地学信息图谱与区域可持续发展虚拟

地学信息图谱与区域可持续发展虚拟 励惠国　　岳天祥 (中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京, 100101) 摘要: 地学信息图谱综合了景观综合图的简洁性和数学模型的抽象性, 它是现代空间技术与我国传统研究成果 结合的产物, 它可反演过去、预测未来。本文在分析地学信息图谱、生态系统发展战略、DLU 土地利用战略、数学 模型与地理信息系统集成等研究成果的基础上, 设计了一个区域可持续发展虚拟系统。在这个虚拟系统中, 如何将 区域可持续发展的有关信息转换为征兆图、诊断图和实施图是其核心理论问题。数学模型计算机程序自动生成软件 和开放式地理信息系统的研究成果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明, 这些理论问题在不久的将来是可以解决的。也就是说, 这个区域可持续发 展虚拟系统的进一步研究, 能够形成一个可操作的、实用的决策支持系统。 关键词: 地学信息图谱　可持续发展　数学模型　虚拟现实 1　引言 在 1969 年, 系统生态学家O dum 提出了生态系 统的发展战略, 强调生态演替和人与自然的矛盾, 即 最大保护与最大产量的矛盾。战略的总体思想是: 在 有效能量投入和主要生存物理条件 (如: 土壤、水、 气等) 的约束范围内, 使生态系统达到尽可能大和 多样的有机结构。最舒适和最安全的景观是一个包 含各种作物、树林、湖泊、河流、四旁、海滨和废 弃用地的各种不同生态年龄群落的混合[ 1 ]。 表 1　按人类影响强度分类的土地利用类型[2 ] [3 ] 土地利用类型 注　　解 实　　例 人类影响强度 自然生态系统 没有人类的直接影响, 有能力自我调节 原始森林 010～ 011 近自然生态系统 受人类的直接影响, 有能力自我调节 国家森林公园 011～ 013 半自然生态系统 是人为作用的结果, 有限的自我调节能力 人工林 013～ 015 人文生物生态系统 人类有意识的产生, 完全依赖于人的管理 农　地 015～ 017 人文技术生态系统 由技术结构和过程主宰, 人类有意识地为工业、 经济或文化活动而设计 工业区 017～ 110 　　景观生态学家 H aber 将这个生态系统发展战 略运用于土地利用系统, 并在 1971 年提出了分异土 地利用的概念[ 4 ]。经过多年的研究和实践, H aber 于 1979 年提出了适用于高密度人口地区的分异土地 利用DLU (D ifferen t ia ted L and U se) 战略: (1) 在 一个给定的自然区域中, 占优势的土地类型不能成 为唯一的土地类型, 应至少有 10% 到 15% 土地为其 它土地利用类型; (2) 对集约利用的农业或城市与 工业用地, 至少 10% 的土地表面必须被保留为诸如 草地和树林的自然景观单元类型 (如表 1) ; 这个 ‘10% 急需规则’是一个允许足够 (虽然不是最佳) 数量野生动植物与人类共存的一般 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 原则; 这 10% 的自然单元应或多或少的均匀分布在区域中, 而不是集中在一个角落; (3) 应避免大片均一的土 地利用, 在人口密集地区, 单一的土地利用类型不 能超过 8 到 10hm 2 [ 2 ]。 O dum 的生态系统发展战略和 H aber 的DLU 土地利用战略是空间异质性研究及其长期实践的成 果。空间异质性的主要定量研究方法包括景观综合 图、数学模型和地学信息图谱, 其中地学信息图谱 吸收了景观综合图简洁和数学模型抽象的特点, 是 一种最综合的空间异质性定量研究方法[ 5 ]。 2　地学信息图谱 地学信息图谱是现代技术和方法与我国传统研 究成果相结合的产物, 它的发展经历了三个阶段: 景 第 1 期　 2000 年 3 月 地　球　信　息　科　学 GEO - IN FORM A T ION SC IEN CE N o11 M ar1, 2000 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 观制图实验, 图谱概念的提出和地学信息图谱理论 的形成。 (1) 景观制图实验: 1955～ 1956 年, 陈述彭在 太湖东西洞庭山进行了综合景观制图实验[ 6 ] , 将景 观综合图划分为相互补充的三类: 景观类型图, 景 观分区图和景观综合剖面图。试验结果表明:“景观 制图是一个有希望、有困难, 然而是有办法解决的 地理科学问题。在地球化学、水文地质学、地方气 候与地植物学的理论基础上, 依靠野外制图、定位 观测与航摄照片判读等技术方法, 是完全有可能建 立起自己的理论和方法论的体系”。虽然由于这一时 期的技术和方法的发展水平所限, 还没有提出一套 完整的理论体系, 但已看到了景观综合图发展的光 明前途。 (2) 图谱概念的形成: 1961 年, 通过对地图学 发展的分析, 陈述彭提出了图谱的概念。地图学的 发展反映了它的既属于技术科学又属于区域科学的 性质。其各个发展阶段的进展和成就, 一方面反映 当时测绘制印工艺的水平, 另一方面也反映当时数 学基础和地理知识的范围。基于技术科学的性质, 就 必须密切注意国际先进理论和技术的交流; 基于区 域科学的性质, 又要求结合本国实际情况, 自力更 生进行基础工作。