海岸风沙地带地理信息系统的实现*，本文主要内容关键词为：风沙论文,海岸论文,地理信息系统论文,地带论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
风是塑造海岸的最活跃的因素之一，除了形成风浪和海流对海岸进行塑造外，还直接参与对海岸物质的侵蚀、搬运和堆积。海岸带是风的突变带，风对海岸作用的重要过程之一是把低潮时暴露的前滨上的沙粒向岸搬运，堆积形成海岸沙丘。现代海岸沙丘在我国河北、山东、浙江、福建、广东和广西沿海以及海南岛等地均有分布[1][2]。海岸沙丘的形成对海岸带环境和海岸带的利用具有重要影响。
海岸带风沙的来源主要是入海河流带来的泥沙和海岸松散的第四纪沙质堆积物。入海河流带入的泥沙在沿岸流作用下运移，在波浪作用下在岸边堆积，而后在强劲的向岸风作用下向陆移动；沙质海岸受暴风浪侵蚀后，泥沙物质在潮上带重新堆积，也极易在风的作用下运移；一些缺乏植被覆盖的岸段，松散的第四纪堆积物也可直接被风所吹蚀。风沙在海岸带堆积成各种形态的沙地，在一些沿海平原形成大面积的风沙活动带。如福建沿海的风沙分布宽度可达千米以上，风沙地成为海岸地貌的主要类型之一。
海岸带自然条件优越，对外交通便利，是近年来经济高速发展的地区。我国海岸风沙地带具有丰富的自然资源，而且气候温和，降水充沛，具有极大的开发利用潜力。作为决策支持工具，地理信息系统（GIS ）在海岸风沙地带的应用，对海岸带的经济建设、环境保护和科学研究都有重要意义[3][4]。
1 地理特征及其编码
地理特征描述自然环境或人工环境中的对象。GIS 把地理特征抽象为点、线和面，它们可用颜色、符号或注记来区分，并由图例、符号或描述文本来解释。地理特征的位置是与现实世界相联系的，与它们在地图上的相对位置无关。地理特征的抽象与所采用的地图比例尺以及GIS中处理问题角度有关。如在较小比例尺的图上，村庄表示为点，沙坝表示为线，但在大比例尺的实验区，村庄则表示为面状的居住区，沙坝表示为带状区域；河流作为航运线分析时应表示成线或网络，而在土地利用类型中它是具有一定面积的水域。
对地理特征的编码虽然是可选的，但它影响到GIS的运行效率、 可靠性、通用性和可扩充性。代码设计应当遵循一些基本原则：每一代码所代表的地理特征具有唯一性；编码应直观易记，尽量采用等长设计，以简化计算机处理；编码在逻辑上应能满足系统需要，同时留有扩充余地；编码要尽量标准化，如采用已有国家和部门标准，以便于数据交换。
地理编码同样与所采用的地图比例尺有关。例如当采用较小的比例尺（如1∶25,000以下）时，沙地作为一种土地类型不再细分， 可在已有的沙漠化专题图地学编码模型[5]基础上扩充。 在选定的小面积试验区（比例尺1∶5,000），可表示出沙丘的次一级地貌类型，以福建沿海为例，可分为新月形沙丘和沙丘链，纵向沙垄，风蚀洼地，草灌丛沙堆等。这时应在编码中增加一位，也可作为属性表中的扩充项处理。
值得注意的是，有些地理特征的位置不明，特别是一些推测的界线和有争议的边界，应给予不同的编码。
2 数据组织
地理数据有两种基本类型，即空间数据和属性数据。空间数据表示具有空间位置的地理对象，例如一个地貌单元；属性数据则表示一个简单的描述，例如该单元的名称或地貌成因。空间数据通过GIS 软件进行存储和管理，属性数据则可用关系型数据库管理系统进行存储和管理。GIS建立了两种数据之间的联系， 可以实现地理对象的图形显示和描述性信息的输出，根据图形特征查询属性数据或根据描述性信息提取图形特征，并进而实现复杂的地理分析。
2.1 空间数据的表示
