舉例說明地理信息技術(shù)在地貌學中的應用？

從 20 世紀80 年代起國內(nèi)外科學家開始探索利用 RS/ GIS 技術(shù)來提取海岸帶地貌特征和解譯它的理論和方法，并且成功地進行了河口三角洲、海岸灘涂、潟湖沙壩、珊瑚礁等地貌類型的監(jiān)測和制圖。20 世紀在 90 年代利用 GIS 技術(shù)研究海岸地貌進入了新的階段，這一時期海岸科學家注意到 GIS 技術(shù)在海洋和陸地應用中的差別，提出了海岸帶本身的地形數(shù)學模型，如 Liet al.提出了海底地形概念數(shù)據(jù)模型，Hatcher提出專業(yè)的海洋網(wǎng)格系統(tǒng)，并把它應用到美國的納拉甘西特(Narragansett)灣海岸帶地質(zhì)數(shù)據(jù)的處理和制圖；近年來利用 GIS 技術(shù)研究海岸海洋地貌向著更高層次的三維可視化、虛擬現(xiàn)實和復雜地形數(shù)據(jù)建模方面發(fā)展；應用GIS技術(shù)集成多源數(shù)據(jù)建立從陸地到海洋的綜合地理信息平臺，研究海岸帶地貌空間分布、演變機理，為海岸帶開發(fā)、管理和規(guī)劃提供決策支持。

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GIS在環(huán)境地學中的主要應用領(lǐng)域?

隨著地學工作的不斷深入，地學研究的難度逐漸增加，以往單一的研究方法已難見成效。越來越多的人認識到，只有將地學領(lǐng)域的不同研究方法(地質(zhì)、地球物理、地球化學和遙感等)得到的信息進行綜合分析研究，才是提高效果的根本出路。近年來GIS技術(shù)的發(fā)展使這一可能變成現(xiàn)實。地理信息系統(tǒng)(GIS)是輸入、存儲、檢索、分析和顯示與地理位置有關(guān)的各種特征信息的計算機輔助系統(tǒng)，地學專家可以把各種相關(guān)的空間或非空間信息送入GIS進行管理，進行各種綜合分析研究，這樣就可能對許多重大信息，如能源和礦產(chǎn)潛力、環(huán)境災害評價等提出新的認識和作出科學決策。

下面概述一下GIS在地球科學及相臨學科應用的幾個具體領(lǐng)域：

(1)自然資源管理方面：包括自然資源的分布狀況、自然資源數(shù)量統(tǒng)計、自然資源查詢、資源評價、預測與決策分析、資源合理開發(fā)利用、資源動態(tài)監(jiān)測等。

(2)土地管理方面：包括地籍調(diào)查和管理、土地規(guī)劃、土地利用現(xiàn)狀調(diào)查與管理、土地評價、土地承載力計算和分析、土地類型劃分、房地產(chǎn)評估和管理、土地信息查詢、土地潛力分析、人地關(guān)系狀況分析、土地利用預測與決策分析等。

(3)農(nóng)業(yè)和土壤方面：包括農(nóng)作物結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理布局、農(nóng)作物估產(chǎn)、決定投資方向和規(guī)模，找出最佳投入產(chǎn)出比、收獲規(guī)劃、病蟲害防治、土壤類型的分布及規(guī)律、土壤侵蝕、土壤演變規(guī)律等。

(4)地質(zhì)水文方面：包括地形地貌的發(fā)生、發(fā)展和演變規(guī)律、地下巖石和地下水分布規(guī)律、水域分布和分析、洪水預測及防護、水質(zhì)水量檢測等。

(5)生態(tài)景觀管理方面：包括景觀設(shè)計與制圖、生態(tài)演替模擬、景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)分析、景觀生態(tài)評價等。

(6)環(huán)境保護方面：包括環(huán)境質(zhì)量專題制圖、環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀分析、環(huán)境質(zhì)量預測分析、環(huán)境質(zhì)量動態(tài)模擬等。

