GIS在流域戰略環境評價中的應用

張敏

（水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

GIS在流域戰略環境評價中的應用

張敏

（水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

流域戰略環境評價中涉及因素不僅包括屬性數據，也包括空間數據，可以利用GIS進行數據管理、分析。本文介紹了疊圖法、緩沖區分析法的原理及其在戰略環境評價（SEA）的背景狀況調查、范圍界定、影響確認等過程中的應用。基于GIS與專家系統（ES）及環境遙感（RS）的集成開發的決策支持系統可以應用到流域SEA工作中，文章闡述了開發流域SEA決策支持系統的設想，并給出了流域SEA決策支持系統的基本結構。

戰略環境評價；地理信息系統；疊圖法；緩沖區分析；流域SEA決策支持系統

1 戰略環境評價及其方法

1.1 戰略環境評價

起源于20世紀70年代的戰略環境評價（SEA）是環境影響評價在戰略（包括法律、政策、計劃、規劃）層次上的應用，其目的是通過SEA消除或降低因戰略失效造成的環境影響，從源頭上控制環境問題的產生。

與傳統的項目環境影響評價（EIA）相比，它超越了單個項目在時間、空間上的局限性，將空間分析范圍擴展到區域甚至全球水平，將區域內或全球的環境、資源作為一個整體來考慮，體現政策的全球效應；從時間上，不只是考慮當前和預測的影響，還要考慮過去的影響以及影響隨時間的變化，并對可能產生的影響進行預測。能充分考慮多個“小”的環境影響的累計效應，以及多個項目的綜合效應，充分考慮發展項目或某一戰略對地區的長期、間接效應及當地環境承載力。

目前許多國家的決策制度，往往將經濟、社會、環境要素分離，對流域可持續發展產生很大影響，實施SEA，把環境更為系統地納入戰略決策過程中，通過分析、預測和評價戰略環境影響，提高決策的質量，保證決策順利實施。

1.2 戰略環境評價方法

由于SEA相對于傳統的EIA所研究對象更為宏觀，影響范圍更廣，時間跨度更長，涉及因子更多，因此，許多用于EIA的方法不能直接用于SEA。應用于SEA的傳統的EIA方法可以有清單法、矩陣法、系統流程圖法等。政策評價方法也可應用于SEA工作過程中，例如政策價值分析，政策可行性分析等。SEA的研究對象是社會經濟環境這一復合系統，研究涉及到戰略學、決策學、社會學、經濟學、環境科學等多方面。因此，能夠將專家群體、信息和計算機技術有機結合，將各學科的理論和個人的知識經驗結合起來，以發揮整體優勢和綜合優勢，將各種定性到定量的方法應用于SEA的各個環節。

SEA的宏觀性與綜合性特點決定了它所采用的方法多為定性法、半定量法，以便對SEA對象的某一性質、特征或某一趨勢進行定性描述。半定量方法是介于定量方法與定性方法之間的一種形式，是對定性結果的量化（例如主觀評分法）或者是對定量結果的定性描述（例如等級分級法）。戰略環境影響綜合評價更多地使用加權比較法，逼近理想狀態排列法，費用—效益分析法，可持續發展能力評價法，環境承載力評價法和對比分析法。

在時間、人力、技術手段允許條件下，盡可能使用定量方法，以降低SEA的不確定性。為保證SEA結論的客觀、科學，綜合集成技術將是SEA方法研究的一個發展趨勢。

2 地理信息系統（GIS）及其主要功能

2.1 GIS

GIS萌芽于21世紀60年代初，70年代以后開始有專業的土地信息系統和地理信息系統的問世。直到80年代，許多國外廠家相繼推出了地理信息系統產品，如ESRI公司開發的基于拓撲結構的ARC/INFO，美國MAPINFO公司開發的基于WINDOWS的Mapinfo，美國IBM公司的GDBS。地理信息系統是一個在計算機軟硬件的支持之下，以空間數據為基礎，儲存、檢索、處理、顯示數據的屬性信息和空間信息，并采用地理模型分析法，適時提供多種空間和動態的地理信息，為科學研究和決策服務而建立的計算機系統。一個典型的地理信息系統應包括三個基本部分：計算機系統（軟、硬件）、地理數據庫系統、應用人員與組織機構。經過三十幾年的發展，GIS已經成為一門集計算機科學、地理學、環境科學、經濟科學、城市科學、空間科學和管理科學于一體的跨學科的新興邊緣科學。

