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1概述

近年來，環(huán)境信息科學(EnvironmentalInformationS。iences，或EnvironmentalInformaties，或Enviromatics)作為一門新興的交叉學科得到了快速的發(fā)展，早期單一的工程方向“環(huán)境信息化”正在發(fā)展成為一門多學科理論交叉、多技術手段集成的新興學科領域〔。國際環(huán)境信息科學學會(InternationalSocietyfo;EnvironmentalInformationSeienees，ISEIS)作為這一領域的學術組織，致力于發(fā)展信息技術在環(huán)境領域的應用，提供環(huán)境信息系統(tǒng)研究領域的多學科交叉，以促進環(huán)境信息系統(tǒng)研究領域的國際交流。國內在環(huán)境信息科學的一些主要論題包括環(huán)境信息系統(tǒng)、環(huán)境遙感、環(huán)境模型、環(huán)境可視化、環(huán)境信息處理等方面都開展了一些研究工作。20世紀90年代以來，環(huán)境信息化發(fā)展迅速，特別是從上至下的各級政府主管部門環(huán)境信息系統(tǒng)的建設極大地推動了這一工作的進展，環(huán)境地理信息系統(tǒng)則已成為實現(xiàn)環(huán)境信息化的主要途徑。地理信息系統(tǒng)在環(huán)境領域的應用，正在從初期的信息管理、環(huán)境專題制圖發(fā)展到Gls與環(huán)境模型集成陳、3S技術集成的多媒體環(huán)境系統(tǒng)、基于Gls的環(huán)境污染擴散模擬基于GIS的環(huán)境治理決策支持系統(tǒng)等。遙感技術在環(huán)境科學與工程領域有著廣泛應用，一些主要領域包括大氣污染遙感、水環(huán)境遙感、固體廢棄物遙感監(jiān)測、城市熱島效應與熱環(huán)境監(jiān)測、植被遙感、景觀格局遙感監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)測等。環(huán)境建模與模擬一直是環(huán)境工程研究的重要內容，一方面，各種數(shù)學模型、物理模型、統(tǒng)計模型在環(huán)境信息科學中得到大量應用，另一方面，基于環(huán)境過程機理的計算機模擬模型、元胞自動機(CA)模型、智能體(Agent)模型等也在環(huán)境領域受到重視。數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)是從海量數(shù)據(jù)庫中挖掘和提取對決策分析有用的、先前未知的隱含模式和規(guī)則的過程，筆者在1999年即面向環(huán)境信息化與數(shù)據(jù)挖掘技術的發(fā)展，試圖將二者結合，提出“環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn)”并進行了初步研究?？梢暬潜磉_和傳輸環(huán)境信息有效的形式，通過三維可視化、三維模擬實現(xiàn)環(huán)境現(xiàn)象、過程的真實感表達，能夠更加逼真地傳輸環(huán)境信息。近年來，虛擬現(xiàn)實技術在環(huán)境科學與工程領域的應用中受到了研究人員的重視卿?！疤摂M地理環(huán)境”是虛擬現(xiàn)實技術支持下地球科學研究的創(chuàng)新平臺，依托這一平臺，能夠進行環(huán)境科學與工程相關的理論研究、技術開發(fā)、工程實踐、模擬決策等活動。針對環(huán)境信息技術集成應用的趨勢，聶慶華提出了“數(shù)字環(huán)境”的概念，數(shù)字環(huán)境是環(huán)境信息化的過程和結果，是三維顯示的數(shù)字虛擬環(huán)境，包括環(huán)境信息數(shù)字化、環(huán)境信息傳輸網(wǎng)絡化、環(huán)境分析模型化和環(huán)境空間決策的智能化、環(huán)境過程和管理可視化。盡管國內目前在環(huán)境信息科學各個分支方向的研究非?；钴S，但缺乏整體性、系統(tǒng)性的認識和探討。本文在分析環(huán)境信息科學研究進展的基礎上，基于環(huán)境信息流和信息分析處理構建了環(huán)境信息科學的體系結構，并以煤礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測治理與管理為例，全面分析了環(huán)境信息科學理論、方法與技術的應用，以期促進環(huán)境信息科學研究及其在構建和諧社會、推進可持續(xù)發(fā)展中的應用。