(7)水利方面：包括基本建設(shè)規(guī)劃、測量、土方挖填、坡度和坡向分析、壩址設(shè)計、庫容分析、洪水淹沒分析、小流域治理等。

(8)測繪方面：包括大地測量、地圖管理、地圖制作等。

(9)地球科學學旅游方面：包括室內(nèi)地圖游覽、旅游咨詢、天然公園規(guī)劃、景觀布局、旅游景點的統(tǒng)一管理等。此外，地理信息系統(tǒng)還被應用于海洋、氣象、石油、教育、航空運輸、物業(yè)管理等許多領(lǐng)域。現(xiàn)在，地理信息系統(tǒng)已成為科學管理、科學規(guī)劃、科學預測和科學決策等的重要工具。

GIS在地質(zhì)學中的應用

石油和礦產(chǎn)勘查要求多種數(shù)據(jù)集進行綜合分析。過去對數(shù)據(jù)存檔、檢索及迭加分析通常使用圖件或表格數(shù)據(jù),對比與綜合要花費大量時間,遙感與GIS技術(shù)則為這些多源勘探數(shù)據(jù)綜合處理提供了現(xiàn)代化手段。

在石油等礦產(chǎn)勘查時,地質(zhì)學家首先要對各種地質(zhì)圖件、地球物理和地球化學數(shù)據(jù)、地震剖面以及遙感圖像等數(shù)據(jù)進行綜合分析,以便能清楚地了解各種不同數(shù)據(jù)集之間的關(guān)系。

地質(zhì)數(shù)據(jù)通常也是由點、線、多邊形三種形態(tài)構(gòu)成的。點數(shù)據(jù)以地球化學分析數(shù)據(jù)最典型,它與某一特定的取樣點有關(guān);線數(shù)據(jù)可以是一條巖性分界線或一條斷裂;多邊形數(shù)據(jù)如某種巖類的出露范圍。這些數(shù)據(jù),有的采用圖件形式,用顏色表示巖石類型(專題圖),符號表示地球化學取樣點位置,用等值線表示磁場測量值。許多地質(zhì)數(shù)據(jù)還以報告、圖形或?qū)嶒炇医Y(jié)果表格等形式提供。在GIS中,這些不同的數(shù)據(jù)集(如地球化學分析數(shù)據(jù)、航磁調(diào)查數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖和地形圖以及遙感數(shù)據(jù))經(jīng)過數(shù)字化、編碼、矢量到網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生連續(xù)或離散的數(shù)據(jù)集,存入建立起目標區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫,圖13-1給出了地質(zhì)地表數(shù)據(jù)的輸入,分析和建庫的過程。

在地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中,地質(zhì)數(shù)據(jù)按專題內(nèi)容分層存貯,幾何特征以圖形圖像表達,屬性數(shù)據(jù)則記錄在二維關(guān)系表中,兩者為一對一或一對多的關(guān)系。于是,在這個數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上,勘探工作區(qū)的所有地球物理、地球化學、巖石學及輻射場的數(shù)據(jù)都可以納入數(shù)據(jù)庫。一旦工作區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫被建立,地質(zhì)學家便可以利用已有的專家(概念)模型來指導數(shù)據(jù)分析。例如,在石油勘探中,首先利用石油存貯條件與變量之間已知的物理、化學和地質(zhì)聯(lián)系來分析數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù),對直接或間接與這些聯(lián)系有關(guān)的數(shù)據(jù)進行分析、處理、生成各種派生數(shù)據(jù)。表13-1顯示某工作區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)和派生數(shù)據(jù)集。用這些數(shù)據(jù)所提供的信息來選定油氣儲藏有利地區(qū)。

如將重力和航磁數(shù)據(jù)疊合,有助于對基底形態(tài)的分析。又由于基底形態(tài)對沉積蓋層構(gòu)造發(fā)育有影響,因而據(jù)重力和航磁的一階、二階導數(shù)可推斷出構(gòu)造的總體特征。又如,基底隆起地區(qū)可能影響蓋層構(gòu)造特征,基底凹陷的地區(qū)沉積厚度較大,可能成為盆地的沉積中心。