空间数据用栅格和矢量两种基本格式表示。栅格格式是使用同一大小的网格构成的行列来表示，数据分辨率取决于网格的大小，其位置与网格的行列位置相联系，栅格数据结构简单，适合表示地理上连续的特征，例如高程、温度或降水量的分布等，通过网格值的累加容易实现空间的叠置分析；矢量格式使用具有拓扑关系的点、线和多边形表示，所有特征都存储现实世界的x，y坐标，数据存储量较小，适宜处理具有离散边界的特征，例如钻孔，勘探线，地貌分区，行政区等。
在GIS中，实际处理的大部分数据都是以矢量地图的形式表示的。 对于连续变化的数据，除航空和卫星影像等遥感数据外，受到采样点的限制，一般使用从离散点插值得到的等值线来表示，如以等高线表示高程变化，以等温线表示温度变化等。这类数据同样适合于用矢量格式表示，这样可大大减少数据量，便于数据存储，同时也便于绘图输出。
2.2 地理数据及其分层
海岸带GIS主要涉及自然背景、社会经济背景和专题数据3类数据。自然背景包括地形，水系，岸线，温度，降水量，第四系厚度，地下水分区；社会经济背景包括行政区划，道路交通，海岸保护地带，军事禁区等；专题数据主要有地貌类型，土壤类型，土地利用现状等。
在ARC／INFO中，地理特征采用分层（coverage）的数据管理办法 ，即把相似的地理特征及其描述性数据按照一定的逻辑关系组织在一起，以目录的方式存储。一个层相当于一幅单要素地图。在建立数据库初期，层应尽量细分，便于地图数据的编辑。分层和地理编码的结合和灵活应用，可以简化数据结构，使数据易于维护。
2.3 属性数据库
地图输入和拓扑关系正确建立后可得到一些基本的属性数据，它们与图形单元是紧密联系的，有的只能在图形编辑时修改，有的虽然可在DBMS中修改，但要注意对地图的同步更新。
根据地理特征编码输入的数据，通常是用户标识码（User-ID），是数据库中的关键字段，起着联系图形单元和属性数据的作用。用户标识码可用图形编辑工具，也可用DBMS工具修改，但修改后必须重建拓扑关系，以保证这种联系的正确性。由地图拓扑关系建立后得到数据，也是系统的基本属性数据，如线状特征的长度、面状特征的面积和周长等。它们一般不用DBMS工具修改，如果确需修正，应将修正数据作为扩充项添加到属性表中。
基本属性数据一般不能满足应用系统的要求，应根据需要进行扩充。如对采样点应有样品编号，名称，数量，采样人，简单描述，粒径组成，图片资料，分析报告索引等；对线状的防护林带，可加入林带宽度，种植树种，造林年代，生长状况等；在行政区划中可扩充各类统计数据。
扩充属性数据的另一个重要用途是作为地图注记、图斑颜色（或网纹）输出时的符号代码。例如我们虽然用连续变化的方位记录观测点的风向，但为了便于在地图上标记，把每个象限范围内的取值归纳为4 种情况，如N，NNE，NE，ENE等，这样可以设计16个风向符号， 用于在地图上表示。
3 海岸带地图处理技术
3.1 不确定边界的处理
地图中必然有一些界线是不确定的，如有争议的边界，自然现象的推测界线等，在地图上采用不同于确定边界的符号表示。但在GIS中， 作为多边形处理时，界线就不仅仅是一个符号表示问题，应当分析具体情况进行必要的技术处理。
在海岸带，通过海区的行政区界线往往是不确定的，地图上也不表示，尤其在涉及较小区域（如乡镇、村庄）时更是如此。在GIS 中行政区划作为多边形处理，应有闭合的边界，因此应当人为地延伸使之闭合，同时给予不同的标识码，这样得到的面积数据并不代表实际政区的面积，但这些多边形对于识别岛屿等海上地物的归属、进行分区统计等十分重要。在地图输出时，则按编码隐去此类边界，使其与原始的地图表示一致。
3.2 活动界线的处理
