亚IGAC的J.B.Alzate Bonilla（1990）基于GIS对山区地质灾害进行分析。他们在数据采集、整理方面做了大量工作，建立了一套完整的数据库。在此基础上，开发出了分析评价模型，如斜坡稳定性分析模型，其主要功能是计算斜坡稳定的安全系数。另外，两位学者还利用GIS所生成的数字高程模型（DEM），开发出了一部山区落石滚落速率计算模型，并据此绘出了研究区内落石速率分区图（黄润秋，2001）。

美国科罗拉多州立大学Mario Mejia-Navarro和Ellen E.Wohl（1994）在哥伦比亚的麦德林地区，用GIS进行地质灾害和风险评估（姜作勤，2008）。利用GIS对麦德林地区地质灾害进行了分析和研究，重点考虑了基岩和地表地质条件、构造地质条件、气候、地形、地貌单元及其形成作用、土地利用和水文条件等因素。根据各因素的组成成分和灾害之间的对应关系，把每一种因素细分为不同范畴等级，借助于GIS软件（GRASS）的空间信息存储、缓冲区分析、DEM模型及叠加分析等功能，对有关滑坡、洪水和河岸侵蚀等灾害倾向地区进行了灾害分析，并对某一具体事件各构成因素的脆弱性进行评价。

同样是美国科罗拉多州立大学Mario Mejia-Navarro博士后等人（1996）将GIS技术与决策支持系统（DSS）结合，利用GIS（主要是地质资源分析系统GRASS软件）及工程数学模型建立了自然灾害及风险评估的决策支持系统并应用在科罗拉多州的Glenwood Springs地区（姜作勤等，2001）。应用GIS建立指标数据库，并建立基于GIS的多个控制变量的权重关系式。对泥石流、洪水、地面沉降、由风引起的火灾等灾种进行了灾害敏感性分析、脆弱性分析及风险评估，辅助政府部门做出决策。

美国地质调查局（USGS）已把加强城市地质灾害研究列为21世纪初的重要工作，借助GIS编制美国主要城市地区多种灾害的数字化图件，这种做法与西欧国家的城市地质工作的总趋势一致。其中，美国科罗拉多州格伦伍德斯普林市的城市地质灾害评价项目最具代表性。由于该市位于山区河谷地区，崩滑流地质灾害制约着城市的发展，为此，城市规划部门委托科罗拉多州立大学，开展了GIS地质灾害易损性和风险评价编图研究，最终按14种土地利用适宜性等级，对评价区进行了土地利用区划，圈出了未来城市发展的适宜地段和高风险区，在此基础上建立了城市整体化决策支持系统。

综上所述，可以看出，国外尤其是发达国家将 GIS 应用于地质灾害研究起步较早（表1），研究程度已远远超过我们，此方面的应用也随着GIS技术的自身发展而深入（黄润秋，2001）。

2.GIS在地质矿产勘查中的应用

地质信息系统与现代地球及其相关科学日益增长的需求相适应，以处理地球上任何具有空间方位的海量信息为特征，具定量、定时、定位等优点，近10年来已在地质矿产勘查中得到广泛应用。一个区域各种地质资料（图形、图像、文字、逻辑、数值）的GIS分析实际上代表该区域现阶段较为客观的总认识。目前，野外收集资料、数据建库、GIS分析等尚存在规范化、标准化等问题，GIS本身解决诸多专业性较强地质问题的能力亦不足。但GIS的进一步发展与完善必将使地质矿产勘查进入一个数字化的新时期（周军等，2002）。

GIS因解决地质问题而产生，其雏形可以追溯到20 世纪60 年代。加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先于1963年提出地质信息系统这一术语，建成世界上第一个GIS即加拿大GIS（CGIS）一并应用于资源管理与规划。1970～1976年间美国联邦地质调查局建成50多个信息系统并进行综合地质研究，德国在1986 年建成DASCH系统，瑞典、日本等国也陆续建有自己的GIS。GIS的发展与计算机科学的高速发展并行，主要发生在过去的20年中，而近10年来发展更快（周军等，2002）。

