鄭 佳，賀中潤

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

基于黑龍江省地下水超采區(qū)劃分中ArcGIS空間分析的應(yīng)用

鄭 佳，賀中潤

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

ArcGIS軟件的空間分析功能可以高效的處理地下水觀測數(shù)據(jù)，為超采區(qū)評(píng)價(jià)提供直觀準(zhǔn)確的基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)，文章結(jié)合地下水超采區(qū)的工程實(shí)例論述了該方法在數(shù)值分析上的應(yīng)用。

空間分析;數(shù)據(jù)分類;柵格化;地下水超采區(qū);綜合評(píng)價(jià)

自2003年開展黑龍江省地下水水資源論證及黑龍江省若干城市地下水開采分析以來，應(yīng)用先進(jìn)高效的地理信息系統(tǒng)進(jìn)行輔助分析及制圖就成為了不可缺少的技術(shù)手段，可以將以往的人工分析過程用計(jì)算機(jī)來完成，提高了效率與精度，將技術(shù)人員從枯燥的數(shù)據(jù)分析中解放出來。其中：ESRI公司的ArcGIS軟件在數(shù)據(jù)分析方面具有較強(qiáng)的能力，成為了地下水評(píng)價(jià)工作的首選分析工具。下面就該軟件涉及的相關(guān)概念及實(shí)際應(yīng)用作幾點(diǎn)論述。

1 空間分析的主要內(nèi)容

地下水評(píng)價(jià)工作中對(duì)于地下水相關(guān)數(shù)據(jù)的分析主要應(yīng)用基礎(chǔ)就是空間分析理論，空間分析是 GIS的主要特征，空間分析是從空間物體的空間位置、聯(lián)系等方面去研究空間事物，以對(duì)空間事物做出定量的描述?？臻g分析是基于地理對(duì)象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)?？臻g分析方法必然要受到空間數(shù)據(jù)表示形式的制約和影響，空間數(shù)據(jù)通常分為柵格模型和矢量模型兩種基本的表示模型。此外矢量柵格一體化、三維數(shù)據(jù)模型、時(shí)空數(shù)據(jù)模型等由于自身的特點(diǎn)，代表數(shù)據(jù)模型發(fā)展的方向。

空間統(tǒng)計(jì)分析主要用于空間數(shù)據(jù)的分類與綜合評(píng)價(jià)。為了將空間實(shí)體的某些屬性進(jìn)行橫向或縱向比較，往往將實(shí)體的屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以便進(jìn)行直觀的綜合評(píng)價(jià)。常用的地學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法多樣，包括相關(guān)性分析、回歸分析、時(shí)間序列分析、系統(tǒng)聚類分析、主成分分析、趨勢面分析、馬爾可夫預(yù)測以及克里格估計(jì)法等等。

空間統(tǒng)計(jì)分析除了能分析數(shù)據(jù)的整體態(tài)勢外，還可以分析空間數(shù)據(jù)采樣的合理性，空間數(shù)據(jù)往往是根據(jù)自己要求所獲取的采樣點(diǎn)觀測值，對(duì)于諸如地面高程、地下水位等。這些點(diǎn)的分布一般是不規(guī)則、不連續(xù)的，在用戶感興趣或模型復(fù)雜區(qū)域可能采樣點(diǎn)多，反之則少。

對(duì)于研究區(qū)域某空間因子采樣的個(gè)數(shù)是有限的，不可能布滿整個(gè)研究區(qū)域。當(dāng)用戶對(duì)需要對(duì)未采樣點(diǎn)的數(shù)值需要準(zhǔn)確的了解時(shí)，可根據(jù)已知采樣點(diǎn)的信息對(duì)附近未知點(diǎn)的屬性進(jìn)行預(yù)測或估計(jì)，如運(yùn)用內(nèi)插值或外插值方法。插值方法大都是基于矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)的，目前也有學(xué)者提出線插值和面插值的概念和方法，但還不成熟和完善，有待于進(jìn)一步的研究和討論。