2環(huán)境信息科學的體系結構及其在煤礦區(qū)的應用

2.1環(huán)境信息科學的體系結構盡管環(huán)境信息科學的概念提出已有近20年的時間，但從目前國內外研究的現(xiàn)狀來看，對于環(huán)境信息科學的概念、學科體系還缺乏明顯的定義。已有的一些環(huán)境信息科學研究計劃中界定的范疇也不盡相同。因此，從促進環(huán)境信息科學研究的視角出發(fā)，首先需要對環(huán)境信息科學的體系結構進行界定。HuangGH等川提出的環(huán)境信息科學的構成要素及相互之間的關系，這是當前引用較多的環(huán)境信息科學體系結構。，環(huán)境信息科學是多學科集成的領域。傳感器綜合技術和通信技術的發(fā)展使得大尺度地面采樣技術成為可能，處理不同特征、尺度和復雜性問題的模型綜合成為新的挑戰(zhàn)，包括不同模擬、優(yōu)化、評價模型以及相關信息技術與平臺的合并，不同技術輸人與輸出之間的聯(lián)接，社會經(jīng)濟因子的量化，以及大尺度集成模型的解算策略。在此基礎上，HuangGH等提出基于環(huán)境信息科學研究的環(huán)境決策支持系統(tǒng)計算機系統(tǒng)，USGS的研究報告’)中，將環(huán)境信息科學定義為:環(huán)境信息科學是為加強對不同復雜程度的環(huán)境現(xiàn)象的理解，并提出新的認識的，集成物理、生物學、計算機和信息科學的多學科方法的研發(fā)、試驗和應用的學科。不同定義都強調環(huán)境信息科學的多學科交叉、以信息技術為支持、解決復雜環(huán)境問題的特點。Huang等川的觀點顯然更強調以遙感、地理信息系統(tǒng)和GPS技術為基礎的空間信息技術與環(huán)境科學和工程的交叉，而USGS的定義則重點強調了現(xiàn)代計算技術、人工智能等在環(huán)境領域的應用，特別是USGS在其未來環(huán)境信息科學發(fā)展規(guī)劃中重點強調了計算智能等技術的應用?；谝陨嫌^點以及國內外研究的進展，結合我們的研究實踐與認識，以環(huán)境信息流和環(huán)境信息處理分析為主線，可以構建環(huán)境信息科學的體系結構環(huán)境信息科學的理論基礎來源于面向環(huán)境科學與工程領域需求的多學科理論交叉，技術支持在于面向環(huán)境信息流的多技術手段集成，最終通過不同學科領域方法模型的綜合，實現(xiàn)環(huán)境科學與工程各個階段、各個過程的目標和任務。因此，需要從多學科理論交叉與多技術手段集成的角度推進環(huán)境信息科學研究。