表1 国外GIS在地质环境与地质灾害研究中的应用

GIS因解决地质问题而产生，其雏形可以追溯到20 世纪60 年代。加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先于1963年提出地质信息系统这一术语，建成世界上第一个GIS即加拿大GIS（CGIS）一并应用于资源管理与规划。1970～1976年间美国联邦地质调查局建成50多个信息系统并进行综合地质研究，德国在1986 年建成DASCH系统，瑞典、日本等国也陆续建有自己的GIS。GIS的发展与计算机科学的高速发展并行，主要发生在过去的20年中，而近10年来发展更快（周军等，2002）。

ArcInfo与ArcView GIS是当前最流行的两个软件包，为美国ESRI（Environmental Systems Research Institute，Inc.）的重要产品，被许多国家官方确定为国土资源、地质、环境等管理、研究的主要地质信息系统。ESRI始建于1969年，由Jack Dansermond和Laura Dangermond用自己平时积蓄的1100美元起步，经过20世纪70年代的艰苦奋斗，1981年推出新型ArcInfo，1986年微机版的PC ArcInfo投入市场，1991 年又一力作ArcView GIS问世。1981年ESRI在其Redlands总部召开首次用户会议，仅18人到场，而1998年的用户大会有来自90个国家的8000多位代表。

ESRI的发展史反映了GIS从无到有、从弱到强、迅速成长壮大的发展历程，也从一个侧面显示出GIS巨大的市场潜力和难以估量的应用价值。

据悉，1995年市场上有报价的GIS 软件已达上千种，但主要占据市场的不过10 余种。除上述提到的ArcInfo与ArcView GIS外，国外的GIS代表作还有MapInfo、ErMapper、Idrisi Endas、Erdas、Genamap、Spans、Tigris等。

GIS已在地质矿产勘查中得到广泛应用，并取得许多瞩目成果。美国、加拿大、澳大利亚早在1985～1989年就将其应用于地质矿产调查和填图。目前，澳大利亚开始利用笔记本电脑以数字形式采集野外地质数据，建立有关数据库，借助ArcInfo与ArcViewGIS编制第二代地质图件。

三、资料来源

曹修定，阮俊等.2007.GIS技术在地质灾害信息系统中的应用.中国地质灾害与防治学报，18（3）：112～115

黄润秋.2001.面向21世纪地质环境管理及地质灾害评价的信息技术.国土资源科技管理，18：30～34

姜作勤.2008.国内外区域地质调查全过程信息化的现状与特点.地质通报，27（7）：956～964

姜作勤，张明华.2001.野外地质数据采集信息化所涉及的主要技术及其进展.中国地质，28（2）：36～42

赵金平，焦述强.2004.基于GIS的地质环境评价在国外的研究现状.南通工学院学报（自然科学版），3（2）：46～50

周军，梁云.2002.地理信息系统及其在地质矿产勘查中的应用.西安工程学院学报，24（2）：47～50

为什么每年雨季过后的9月至12月，印度北部都会被浓烟笼罩？

近些年来，地理信息技术大步走出象牙塔，被迅速推广到众多的 社会 部门，越来越深刻的影响着我们的生活，许多复杂的问题，都可以借助地理信息技术手段加以解决。目前常见的地理信息技术包括地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）。现代地理信息技术的应用，使得我们能够更快、更全面、更详细的获取各类地理信息，如今在地球周围的太空中，分布着数以千计的各类卫星，其中有许多都是遥感卫星。

这些卫星利用各类传感器对地面进行遥感，从而获取地表信息，对于地表资源普查和防灾减灾方面具有重要意义。通过，卫星遥感可以对地球表面的火灾情况进行监测和预报，及时了解大规模火灾，特别是森林和草原大火的规模和蔓延方向，从而为灭火提供依据，但是有些时候卫星遥感拍摄到的火灾可能并非自然现象。科学家发现，每年雨季过后的9月至12月期间，南亚国家印度的北部地区都会被浓烟笼罩。