综合地图集的编制要求经过严格 的数量统计, 并按照类型区划的方法加以分析, 制 定出可以反映区域地理特征的技术指标, 使地图集 能够反映自然、社会经济要素和分布现象的相互制 约、相互联系及其区域历史发展的过程。通过地理 分布规律和历史发展过程两条线索, 把地图贯穿、交 织起来, 使它们成为反映区域全貌和区域特征的图 谱[ 7 ]。 图 1　区域可持续发展虚拟系统 ·94·1 期　　　　　　　　　　　　　励惠国等: 地学信息图谱与区域可持续发展虚拟 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 　　 (3) 图谱方法的应用: 1964 年, 陈述彭对图谱 方法的应用作了初步总结[ 8, 9 ]。自然或经济区域综合 体的内部结构是很复杂的, 既存在垂直地带谱的变 化, 又具有水平地带的不同形式的组合; 图谱不仅 可以反映区域内部结构及其分异规律, 而且可以检 验和论证区域划分原则和指标的准确性。例如, 毛 乌素沙漠的景观图对荒漠草原和典型草原的划分有 所改进; 鼎湖山的景观图对热带、亚热带的存属问 题有所澄清。编制为生产服务的综合图谱需要经过 四个阶段: ①定位、定量, 如实反映情况; ②找出 规律, 分析成因; ③考虑农业生产的技术指标; ④ 作出综合区划和综合评价。 (4) 地学信息图谱理论的形成: 经过近半个世 纪的探讨, 终于形成了地学信息图谱理论的雏 形[ 10 ]。地学信息图谱是在继承中国传统研究成果的 基础上, 运用卫星遥感、全球定位系统、地理信息 系统和信息网络等当代先进技术和现代科学理论发 展起来的, 它是一种图谱生成过程智能化的系统理 论。地学信息图谱由征兆图、诊断图和实施图组 成[ 10 ]。征兆图和诊断图可表达为各种基础图的不同 组合、可反映资源环境动态的变化与发展趋势[ 11 ]; 实施图以诊断图为依据, 通过改变各种边界条件, 分 析推理不同控制条件下的决策 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 可为进行规划 实验提供依据和预案[ 12 ]。 图谱是一种源远流长的中国传统方式, 主要运 用图形语言进行时间与空间的综合表达与分析; 地 学信息图谱则是应用地学分析的系列多维图解来描 述现状, 并通过建立时空模型来重建过去和虚拟未 来[ 10 ]。也就是说, 地学信息图谱不仅应用于数据采 集和数据开发利用, 而且服务于科学预测与决策方 案的虚拟。地学信息图谱具有以下四个重要功能: 借 助图谱可以反演和模拟时空变化, 即可反演过去, 预 测未来; 可利用图的形象表达能力, 对复杂现象进 行简洁的表达; 多维的空间信息可展示在二维地图 上, 从而大大减小了模型模拟的复杂性; 在数学模 型的建立过程中, 图谱有助于模型构建者对空间信 息及其过程的理解[ 12 ]。 3　区域可持续发展虚拟系统 根据地学信息图谱理论[ 10 ]及其它有关研究成 果[ 3, 13216 ] , 可概括区域可持续发展虚拟系统为五个 相互作用层 (如图 1) : (1) 地理信息系统: 收集和整理来自遥感、环 境监测、研究成果、统计数据、实地调查和过去典 型案例分析的有关信息, 并在一个公用的空间框架 中为地理、文化、政治、环境和统计数据提供输入、 储存、处理、分析和显示能力; (2) 区域可持续发展模型: 通过调用资源与环 境标准化数学模型文档库的有关模型, 对土地利用 的生存支持系统、发展支持系统、环境支持系统、社 会支持系统和智力支持系统的重要指标及它们之间 的相互作用关系进行模拟; (3) 情景分析: 通过建立征兆图谱和诊断图谱, 描述现状和可选未来 (a lterna t ive fu tu res) 以及从现 状到可选未来的可能发展途径; (4) 战略制定: 通过建立实施图谱, 改变各种 边界条件, 分析推理各种条件下的决策方案, 提出 实现方案中规定有关任务和目标的综合方法; (5) 战略执行: 通过建立短期目标, 制定政策 和匹配 组织结构 公司企业组织结构新部门组织结构组织结构部门职能华为公司的组织结构组织结构部门职能 , 使战略付诸实践。 4　讨论 如何将区域可持续发展的有关信息转换为征兆 图、诊断图和实施图是区域可持续发展虚拟系统的 核心理论问题, 它可归结为三个方面: (1) 识别区 域可持续发展数据库的要素体系; (2) 确定和完成 区域可持续发展数学模型库的模型体系; (3) 实现 数学模型与地理信息系统的有效集成。我们近几年 的有关研究已解决了前两个问题。在分析和总结 1990 年以来已发表的可持续发展指标体系有关研 究成果的基础上[ 15～ 24 ], 参照国际环境指标体系委员 会 ( In terna t iona l Comm it tee on Environm en ta l Ind ices) 初步提出的指标体系分类原则, 我们按照信 息的综合水平将区域可持续发展指标体系区分为 I 级指标体系和 II级指标体系, 其中 I 级指标体系对 应可持续发展数据库的要素体系, II级指标体系对 应可持续发展数学模型体系。 I 级指标体系包括气 候、水文、地质、地貌、土壤、植被、政策- 管理 系统、经济系统、社会- 人口系统和社会- 文化系 统 10 个方面, 共计 198 个要素。