圖13-1 地質(zhì)地表數(shù)據(jù)處理、分析及建庫流程圖

背斜構(gòu)造是重要儲油構(gòu)造。是油氣勘探數(shù)據(jù)庫的重要內(nèi)容。構(gòu)造的向下延伸范圍是一個最有價值的參數(shù),目前的技術(shù)水平還難以確定。在數(shù)據(jù)庫中,背斜用多邊形表示,并以背斜軸為中心向下延展來定性表達背斜的地下影響范圍。

斷層對油氣的生、儲、蓋都很重要。斷層等密度圖與線性體等密度圖是用任一網(wǎng)格單元范圍內(nèi)斷層/線性體出現(xiàn)的頻數(shù)來定義的。用鄰域分析法計的研究區(qū)內(nèi)圍繞每一象元的5×5象元陣列中斷層出現(xiàn)的次數(shù)。結(jié)果圖顯示出斷層/線性體密度。將斷層等密度和線性體等密度圖進行疊加,合成出一幅描述斷裂密度的新圖。對蓋層斷裂密度高值地區(qū)進行分析,判明它對區(qū)域油氣運移和儲集的具體作用。

表13-2給出某研究區(qū)域模型及其對應的權(quán)重,系統(tǒng)據(jù)此運行后生成一個新圖像。圖像的像元值等于各輸入的權(quán)值求和,將它們進一步分段,便可以表達工作區(qū)中油氣產(chǎn)出有利性的不同級別,最后圈出高概率產(chǎn)油區(qū)。

這種技術(shù)方法同樣適用于其它礦產(chǎn)勘查、區(qū)域成礦預測,工程地質(zhì)災害評估與預測等。

GIS技術(shù)的引入可能極大改變地質(zhì)學家的工作模式,使地學工作者面臨的對多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集、配準、存儲、分析、綜合與檢索工作,變得形象直觀、靈活多樣、快速準確,使各種地學模型的生成和發(fā)展,在技術(shù)上有了主要的支撐系統(tǒng)。

表13-1 原始和派生地質(zhì)數(shù)據(jù)

表13-2 模型的輸入與數(shù)字加權(quán)

地質(zhì)信息系統(tǒng)技術(shù)

一、內(nèi)容概述

地質(zhì)信息系統(tǒng)（GIS），產(chǎn)生于20 世紀60 年代。它隨著人們對自然資源和環(huán)境的規(guī)劃管理工作的需要以及計算機制圖技術(shù)的應用而誕生，是一種對大批量空間數(shù)據(jù)采集、存儲、管理、檢索、處理和綜合分析并以多種形式輸出結(jié)果的計算機系統(tǒng)。1965 年，W.L.Garrison首先提出了“地質(zhì)信息系統(tǒng)”這一術(shù)語，開創(chuàng)了這一新技術(shù)的發(fā)展史。此后，美國、加拿大、英國、澳大利亞等國均投入了大量人力、物力和財力，并逐步確立了他們在這一領(lǐng)域里的國際領(lǐng)先地位（黃潤秋，2001）。

二、應用范圍及應用實例

1.GIS技術(shù)在地質(zhì)災害信息系統(tǒng)中的應用

隨著人口的急劇增長，經(jīng)濟的迅速發(fā)展和自然資源的大量消耗，不僅生態(tài)環(huán)境惡化，而且導致自然災害（包括地質(zhì)災害）頻繁發(fā)生。美國、印度等國是世界上地質(zhì)災害較為嚴重的國家，地質(zhì)災害具有類型多、分布廣和成災強度高的特點。這些地質(zhì)災害大部分發(fā)生在承災能力較低的地區(qū)，給當?shù)氐慕?jīng)濟和社會穩(wěn)定構(gòu)成了嚴重的威脅。地質(zhì)災害是地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量低劣的表現(xiàn)，它的頻發(fā)不僅反映了自然地質(zhì)環(huán)境的脆弱性，而且反映了人類工程經(jīng)濟活動與地質(zhì)環(huán)境間矛盾的激化。要使人類工程經(jīng)濟活動與地質(zhì)環(huán)境之間保持較為協(xié)調(diào)的關(guān)系，就必須對地質(zhì)環(huán)境進行評價，以了解不同經(jīng)濟發(fā)展過程中區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的基本態(tài)勢和變化趨勢，為環(huán)境管理和城市規(guī)劃等提供依據(jù)，但傳統(tǒng)技術(shù)手段已不能完全應付迅速反應的地質(zhì)災害。地質(zhì)信息系統(tǒng)作為當前高科技發(fā)展的產(chǎn)物，集圖形、圖像與屬性數(shù)據(jù)管理、處理、分析、輸入輸出等功能為一體，應是當前地質(zhì)環(huán)境評價與地質(zhì)災害預測的強有力工具（趙金平等，2004）。