地图上有些界线虽然是确定的，但却随着时间而变化，即活动界线。按变化方式分作往复的和单向（难以逆转）的变化，前者如高低潮界线，后者如活动沙丘的边界等。按变化周期，它们又有日变化，月变化，季节变化和更长周期的变化。
活动界线在地图中可采用两种方法处理。第一种方法是在同一图幅上采用不同名称和编码，如海岸线是海水面和陆地面的交线，它是随时间变化的，实际上有高潮线，低潮线，以及它们的最高、最低和平均位置，在大比例尺的地图上用等高线的平行线来表示，这种方法适合于对海岸滩涂的数据处理。第二种方法是按时间进行分层，相当于绘制系列地图，这种方法适合于研究长期的变化趋势。
3.3 岸线处理
基岩和砂砾质海岸常常具有曲折的岸线形态，在地图数字化时，对于与岸线相交的各类要素界线，应以特别放大的岸线为背景，对界线进行必要校正，否则在要素叠加中会产生许多错误的细小多边形，把本来连续的单元变成不连续。特别是在基础地图和要素地图比例尺不一致时，更应引起注意。
海岸线应作为单独的层来处理，以便与其它边界叠加后对各种要素进行边界裁减，也便于计算岸线长度、曲折率、滩涂面积等。入海河流在河口处分汊展宽，从原来的线状表示过渡到水域的面状表示，应在适当位置选取河流线（线状）到岸线（多边形边界）的转折点。
3.4 地图拼接
海岸带在地理上是一个狭长的区域，其范围与受自然条件和人类经济活动的影响，地图拼接是建立海岸带GIS的基础工作。 拼接前除了应做好拼接边的预处理外，要特别注意地图的投影问题。
各种专题、不同比例尺的地图，可能采用不同的坐标系，在GIS 中要对各种地理要素进行配准、叠加和各种空间分析，必须把各种要素统一到相同的投影系中，包括投影方式和投影带的转换。ARC／INFO 可直接支持39种投影方式之间的转换。而对跨几个投影带的专题要素，应当通过坐标的换带计算，把它们统一到同一个投影带中[6]。
4 GIS方法的应用
通过GIS的查询、空间分析和建立模型， 不仅可以回答地理对象的空间位置问题，还能用于研究自然现象的变化趋势，探索各种复杂现象之间的成因联系，并对各种自然和人工的过程进行模拟，预测发展趋势，为科学决策提供有力支持。
4.1 空间数据分析
在GIS中可以通过多种条件的组合，对空间对象的位置、 属性进行灵活的查询，揭示现象之间的数量关系和成因关系。可以通过地图查询数据库，也可以通过数据库查询地图；查询的条件或对象可以是面积、长度（距离）、地理坐标等基本属性项，也可以是各种扩充的数据项。在防护林改造中，通过查询可确定退化林地面积，分属乡镇，用于制定更新方案，估算投入产出；在海岸风沙研究中，通过查询干旱季节的风况记录，追溯风沙的物质来源，建立海岸风沙与河口沉积及流域水土流失的关系。
把含有不同要素的层进行叠加运算，也是GIS 最基本的分析手段之一。例如将地貌类型与土地利用现状叠加，可以分析沙地利用状况及其经济效益，探索沙地利用的最佳模式。叠加还常用于按区域进行的分析，如分乡镇的各种地理对象的统计等。
叠加分析还可用于沙地演化趋势的预测。例如将2 幅不同时代的沙漠化类型图，进行叠加（INTERSECT）运算，生成的新数据库将包含2个时代的属性，通过查询、检索和统计分析找出数量变化规律[7]， 可以确定非沙漠化耕地向沙质耕地转化的数量。
4.2 沙地利用评价
根据影响因子以及每个因子的权重，建立因子质量指数表，采用地图加权叠加分析方法，可以综合多个因素进行土地适宜性评价。