II级指标体系包括 综合的生物多样性模型、系统稳定性模型、土地承 载能力模型、生产力模型、景观动态模型、环境质 量评价模型、环境安全评价模型、气候影响评价模 型、灾害评估模型、海量数据处理模型、科技进步 ·05· 地　球　信　息　科　学 2000 年 3 月 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 模型、生活质量模型、DLU 战略模型、管理效率模 型、经济增长模型。 地理信息系统与数学模型的有效集成是区域可 持续发展虚拟系统需要解决的关键技术问题, 也是 近几年来世界各国的研究重点。地理信息系统和数 学模型的集成方法可概括为以下四种[ 25 ]: ①把地理 信息系统功能嵌入数学模型软件包, 这种方法的不 足之处在于, 数学模型软件包的数据管理和可视化 能力远不及商业化地理信息系统, 并且需要大量的 编程工作; 同时, 大多数数学模型软件包是由专家 针对特殊的研究项目开发的, 虽然它们有概念上的 某种共享性, 但由于这些数学模型软件包使用了各 种不同的数据结构、编程工具和硬件平台, 它们对 其它使用者是非常困难的; ②将数学模型嵌入地理 信息系统, 这种方法的基础是商业化地理信息系统 软件包, 它吸收了固有地理信息系统功能的所有优 点, 但模型构建能力过分简单化, 并且标准化只能 在软件包外部进行; ③地理信息系统与数学模型的 松散耦合, 这种方法包括一个标准的地理信息系统 软件包和一个数学模型程序, 地理信息系统和数学 模型通过数据交换结合在一起, 这个数据交换过程 在几个不同的软件包之间进行, 没有共同的用户界 面; ④地理信息系统与数学模型的紧凑耦合, 这种 方法把某些数学模型通过宏指令或常规编程固定到 一个商业化地理信息系统软件包中。 上述几种地理信息系统与数学模型的集成方法 不能满足区域可持续发展虚拟系统的需求, 它们需 要大量的编程工作、需要宏指令、或需要在几个不 同软件包之间进行数据交换。我们将开发一种能使 所有用户不需要知道地理信息系统中的特殊数据结 构, 只要在一个共同的用户界面写入数学模型的表 达式或数学方程, 就可以在地理信息系统为模型研 究者或使用者提供的可视化平台显示其运行结果。 逐步实现地理信息系统与数学模型这种有效集成的 可行性表现在以下方面: ①目前已有开发成功的数 学模型计算机程序自动生成软件, 也就是说, 只要 在这个软件的用户界面写入数学模型的表达式或数 学方程, 就可以得到有关结果 (数字和图的表达) ; ②开放式地理信息系统 (Open G IS) 研究将使地理 信息系统中的任何数据可自动转换为我们所需要的 格式[ 26 ]。 本文提出的区域可持续发展虚拟系统是地学信 息图谱、数学模型、地理信息系统、战略决策理论 在区域可持续发展研究中的集成应用, 它的成果将 是一个可操作的、实用的决策支持系统。 参考文献 1　O dum E P. 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In th is paper, on the basis of ana lyzing the research ach ievem en ts in the geo- info rm at ic T upu, the stra tegy of eco system developm en t, the st ra tegy of d ifferen t ia l land u se (DLU ) , the in tegra t ion of geogeph ica l info rm at ion system w ith m athem atica l m odels, a genera l fram ew o rk of m odelling su sta inab le reg iona l developm en t is p ropo sed. In th is m odelling system , it is the m ajo r theo ret ica l quest ion how to tran sfo rm the info rm at ion concerned w ith su sta inab le developm en t in to sign m ap , d iagno sis m ap and act ion m ap. A n analysis of resu lts on the softw are fo r au tom atica lly p rogramm ing m athem atica l m odels and on the Open G IS has show n tha t the theo ret ica l quest ion can be reso lved in near fu tu re. In sho rt, the system of m odelling su sta inab le reg iona l developm en t is rea lizab le. Keywords: Geo- info rm at ic T upu; su sta inab le developm en t; m athem atica l m odels; virtua l rea lity ·25· 地　球　信　息　科　学 2000 年 3 月 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.