GIS 技術(shù)的產(chǎn)生是計算機技術(shù)和信息化發(fā)展的共同產(chǎn)物。是管理和研究空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)。可以迅速地獲取滿足應用需要的信息，能以地圖、圖形或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結(jié)果（曹修定等，2007）。國外尤其是發(fā)達國家在GIS應用與地質(zhì)災害研究方面已做了很多工作。從20世紀60年代至今，GIS技術(shù)的應用也從數(shù)據(jù)管理、多源數(shù)據(jù)集數(shù)字化輸入和繪圖輸出，到DEM或DTM模型的使用，到GIS結(jié)合災害評價模型的擴展分析，到GIS與決策支持系統(tǒng)（DSS）的集成，到網(wǎng)絡(luò)GIS，逐步發(fā)展深入應用（黃潤秋，2001）。

印度Roorkee大學地球科學系的R.P.Gupta和B.C.Joshi（1990）用GIS方法對喜馬拉雅山麓的Ramganga Catchment地區(qū)進行滑坡災害危險性分帶。該項研究基于多源數(shù)據(jù)集，如航空像片、MSS磁帶數(shù)據(jù)、MSS圖像、假彩色合成圖像及各種野外數(shù)據(jù)，包括地質(zhì)、構(gòu)造、地形、土地利用及滑坡分布。以上數(shù)據(jù)需要進行數(shù)字、圖像等處理，然后解譯繪制出專題平面圖，包括地質(zhì)圖（巖性與構(gòu)造）、滑坡分布圖、土地利用圖等。這些圖件經(jīng)數(shù)字化及有關(guān)數(shù)據(jù)都存儲在GIS系統(tǒng)中，找出與滑坡災害評價相關(guān)的因素，如滑坡活動與巖性的關(guān)系，滑坡活動與土地利用的關(guān)系，不同斜坡類型的滑坡分布情況，滑坡分布與主要斷裂帶的距離關(guān)系。經(jīng)過統(tǒng)計及經(jīng)驗分析，引入一個滑坡危險系數(shù)（LNRF）。LNRF值越大，表示該地滑坡災害發(fā)生的危險性越高。并且對LNRF的3個危險級別分別賦予0、1、2三個權(quán)重。考慮到滑坡的發(fā)生是多個因素綜合作用的結(jié)果，故調(diào)用GIS的疊加分類模型，將各因素的權(quán)重疊加，得到綜合圖件，圖上反映的是每個地區(qū)的權(quán)重總和。根據(jù)給定標準，即可在這張圖上勾繪出滑坡災害危險性分區(qū)圖。

荷蘭ITC的C.J.Van Westen和哥倫比亞IGAC的J.B.Alzate Bonilla（1990）基于GIS對山區(qū)地質(zhì)災害進行分析。他們在數(shù)據(jù)采集、整理方面做了大量工作，建立了一套完整的數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出了分析評價模型，如斜坡穩(wěn)定性分析模型，其主要功能是計算斜坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。另外，兩位學者還利用GIS所生成的數(shù)字高程模型（DEM），開發(fā)出了一部山區(qū)落石滾落速率計算模型，并據(jù)此繪出了研究區(qū)內(nèi)落石速率分區(qū)圖（黃潤秋，2001）。