2.2 GIS的主要功能

地理信息系統的基本功能包括：數據采集、檢驗與編輯，主要用于獲取數據保證數據在屬性與空間上的完整性、數據邏輯一致、無誤；數據存儲與組織，其中關鍵的是如何將屬性數據與空間數據融合為一體；數據格式化、轉換、概化，通常稱為數據操作，包括數據格式、比例尺的轉化以及空間數據的平滑、特征集結；查詢、檢索、統計、計算功能；多邊形中的實體屬性分析；結果顯示，有一個友好的人機交互式的制圖、輸出環境是判斷地理信息系統性能的標準之一。

地理信息系統的空間分析功能可用于分析和解釋地理特征間的相互關系及空間模式。空間分析可分為三個不同的層次，第一是空間檢索，包括從空間位置檢索屬性和根據屬性檢索空間物體；第二是空間拓撲疊加分析，包括矢量疊加和柵格疊加兩種類型；第三是空間模擬分析。

GIS具有強大的數據庫管理功能，同時又能將屬性數據與空間數據有效地連接起來，建立各種地理對象的拓撲關系，實現對區域信息的查詢、檢索及有效管理，進行空間分析，并產生新的圖形或信息。

在進行SEA過程中，可以根據需要，利用GIS數據庫管理功能建立數據庫，例如環境標準、環境法規數據庫，根據不同的SEA選擇適當的環境標準、法規，使各項規劃、計劃與現行的標準、法規相匹配，對于政策SEA，保證與原有政策法規相一致，且不庸余；區域自然與社會經濟信息庫，包括區域自然概況、經濟發展概況、人口分布狀況、年齡結構、受教育程度及其它相關信息；區域環境質量信息與污染源信息數據庫，包括大氣、水、生物、噪聲、土壤及其它有關信息等。

SEA的基礎數據庫是利用GIS進行查詢及空間綜合分析的基礎，在此基礎上，利用GIS的各種工具可以執行諸如統計、畫出緩沖區、將不同的地理對象進行圖形疊加、從不同的地理對象中劃分空間特征及根據具體的性質選擇特征，識別和分析環境影響在空間、時間上的特征，空間模擬分析則能同時發揮系統本身的作用和使用者的能力。

3 GIS在流域SEA中的應用

3.1 疊層法在流域SEA中的應用

疊加分析是將兩層或多層地圖要素進行疊加產生一個新要素層的操作，其結果將原來要素分割生成新要素，新要素綜合了原圖層要素所具有的屬性。疊加類型可分為：多邊形疊加、點與多邊形疊加、線與多邊形疊加。

GIS的疊圖功能，可以應用在SEA中大區域環境背景狀況調查分析和戰略環境影響的識別過程中。例如對某一區域的不同時段的多個不同的環境影響因素及其特征（例如環境質量狀況，人口分布，自然條件，地形地貌等）進行疊加，分析環境質量變化與諸因素之間的相關關系，從而得出該地區的環境制約因子以及環境變化與各因素之間的相互關系，確定顯著的環境影響以及環境影響的發生地點、受影響者及其敏感性，以及影響發生的時間、強度。

