試析ＧＩＳ與生態水文模型的整合

張曉芳

[摘要]生態水文過程影響因素眾多，而且具有明顯時間和空間變異性，目前，GIS在信息的動態獲取、分析處理、可視化以及二次開發等方面的技術和方法取得了長足的進步，為實現生態水文過程研究提供有力支持。

[關鍵詞]GIS 生態水文 模型

中圖分類號：TB1文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220083－01

一、水文模型的管理

生態學、水文學等相關研究的深入和計算機技術的發展，推動了模型的開發和應用，出現了大量計算方法和軟件，如SHE模型、LASCAM模型、USGS降雨徑流模型、SLURP模型、TOPMODEL模型、TOPAZ模型、SWAT模型、SWAT模型等。

生態水文過程本身極其復雜，不僅要模擬水動力過程，還要描述各類物理化學物質在區域或水體中的運移轉化，研究生態過程的水文學機制，涉及到許多物理、化學和生物過程，而且生態水文過程具有明顯的區域性，影響因素多樣，相互作用機理復雜，必然導致模型大都比較復雜。而且，環境模型軟件一般由不同研究部門和研究人員開發，軟硬件環境、開發語言、數據結構、數據格式、模型功能、模型的精度彼此差異很大，對環境過程模擬預測的詳細程度各異，導致模型的相互連接、結果對比非常不便，造成應用中模型選擇和應用十分困難，有時某項工作或研究甚至不同的階段需要多個模型，就需要重復輸入許多數據和數據格式的頻繁轉化，不僅增加額外的工作量，降低工作效率，而且數據重復輸入和多次轉化會產生誤差，影響計算成果的精度。因此，如何管理和使用生態水文模型成為一個亟待解決的問題。李本綱等在廣泛分析各類水環境模型的基礎上，探討建立水環境模型庫的原則和方法，并提出了水環境模型庫管理系統的基本結構，認為在GIS的支持下可從地表水模型、地下水模型、非點源模型中分別抽取能決定模型適用范圍、復雜程度的若干技術參數，并用這些參數組建模型關系數據庫，利用GIS的SQL語句按照這些技術參數查詢、檢索和選擇所需的水環境模型，可以實現模型的管理。

二、GIS與生態水文模型的整合

環境模型庫的建立方便了模型的選擇，但環境模型大都用FORTRAN或C語言等底層語言開發，采用MSDOS界面，學習和操作難度較大，模擬結果表達功能較弱。如澳大利亞LASCAM模型需要結合MATLAB結合制作各種圖表。地理信息系統的可視化功能很強，可以方便的進行數據的輸入、模擬結果的表達輸出，將研究人員從單調枯燥的數據分析中解脫出來，生態水文模型的設計、校驗、修改和應用以及模型之間的相互比較也變得相對容易。另外，現有GIS在解決社會、資源、環境問題中功能源源不足，缺乏建設性、探索性數據分析功能以及建模模擬缺失是當前GIS系統的致命缺陷，影響了GIS的應用廣度和深度。將環境模型和GIS集成可以彌補GIS之一缺陷。正由于GIS與環境模型在功能上的互補性，兩者的結合近年來一直是環境研究中頗受重視的領域。

GIS與模型的集成有很多分類， 李碩等綜合國內外研究成果，根據GIS與模型集成的程度將GIS與環境模型的集成方式分為四類:獨立應用、松散集成、緊密集成和完全集成。這4種方式集成程度越來越高，編程要求也越來越高。獨立應用集成方式集成程度最低，實質是GIS和環境模型分別使用，數據交換通過ASCII文件進行，集成效果有限；集成程度最高的是完全集成，GIS與環境模型為同一系統的模塊，數據模型一致，但開發難度極大。因此松散集成和緊密集成是最常見的集成方式，有的水文模型引入GIS的空間分析功能如美國農業部農業研究實驗室開發的TOPAZ軟件，和RSI公司的RIVERTOOLS；有的GIS將水文模型作為自身的一個模塊進行開發。成功實例如A GN PS A rc? info(A 2gricultural Non Po int Source)、SWA T ARCV IEW -AV SWA T2000、AN SW ERS GRA SS(A eruak Nonpo intSourceW atershed Environment Response Simulat ion)等，它們將GIS和水文、水土侵蝕等模塊結合，建立了分布式模型，研究流域、區域的水文過程，同時它們也考慮流域或區域的生態屬性，將葉面積指數、植被指數、土地利用類型等作為輸入，建立生態和水文之間的聯系，研究生態變化的水文效應，成為宏觀尺度的生態水文過程研究的有利的工具。越來越多的商業地理信息系統軟件提供了二次開發語言，如宏語言AML、AVENUE，MAPBASIC等，ESRI公司的ARCOB2JECTS和MA POBJECTS控件使開發者可以用VB、VC等通用編程語言方便的進行二次開發，促進GIS與模型的整合。

但是兩者的整合并非純技術問題，只通過編程就能實現，兩者的整合需要堅實的理論基礎。首先，從技術的角度看，幾乎在所有的水文模型中，水文過程的時間變化比水文現象的空間變化更為重要。在當前的GIS中，水文現象的時間變化僅僅作為空間環境結果來進行模擬。為更好的與環境模型相結合，需要建立具有時間維的四維GIS。而目前時態GIS研究處于初級階段，虛擬GIS存在畫面單調，運行速度慢等問題，GIS功能仍需完善。其次，目前現有流域水文模型大都是概念性模型，許多結構環節上人主要借助于概念性元素模擬或經驗函數關系描述，只涉及現象的表面，參數缺乏明確的物理意義，只能主要依據實測降雨和徑流資料利用最優化方法來反求，而這樣求得的模型參數必然帶有經驗統計性，只能反映模擬值與實測值擬合程度，反映有關影響因素對流域徑流形成過程的平均作用。再次，GIS和模型的整合盡管有很多優點，并不能代表模型本身的高質量，GIS和模型的整合并不能從根本上提高模擬精度，而且，友好的用戶界面和良好的可視化效果會導致不熟悉水文規律的用戶草率地對一個非常復雜的水文模型進行操作，并隨意改動水文參數，從而得到不合理的模擬結果而不了解造成這些結果的原因。D.Z.SUI等認為目前GIS和水模型的結合本質是由技術驅動，而沒有解決整合中的理論概念問題；不應該把GIS簡單的看成一種數據管理工具，否則不會是真正的整合，只是簡單的一塊使用，舊瓶裝新酒罷了。

目前，生態水文模型和GIS、RS的耦合上多限于低層次文件交換，且僅限于具體工作中，只是一種數據共享的初級耦合，一體化式耦合模型的建立尚需時日。

參考文獻：

[1]王臘春、熊江波，用遙感資料建立分塊產流模型[J].地理科學，1997,(2).

[2]萬洪濤、周成虎、萬慶等，地理信息系統雨水文模型集成研究進展[J].水科學進展，2001,12(4).