美國科羅拉多州立大學Mario Mejia-Navarro和Ellen E.Wohl（1994）在哥倫比亞的麥德林地區(qū)，用GIS進行地質(zhì)災害和風險評估（姜作勤，2008）。利用GIS對麥德林地區(qū)地質(zhì)災害進行了分析和研究，重點考慮了基巖和地表地質(zhì)條件、構(gòu)造地質(zhì)條件、氣候、地形、地貌單元及其形成作用、土地利用和水文條件等因素。根據(jù)各因素的組成成分和災害之間的對應關(guān)系，把每一種因素細分為不同范疇等級，借助于GIS軟件（GRASS）的空間信息存儲、緩沖區(qū)分析、DEM模型及疊加分析等功能，對有關(guān)滑坡、洪水和河岸侵蝕等災害傾向地區(qū)進行了災害分析，并對某一具體事件各構(gòu)成因素的脆弱性進行評價。

同樣是美國科羅拉多州立大學Mario Mejia-Navarro博士后等人（1996）將GIS技術(shù)與決策支持系統(tǒng)（DSS）結(jié)合，利用GIS（主要是地質(zhì)資源分析系統(tǒng)GRASS軟件）及工程數(shù)學模型建立了自然災害及風險評估的決策支持系統(tǒng)并應用在科羅拉多州的Glenwood Springs地區(qū)（姜作勤等，2001）。應用GIS建立指標數(shù)據(jù)庫，并建立基于GIS的多個控制變量的權(quán)重關(guān)系式。對泥石流、洪水、地面沉降、由風引起的火災等災種進行了災害敏感性分析、脆弱性分析及風險評估，輔助政府部門做出決策。

美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）已把加強城市地質(zhì)災害研究列為21世紀初的重要工作，借助GIS編制美國主要城市地區(qū)多種災害的數(shù)字化圖件，這種做法與西歐國家的城市地質(zhì)工作的總趨勢一致。其中，美國科羅拉多州格倫伍德斯普林市的城市地質(zhì)災害評價項目最具代表性。由于該市位于山區(qū)河谷地區(qū)，崩滑流地質(zhì)災害制約著城市的發(fā)展，為此，城市規(guī)劃部門委托科羅拉多州立大學，開展了GIS地質(zhì)災害易損性和風險評價編圖研究，最終按14種土地利用適宜性等級，對評價區(qū)進行了土地利用區(qū)劃，圈出了未來城市發(fā)展的適宜地段和高風險區(qū)，在此基礎(chǔ)上建立了城市整體化決策支持系統(tǒng)。

綜上所述，可以看出，國外尤其是發(fā)達國家將 GIS 應用于地質(zhì)災害研究起步較早（表1），研究程度已遠遠超過我們，此方面的應用也隨著GIS技術(shù)的自身發(fā)展而深入（黃潤秋，2001）。

2.GIS在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中的應用

地質(zhì)信息系統(tǒng)與現(xiàn)代地球及其相關(guān)科學日益增長的需求相適應，以處理地球上任何具有空間方位的海量信息為特征，具定量、定時、定位等優(yōu)點，近10年來已在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中得到廣泛應用。一個區(qū)域各種地質(zhì)資料（圖形、圖像、文字、邏輯、數(shù)值）的GIS分析實際上代表該區(qū)域現(xiàn)階段較為客觀的總認識。目前，野外收集資料、數(shù)據(jù)建庫、GIS分析等尚存在規(guī)范化、標準化等問題，GIS本身解決諸多專業(yè)性較強地質(zhì)問題的能力亦不足。但GIS的進一步發(fā)展與完善必將使地質(zhì)礦產(chǎn)勘查進入一個數(shù)字化的新時期（周軍等，2002）。