建立土地利用适宜性模型有以下步骤：①建立概念模型，即确定主要因子。②给各个因子的值评分或分等。适宜性数值应为连续的比率数据或间隔的等级数据，等级数据一般赋值于0～9，其中0表示不适宜， 1～3，4～6，7～9分别表示适宜中的高、中、低3等。 在模型中还要考虑对两种情况赋给特别的值：一类是在该单元无数据，另一类是在模型中禁止考虑的数据。③对每个参评因子赋予权重，可采用特尔菲法和层次分析法等。④进行模型的迭代运算。
最后根据运算结果，判别每个单元的适宜程度。因为适宜性评价都是相对于土地的某一类特定用途而言的，因此在应用中的主要工作是针对不同目的确定参评因子及其权重。
4.3 风沙扩散模拟
ARC／INFO提供的基于格网研究空间信息的数据模型GRID， 可模拟实体从一个单元到另一个单元的移动，用于建立风沙的运动模型，模拟海岸沙丘的扩散过程。 在选择的实验区， 将沙地的多边形数据通过POLY GRID进行矢量—栅格转换，然后按沙丘的活动状态为单元取值， 例如活动沙丘取值2，相邻单元取值1，防护林带或水域取值0。 风沙活动程度取决于风的作用、沙的来源、地表的干燥程度等因素。在无风或风力小于起沙风的情况下，沙丘不移动；风力大于起沙风时，沿风向迁移到相邻单元，不会逆风向移动；在大风情况下，风沙可跳过相邻单元。根据以上条件，利用GRID函数进行模型迭代，可预测风沙的扩散和堆积位置，提出风沙防治的策略。
网络模型也可用于研究风沙运动。首先分析活动沙丘与周围空间其它点间的可近度（Accessibility）， 计算得到每一点的可近度点状分布数据，然后用TIN模块转化为面状，再用表面等值线方法表示结果。 计算可近度的阻抗值是距离、风向和地表湿度的函数，逆风时为最大。
5 讨论
5.1 海岸带是陆地和海洋交互作用的地带，自然过程极其复杂， 海岸带GIS的开发具有很强的专业性特点， 涉及海岸带的科学理论和多学科的专业知识，因此在GIS建立之前进行一些预研究是必须的。 例如海岸带的范围界定，海岸分类，河流与海岸的过渡处理，水面和滩涂面积的计算，数字地图的处理，数据的更新技术等。
5.2 虽然GIS开发工具的选择是根据具体的应用目的决定的，但是目前不同的开发平台往往意味着不同的地理数据组织方式，因此选择开放和流行的系统平台，是GIS开放性的关键。ARC／INFO已经逐渐成为事实上的标准，在我国有较多用户，也为国家基础地理信息系统所采用，它还提供了强大的空间分析模块和方便的二次开发工具，是专业应用的较好选择，采用其它平台时应考虑与ARC／INFO的数据交换。
5.3 为保证系统数据一致性和安全更新， 地理数据的分层应尽量单一，然后采用各种叠加模型合成地图。例如用岸线和研究区界线合成图廓，再用于裁减各种要素图。对于高位编码也应采用拓扑叠加的方式来处理。例如对村庄点，只需按顺序码输入，然后与乡镇、县（市）多边形叠加，在属性表中得到所属乡镇和县（市）的编码，直接加入到顺序码之前。这样不仅大大减少数据输入时的工作量，也保证了数据的准确性。
5.4 GIS拓扑关系建立时生成的数据的精度，与采用的地图比例尺和地图投影方式有关，不可能与人工统计的数据完全吻合，因此它的可用性受到法律法规的限制，有时牵涉到地方和部门的局部利益，实践中应与统计数据配合使用。此外一般的面积和长度数据只适用于水平面，在坡度较大的地区或大比例尺应用时，应使用GRID或TIN 模块建立三维地形模型，以便得到更准确的表面面积或表面距离数据，这在道路选线等的应用中尤为重要。
5.5 地理信息系统的建立， 不仅是地图的数字化和数据的计算机管理问题，更重要的是各种分析方法的应用，其最终目的是提高生产力。GIS在海岸风沙地带的应用对沙地利用和改造、防护林更新、 风沙防治和海岸带的资源开发，具有很大的经济效益、社会效益和生态效益，值得深入研究和进一步探索。
*本文于1997年6月收到。