德國對風場選值的評價成為這一SEA的關鍵步驟。運用GIS疊圖技術，在SOEST區對于風場選值問題進行了成功的研究。風力電廠選址的條件包括政府關于風場行選址的要求：遠離自然保護區、國家公園、森林、水體等條件之外，還包括當地的年平均風速，土地利用狀況，景觀，鳥類尤其珍稀鳥類的分布等。因此，將上述因素的圖件：1:25 000的土地利用現狀圖，鳥類在SOEST地區的分布圖，該地區的風頻、風速分布圖，發展計劃、保護區分布圖，SOEST生境狀況及有保護價值的生境分布圖等，輸入ARC/INFO，在ARC/INFO中將這些信息進行疊加綜合，從而得出禁止、嚴格禁止合適以發展風場的地區的分布圖及有關屬性數據庫。這一結果，對于政府發展規劃、管理模型及具體建設的項目審批以及對政策產生的環境影響的評價、預測等都有積極的作用。

3.2 緩沖區分析法在流域SEA中的應用

緩沖區分析是針對點、線、面實體，自動建立起周圍一定寬度范圍以內的緩沖區多邊形。緩沖區的產生有3種情況：基于點要素的緩沖區；基于線要素的緩沖區；基于面要素多邊形邊界的緩沖區。

對某一客觀實體或政策進行評價時，常常要考慮到其在一定范圍內的影響，利用GIS緩沖分析功能，建立點、線或面的緩沖多邊形，利用流域污染數據庫及環境特征數據與各種環境預測模型相關聯，采用模型預測模式對環境質量進行預測，再結合一定的模型（例如污染擴散模型、衰減模型等），可以快速得出某點源污染，某一流域的影響程度，受影響區域內的自然環境狀況、經濟發展狀況，以及在受影響范圍以內有無敏感點的存在，受影響的人群、動植物數量、分布，可能造成的環境、經濟影響，并據此與替代方案比較。同時利用GIS建立分析結果的地圖。

SEA環境背景調查過程中，建立某一政策實施區域的緩沖區，對于界定環境影響的作用范圍有重要作用，任何一項戰略其執行范圍一般以行政區劃為依據，但其影響效應并不局限于執行范圍內，緩沖區的建立，有利于從更大的范圍內對該戰略進行分析，避免或減少人為劃定行政界限的局限性，全面地考慮戰略的環境效應。

同時，將緩沖區分析手段與地圖法相結合，可在SEA中發揮作用。對一地區主要單位、街區做出緩沖區，可以模擬該區域若干年后的發展規模，再與該地自然狀況、自然分布狀況、主要敏感點分布等圖層進行疊加，即可得出發展可能出現的問題，例如資源的短缺、對敏感點的干擾等，判斷流域環境承載力與發展規模是否協調，由此對當前的發展計劃、發展政策評價提供依據。

4 開發流域SEA決策支持系統—GIS與ES、RS的結合

4.1 GIS與專家系統（ES）

傳統的GIS的主要重點放在了數據庫的建立、維護、管理和空間分布上，還無法為多目標、多層次的空間復雜問題，如環境規劃、土地規劃、生產力布局等提供足夠的決策支持。這是因為GIS在處理、分析空間數據時，缺乏知識處理和進行啟發式推理的能力，而這涉及到經驗和知識的表示和處理，單靠GIS無法解決這些問題。

專家系統是一種以知識為基礎，能對某一專門領域的問題提供“專家級”的解決辦法的計算機程序。它面向現實世界中那些需要專家來分析、求解的半結構化或非結構化的復雜問題，強調利用專家的專門知識和推理方法來實現專家水平上的問題求解。利用專家系統，可以全面考慮相關因素，使決策這更易于利用專家的知識求解。

4.2 決策支持系統（DSS）

鑒于GIS與ES各有優勢，兩者具有一定互補性，它們的結合可以揚長避短，增強整體功能，構建智能型GIS。另外，RS技術則能為研究提供及時、準確的數據信息，產生了GIS，RS，ES與環境模式的理想的結合——環境決策支持系統（EDSS）。其中，RS為環境模型提供可靠、準確、快速的數據源，ES提供豐富的知識庫，而GIS提供方便的相互結合的環境。