2.2環(huán)境信息科學在煤礦區(qū)綜合應用的研究從一定意義上來講，環(huán)境信息科學并不是一門獨立存在的新興學科，而是諸多學科的交叉和集成。不同學科在研究過程中，特別是遙感與地理信息系統(tǒng)應用、資源環(huán)境規(guī)劃與城鄉(xiāng)管理、環(huán)境影響評價、信息科學、計算機技術等領域都從不同的角度開展著與環(huán)境信息科學密切相關的內容，這些學科的研究成果是促進環(huán)境信息科學發(fā)展的基礎和關鍵。換言之，以前進行的研究工作往往是從環(huán)境信息科學的外圍開展的相關論題研究，其重點還在于不同學科方向，但已經(jīng)構成了環(huán)境信息科學研究的基礎層。為了促進環(huán)境信息科學的研究，需要改變從外部到內部的“包圍型”研究模式，努力推進從核心到外圍的“拓展型”發(fā)展模式，即從環(huán)境信息流出發(fā)，組織和集成相關學科的研究，特別是在不同學科交叉鏈接的關鍵論題上開展深入研究，以便形成適應環(huán)境信息科學體系與研究需求的理論方法體系和應用技術系統(tǒng)。煤礦區(qū)作為1種以資源開采為驅動力發(fā)展起來的特殊地理區(qū)域，由于煤炭資源開采(以下僅涉及地下開采礦區(qū))破壞上覆巖層原始應力狀態(tài)，導致地下水流失、地面塌陷，進而引發(fā)土壤污染、水土流失，礦山排研形成的研石山壓占大量土地，堆積物導致嚴重大氣污染和土壤損害，甚至引發(fā)各種地質災害。因此，煤炭區(qū)是1種典型的由于礦山開采導致的景觀破壞、環(huán)境污染、生態(tài)退化的復雜區(qū)域，煤礦區(qū)的環(huán)境問題具有明顯的復雜性。目前，對于煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境主要的研究視角包括:(l)從煤礦開采損害角度出發(fā)研究開采沉陷與地表變形預計、監(jiān)測與治理;(2)從煤礦區(qū)土地資源管理角度出發(fā)研究煤礦區(qū)土地利用/覆蓋變化與生態(tài)響應;(3)從煤礦區(qū)地質環(huán)境角度出發(fā)研究礦區(qū)地質環(huán)境評價與地質災害預防，(4)從煤礦區(qū)水資源環(huán)境角度出發(fā)研究礦井水害、水污染與水資源調控;(5)從景觀格局生態(tài)學角度出發(fā)研究煤礦區(qū)景觀格局;(6)從地理環(huán)境演變角度出發(fā)研究煤礦區(qū)地理環(huán)境演變與模擬;(7)從遙感與GIS應用角度出發(fā)研究礦區(qū)資源環(huán)境遙感與信息系統(tǒng);(8)從大氣污染角度出發(fā)研究煤礦區(qū)大氣污染評價與控制;(9)從經(jīng)濟學角度出發(fā)研究煤礦區(qū)環(huán)境經(jīng)濟評價;(10)從管理學與可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)研究煤礦區(qū)環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境管理與可持續(xù)發(fā)展決策;等等。對以上不同視角的研究進行綜合分析，可以看出多主題、多要素的時空環(huán)境信息是其中的關鍵，任何視角的研究都需要充分的信息和數(shù)據(jù)的支持、需要環(huán)境信息和背景信息的集成、需要計算機信息系統(tǒng)和分析工具的支持、需要環(huán)境知識和其它領域知識的交叉和集成。因此，從環(huán)境信息科學的角度出發(fā)，可以集成現(xiàn)有的研究工作，充分應用相關學科已有研究成果，通過成果整合與集成，在推進環(huán)境信息科學研究的同時，也進一步推動相關領域的研究。實現(xiàn)整合的關鍵在于不同研究視角之間的關聯(lián)關系構建、鏈接邊界選擇、信息傳輸反饋、系統(tǒng)相互作用。按照該研究框架，煤礦區(qū)環(huán)境信息科學的重點在于多學科研究的交叉點，主要包括:(l)基于采礦環(huán)境影響機理的模型建立、參數(shù)獲取;(2)各種環(huán)境模型的建立、參數(shù)提取與模型驗證(面向環(huán)境系統(tǒng)分析的環(huán)境評價、污染擴散、環(huán)境演變模型和面向環(huán)境管理決策的規(guī)劃模型、優(yōu)化配置、動態(tài)演變模型以及環(huán)境保護治理與生態(tài)重建方案設計);(3)面向環(huán)境監(jiān)測的遙感信息源選擇與圖像處理、環(huán)境信息提取與分析，以及組織、集成與管理多種環(huán)境相關信息的數(shù)據(jù)庫設計與建立;(4)環(huán)境信息系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)平臺下的模型解算與解釋、分析結果可視化與應用;(5)集成信息、模型、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)、知識的環(huán)境決策支持系統(tǒng)(專家系統(tǒng))構建。(6)資源一環(huán)境一人類一計算機系統(tǒng)中的信息流與信息應用。

3結語

環(huán)境信息科學的概念從提出到現(xiàn)在已有20多年的歷史，國內外從不同學科視角開展了大量研究，取得了一系列的成果。相對而言，我國在這一領域的研究，雖然也有很快的發(fā)展，但研究的主要出發(fā)點仍是地理科學、遙感與地理信息系統(tǒng)應用、景觀生態(tài)學等學科，針對環(huán)境信息科學本身的系統(tǒng)性、綜合性集成研究比較少。本文在介紹當前國內外環(huán)境信息科學研究方向進展的基礎上，從多學科交叉的角度、按照環(huán)境信息流和信息分析處理的特點探討了環(huán)境信息科學的體系結構，并以煤礦區(qū)采礦環(huán)境損害監(jiān)測治理與環(huán)境管理中環(huán)境信息科學的系統(tǒng)研究與集成應用為例進行了應用分析，體現(xiàn)了環(huán)境信息科學的發(fā)展前景和應用價值。針對環(huán)境信息科學的發(fā)展趨勢及其學科特點，需要進行多學科交叉的人才培養(yǎng)。目前國內學科設置缺乏環(huán)境信息科學二級學科，因此建議部分具有“環(huán)境科學與工程”一級學科博士點的院校自主設置“環(huán)境信息科學”二級學科，也可以考慮在“地理學”、“測繪科學與技術”一級學科下設類似二級學科。此外，在本科教育中也應注意深人全面的學科交叉滲透，如在地理信息系統(tǒng)專業(yè)開設環(huán)境類課程，在環(huán)境類專業(yè)中開設遙感、地理信息系統(tǒng)類課程。隨著環(huán)境信息科學研究的重視和加強，環(huán)境信息科學理論方法研究必然會得到快速發(fā)展，研究成果也必將會在區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、大型工程項目實施、區(qū)域和城市發(fā)展規(guī)劃決策等方面發(fā)揮重要作用。