试析ＧＩＳ与生态水文模型的整合

张晓芳

[摘要]生态水文过程影响因素众多，而且具有明显时间和空间变异性，目前，GIS在信息的动态获取、分析处理、可视化以及二次开发等方面的技术和方法取得了长足的进步，为实现生态水文过程研究提供有力支持。

[关键词]GIS 生态水文 模型

中图分类号：TB1文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0220083－01

一、水文模型的管理

生态学、水文学等相关研究的深入和计算机技术的发展，推动了模型的开发和应用，出现了大量计算方法和软件，如SHE模型、LASCAM模型、USGS降雨径流模型、SLURP模型、TOPMODEL模型、TOPAZ模型、SWAT模型、SWAT模型等。

生态水文过程本身极其复杂，不仅要模拟水动力过程，还要描述各类物理化学物质在区域或水体中的运移转化，研究生态过程的水文学机制，涉及到许多物理、化学和生物过程，而且生态水文过程具有明显的区域性，影响因素多样，相互作用机理复杂，必然导致模型大都比较复杂。而且，环境模型软件一般由不同研究部门和研究人员开发，软硬件环境、开发语言、数据结构、数据格式、模型功能、模型的精度彼此差异很大，对环境过程模拟预测的详细程度各异，导致模型的相互连接、结果对比非常不便，造成应用中模型选择和应用十分困难，有时某项工作或研究甚至不同的阶段需要多个模型，就需要重复输入许多数据和数据格式的频繁转化，不仅增加额外的工作量，降低工作效率，而且数据重复输入和多次转化会产生误差，影响计算成果的精度。因此，如何管理和使用生态水文模型成为一个亟待解决的问题。李本纲等在广泛分析各类水环境模型的基础上，探讨建立水环境模型库的原则和方法，并提出了水环境模型库管理系统的基本结构，认为在GIS的支持下可从地表水模型、地下水模型、非点源模型中分别抽取能决定模型适用范围、复杂程度的若干技术参数，并用这些参数组建模型关系数据库，利用GIS的SQL语句按照这些技术参数查询、检索和选择所需的水环境模型，可以实现模型的管理。

二、GIS与生态水文模型的整合

环境模型库的建立方便了模型的选择，但环境模型大都用FORTRAN或C语言等底层语言开发，采用MSDOS界面，学习和操作难度较大，模拟结果表达功能较弱。如澳大利亚LASCAM模型需要结合MATLAB结合制作各种图表。地理信息系统的可视化功能很强，可以方便的进行数据的输入、模拟结果的表达输出，将研究人员从单调枯燥的数据分析中解脱出来，生态水文模型的设计、校验、修改和应用以及模型之间的相互比较也变得相对容易。另外，现有GIS在解决社会、资源、环境问题中功能源源不足，缺乏建设性、探索性数据分析功能以及建模模拟缺失是当前GIS系统的致命缺陷，影响了GIS的应用广度和深度。将环境模型和GIS集成可以弥补GIS之一缺陷。正由于GIS与环境模型在功能上的互补性，两者的结合近年来一直是环境研究中颇受重视的领域。

GIS与模型的集成有很多分类， 李硕等综合国内外研究成果，根据GIS与模型集成的程度将GIS与环境模型的集成方式分为四类:独立应用、松散集成、紧密集成和完全集成。这4种方式集成程度越来越高，编程要求也越来越高。独立应用集成方式集成程度最低，实质是GIS和环境模型分别使用，数据交换通过ASCII文件进行，集成效果有限；集成程度最高的是完全集成，GIS与环境模型为同一系统的模块，数据模型一致，但开发难度极大。因此松散集成和紧密集成是最常见的集成方式，有的水文模型引入GIS的空间分析功能如美国农业部农业研究实验室开发的TOPAZ软件，和RSI公司的RIVERTOOLS；有的GIS将水文模型作为自身的一个模块进行开发。成功实例如A GN PS A rcö 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，它们将GIS和水文、水土侵蚀等模块结合，建立了分布式模型，研究流域、区域的水文过程，同时它们也考虑流域或区域的生态属性，将叶面积指数、植被指数、土地利用类型等作为输入，建立生态和水文之间的联系，研究生态变化的水文效应，成为宏观尺度的生态水文过程研究的有利的工具。越来越多的商业地理信息系统软件提供了二次开发语言，如宏语言AML、AVENUE，MAPBASIC等，ESRI公司的ARCOB2JECTS和MA POBJECTS控件使开发者可以用VB、VC等通用编程语言方便的进行二次开发，促进GIS与模型的整合。

但是两者的整合并非纯技术问题，只通过编程就能实现，两者的整合需要坚实的理论基础。首先，从技术的角度看，几乎在所有的水文模型中，水文过程的时间变化比水文现象的空间变化更为重要。在当前的GIS中，水文现象的时间变化仅仅作为空间环境结果来进行模拟。为更好的与环境模型相结合，需要建立具有时间维的四维GIS。而目前时态GIS研究处于初级阶段，虚拟GIS存在画面单调，运行速度慢等问题，GIS功能仍需完善。其次，目前现有流域水文模型大都是概念性模型，许多结构环节上人主要借助于概念性元素模拟或经验函数关系描述，只涉及现象的表面，参数缺乏明确的物理意义，只能主要依据实测降雨和径流资料利用最优化方法来反求，而这样求得的模型参数必然带有经验统计性，只能反映模拟值与实测值拟合程度，反映有关影响因素对流域径流形成过程的平均作用。再次，GIS和模型的整合尽管有很多优点，并不能代表模型本身的高质量，GIS和模型的整合并不能从根本上提高模拟精度，而且，友好的用户界面和良好的可视化效果会导致不熟悉水文规律的用户草率地对一个非常复杂的水文模型进行操作，并随意改动水文参数，从而得到不合理的模拟结果而不了解造成这些结果的原因。D.Z.SUI等认为目前GIS和水模型的结合本质是由技术驱动，而没有解决整合中的理论概念问题；不应该把GIS简单的看成一种数据管理工具，否则不会是真正的整合，只是简单的一块使用，旧瓶装新酒罢了。

目前，生态水文模型和GIS、RS的耦合上多限于低层次文件交换，且仅限于具体工作中，只是一种数据共享的初级耦合，一体化式耦合模型的建立尚需时日。

参考文献：

[1]王腊春、熊江波，用遥感资料建立分块产流模型[J].地理科学，1997,(2).

[2]万洪涛、周成虎、万庆等，地理信息系统雨水文模型集成研究进展[J].水科学进展，2001,12(4).