在印度北部的旁遮普邦、哈里亚纳邦、中央邦和北方邦等地区，出现了长时间大范围的浓烟笼罩，其中旁遮普邦的情况尤为严重。从浓烟的量来看，很显然印度北部地区发生了大规模的火灾，这是怎么回事呢？我们知道野外火灾的发生通常要具备多个条件，比如高温天气、干燥天气，多可燃物分布等。印度位于南亚地区，属于热带季风气候，气温表现为终年高温，符合火灾发生的条件。在降水方面，印度北部年降水量大，一年中分明显的雨季的干季，每年大约5月至9月为雨季，来自印度洋的西南季风带来湿润的气流，带来丰富的降水。

一般来说，雨季过后的9月至12月份，总体上水分充足，降水逐步减少，并不十分符合干燥天气的条件。因此在此时期发生如此大规模的野外自燃火灾，几乎是不可能的，那么一来，我们可以肯定，每年印度北部地区在9月至12月发生的大规模火灾，应该是人为因素造成的。印度民众为什么要认为放火呢？他们烧掉的是野外的自然植被吗？印度的地形可以分为北部山地，中北部恒河平原，中南部和南部地区为德干高原，其中位置相对偏北的恒河平原地区是印度人口最为稠密的区域，很少分布有自然植被，也就缺乏了森林自燃的基础条件。

从印度的农业分布来看，印度北部恒河平原地区主要种植的粮食作物是水稻，一般来说在每年雨季来临之前的5月，当地民众就会播种水稻，在接下来的整个雨季中都是水稻的生长季节，而到了雨季结束的9月，就进入到了水稻的收割季节。大规模火灾发生的时间，刚好是水稻收割的季节，两者会不会有什么关联呢？事实上造成印度北部9月至12月大规模火灾的发生，其原因就是和水稻收割有关，水稻收割后，当地农民在田间进行大规模的焚烧稻草秸秆，从而产生滚滚浓烟。

印度是一个发展中国家，农业生产方式相对落后，水稻种植多小农经营，而水稻秸秆的焚烧可以增加土壤的肥力，是当地农民传统的生产方式。不过，由于印度北部地区水稻收割后，进入到了一年中的干季，降水偏少，加上秋冬季节由于北部喜马拉雅山脉的阻挡，冬季的东北季风相对较弱。气候较干加上风力较小，使得印度北部焚烧秸秆产生的浓烟很难消散，今年11月9日，印度新德里的颗粒物含量飙升至每立方米950微克，这一数值是世界卫生组织认为安全上限的38倍。农业秸秆焚烧，加上车辆、工厂、炉灶等产生的大气污染物质，更加加剧了印度的雾霾严重程度。

地理信息系统用什么软件？

用GIS

地理信息系统（GIS）是一个获取、存储、编辑、处理、分析和显示地理数据的空间信息系统，其核心是用计算机来处理和分析地理信息。地理信息系统软件技术是一类军民两用技术，不仅应用于军事领域、资源调查、环境评估等方面，也应用于地域规划，公共设施管理、交通、电信、城市建设、能源、电力、农业等国民经济的重要部分。比如，基于GIS平台的120医疗急救指挥信息系统，就可以利用GIS技术定位呼救点，自动标注发病地点以及会面地点，并按照距离远近推荐5个就诊医院。

专家指出，世界上75％到80％的信息都与地理空间位置有关。作为“数字地球”的骨架支撑技术之一，地理信息系统关系到国民经济建设、社会发展和国家安全。目前GIS软件在国际上已经得到了很好的应用，如日本的GIS市场已经达到了数百亿美元。在我国，从事GIS软件和应用开发的企业超过了1000家，包括软件、硬件、培训、教育等在内，GIS市场也可以达到百亿元之巨。

国内的重要的软件就是超图公司的SurperMap、中地数码的MapGIS软件和武大吉奥的GeoStar。作为国内GIS软件厂商在中国市场份额最高的企业，中科院旗下的北京超图地理信息技术有限公司不仅彻底打破了国外软件一统江山的尴尬局面，还成功进入日本、韩国、印度、美国、法国、意大利、香港等国家和地区，开创了中国GIS软件国际化的先河。