以此為基本框架，研制開發了一系列的流域環境決策支持系統，其基本結構提供了進行環境現狀評價、環境影響評價、污染物削減及宏觀控制，環境經濟持續發展決策支持等功能；提供數據庫與圖形的互訪；還包括常用的、規范的方法，例如預測方法，統計分析方法，聚類方法，規劃方法等。其基本結構包括空間數據庫、方法庫、模型庫及其相應的管理系統，利用地理信息系統的數據管理及空間分析能力，為系統提供工作環境，利用專家系統，建立各類知識庫，并利用其完備的推理機制進行輔助決策。

4.3 流域SEA決策支持系統設計

在SEA工作過程中，可以仿照上述軟件，開發戰略環境評價決策支持系統，綜合利用GIS數據庫管理能力、空間分析能力，以及專家系統的豐富的知識庫和判斷、邏輯推理能力，為SEA提供信息、資料及決策輔助支持。戰略環境評價決策支持系統基本結構見圖1。

在此決策支持系統中，GIS作為軟件主體及核心，專家系統提供智力支持。GIS與專家系統兩者集成的體系結構主要有兩種形式：嵌入結構和對稱結構，其中對稱結構相對簡單，易于開發，GIS與專家系統保持相對獨立，GIS用來產生空間數據，進行空間分析，進行結果顯示；專家系統提供具體專業性的知識庫，利用自身推理能力進行啟發式推理。

系統的基本結構包括基礎數據庫、模型庫、方法庫、知識庫、環境遙感、專家系統、地理信息系統及用戶界面和響應的維護模塊組成。其中知識庫包括進行影響識別、替代方案選擇，范圍界定等過程用到的專家知識及環境管理通則；模型庫包括社會經濟模型如人口預測模型、產業及產業結構發展趨勢模型、戰略—經濟行為的輸入響應模型等；環境模型例如水污染源預測模型、流域環境容量模型、流域環境質量評價模型、流域環境決策模型以及社會綜合評價模型、流域可持續發展能力評價模型等綜合模型。方法庫包括常用、規范的評價方法如預測方法、綜合評價方法、聚類方法等。基礎數據庫包括環境質量統計數據庫、重點污染源調查數據庫、自然環境數據庫及社會經濟統計數據庫，這部分數據的更新，一方面可以由用戶通過各種途徑輸入，也可通過遙感技術進行更新。

圖1 流域SEA決策支持系統基本結構

流域SEA決策支持系統的主要功能應包括數據檢索與查詢，例如有關流域發展戰略、流域環境質量、流域經濟發展各方面的查詢；確定評價因子及主要環境影響；從不同的時、空角度，應用模型方法對流域環境現狀進行評價；進行戰略環境評價；戰略環境影響預測；選擇替代方案等。

SEA因不同的環境狀況、不同的工作對象而不同。同時，由于技術、理論的不斷發展，SEA的方法理論在不斷發展、完善，因此，流域SEA決策支持系統應該是開放的，能根據不同的任務、不同的對象進行補充。

5 結語

1）SEA是EIA在戰略（包括法律、政策、計劃、規劃）層次上的應用，其宏觀性決定了常用的方法多為定性或是半定量的方法。定量方法的研究和應用，以降低SEA的不確定性，并兼用綜合集成技術是SEA方法學研究的一個趨勢。

2）GIS具有強大的數據庫管理功能和空間分析功能，在環境科學領域的應用非常廣泛，SEA涉及因素即包括屬性數據，又包括空間數據，地理信息系統在其中的應用前景廣闊。

3）SEA是一個復雜的，多層次的綜合評價過程，評價的過程需要知識進行判斷、處理和推理，這涉及到經驗和知識的運用。GIS和專家系統的集成，可以彌補GIS這方面的欠缺，為流域SEA提供決策支持。流域SEA決策支持系統的開發，是一個復雜的工程，需要各方面專家的共同參與、合作。

X821

A

1002－0624（2012）06－0022－03

2012-03-14