GIS因解決地質(zhì)問題而產(chǎn)生，其雛形可以追溯到20 世紀60 年代。加拿大測量學家R.F.Tomlinson首先于1963年提出地質(zhì)信息系統(tǒng)這一術(shù)語，建成世界上第一個GIS即加拿大GIS（CGIS）一并應用于資源管理與規(guī)劃。1970～1976年間美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局建成50多個信息系統(tǒng)并進行綜合地質(zhì)研究，德國在1986 年建成DASCH系統(tǒng)，瑞典、日本等國也陸續(xù)建有自己的GIS。GIS的發(fā)展與計算機科學的高速發(fā)展并行，主要發(fā)生在過去的20年中，而近10年來發(fā)展更快（周軍等，2002）。

表1 國外GIS在地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災害研究中的應用

GIS因解決地質(zhì)問題而產(chǎn)生，其雛形可以追溯到20 世紀60 年代。加拿大測量學家R.F.Tomlinson首先于1963年提出地質(zhì)信息系統(tǒng)這一術(shù)語，建成世界上第一個GIS即加拿大GIS（CGIS）一并應用于資源管理與規(guī)劃。1970～1976年間美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局建成50多個信息系統(tǒng)并進行綜合地質(zhì)研究，德國在1986 年建成DASCH系統(tǒng)，瑞典、日本等國也陸續(xù)建有自己的GIS。GIS的發(fā)展與計算機科學的高速發(fā)展并行，主要發(fā)生在過去的20年中，而近10年來發(fā)展更快（周軍等，2002）。

ArcInfo與ArcView GIS是當前最流行的兩個軟件包，為美國ESRI（Environmental Systems Research Institute，Inc.）的重要產(chǎn)品，被許多國家官方確定為國土資源、地質(zhì)、環(huán)境等管理、研究的主要地質(zhì)信息系統(tǒng)。ESRI始建于1969年，由Jack Dansermond和Laura Dangermond用自己平時積蓄的1100美元起步，經(jīng)過20世紀70年代的艱苦奮斗，1981年推出新型ArcInfo，1986年微機版的PC ArcInfo投入市場，1991 年又一力作ArcView GIS問世。1981年ESRI在其Redlands總部召開首次用戶會議，僅18人到場，而1998年的用戶大會有來自90個國家的8000多位代表。

ESRI的發(fā)展史反映了GIS從無到有、從弱到強、迅速成長壯大的發(fā)展歷程，也從一個側(cè)面顯示出GIS巨大的市場潛力和難以估量的應用價值。

據(jù)悉，1995年市場上有報價的GIS 軟件已達上千種，但主要占據(jù)市場的不過10 余種。除上述提到的ArcInfo與ArcView GIS外，國外的GIS代表作還有MapInfo、ErMapper、Idrisi Endas、Erdas、Genamap、Spans、Tigris等。

GIS已在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中得到廣泛應用，并取得許多矚目成果。美國、加拿大、澳大利亞早在1985～1989年就將其應用于地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查和填圖。目前，澳大利亞開始利用筆記本電腦以數(shù)字形式采集野外地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立有關(guān)數(shù)據(jù)庫，借助ArcInfo與ArcViewGIS編制第二代地質(zhì)圖件。

三、資料來源

曹修定，阮俊等.2007.GIS技術(shù)在地質(zhì)災害信息系統(tǒng)中的應用.中國地質(zhì)災害與防治學報，18（3）：112～115

黃潤秋.2001.面向21世紀地質(zhì)環(huán)境管理及地質(zhì)災害評價的信息技術(shù).國土資源科技管理，18：30～34

姜作勤.2008.國內(nèi)外區(qū)域地質(zhì)調(diào)查全過程信息化的現(xiàn)狀與特點.地質(zhì)通報，27（7）：956～964

姜作勤，張明華.2001.野外地質(zhì)數(shù)據(jù)采集信息化所涉及的主要技術(shù)及其進展.中國地質(zhì)，28（2）：36～42

趙金平，焦述強.2004.基于GIS的地質(zhì)環(huán)境評價在國外的研究現(xiàn)狀.南通工學院學報（自然科學版），3（2）：46～50

周軍，梁云.2002.地理信息系統(tǒng)及其在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中的應用.西安工程學院學報，24（2）：47～50

網(wǎng)站欄目：gis技術(shù)在研究地形地貌 gis技術(shù)在研究地形地貌的作用
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