圖1 差值法生成表面圖

內(nèi)插目的是為了根據(jù)已知點(diǎn)的屬性合理推斷和預(yù)測附近未知點(diǎn)的屬性值，有點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)插形成表面，得到面上任意點(diǎn)的值(以樣條插值為例)。內(nèi)插的方法有若干種，各自有自己特點(diǎn)和不足，常用的有反距離權(quán)插值、樣條插值和克力格插值。根據(jù)具體問題的特征，選擇適當(dāng)?shù)牟逯捣椒ㄟM(jìn)行插值，才可能對(duì)未知點(diǎn)的屬性得到較為準(zhǔn)確的預(yù)測和反映，圖1是跟據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)的高程值以樣條插值方法為例進(jìn)行插值得到的高程表面。

2 ArcGIS9的模塊分析

強(qiáng)大的空間分析功能是 ArcGIS9的特點(diǎn)與核心之一。ArcGIS9的空間分析模塊功能的實(shí)現(xiàn)主要是基于柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行的，其可以完成常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、分析、統(tǒng)計(jì)、分類和顯示等功能。ArcGIS9的空間分析功能主要包括于空間分析模塊、3D分析模塊、地統(tǒng)計(jì)分析模塊、網(wǎng)絡(luò)分析模塊、跟蹤分析模塊等之中。對(duì)于空間分析功能的實(shí)現(xiàn)，各模塊具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢。這里重點(diǎn)對(duì)柵格數(shù)據(jù)空間分析模塊(Spatial Analyst)進(jìn)行分析。

柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、直觀，非常利于計(jì)算機(jī)操作和處理，是GIS常用的空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)格式?；跂鸥駭?shù)據(jù)的空間分析是GIS空間分析的基礎(chǔ)，也是ArcGIS的空間分析模塊的核心內(nèi)容。柵格數(shù)據(jù)的空間分析主要包括：距離制圖、密度制圖、表面生成與分析、單元統(tǒng)計(jì)、領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)、分類區(qū)統(tǒng)計(jì)、重分類、柵格計(jì)算等功能。

在地下水超采區(qū)分析中一般情況下采集到的數(shù)據(jù)都是以離散點(diǎn)的形式存在的，只有在這些采樣點(diǎn)上才有準(zhǔn)確的數(shù)值，而其它未采樣點(diǎn)上都沒有數(shù)值。然而，在實(shí)際應(yīng)用中卻很可能需要用到某些未采樣點(diǎn)的值，這個(gè)時(shí)候就需要通過已采樣點(diǎn)的數(shù)值來推算未采樣點(diǎn)值。這樣的一個(gè)過程也就是柵格插值過程。插值結(jié)果將生成一個(gè)連續(xù)的表面，在這個(gè)連續(xù)表面上可以得到每一點(diǎn)的值。

在ArcGIS9柵格分析模塊中，通過柵格插值運(yùn)算生成表面主要有三種實(shí)現(xiàn)方式：反距離權(quán)重插值，樣條函數(shù)插值和克里格插值。等值線分布的疏密一定程度上表明了表面值的變化情況。

3 地下水超采區(qū)的分析

以哈爾濱市區(qū)為例，對(duì)地下水超采區(qū)的分析主要由以下3步來完成：

3.1 地下水?dāng)?shù)據(jù)整理及錄入

進(jìn)行地下水超采分析的數(shù)據(jù)主要以地下水觀測井的數(shù)據(jù)組成，其主要格式見表1。

表1 哈爾濱市市區(qū)部分觀測井基本數(shù)據(jù)一覽表

然后通過ArcGIS的數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能將井點(diǎn)空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)，作為后續(xù)工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 地下水?dāng)?shù)據(jù)的空間分析處理

遵循地理信息系統(tǒng)空間處理的原則及ArcGIS9的操作要求，將地下水常觀數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化與插值分析，按照相應(yīng)年份進(jìn)行繪制，生成地下水水位等值線圖，經(jīng)過修正成圖，其形式見圖2。

圖2 哈爾濱市城區(qū)枯水期地下水等水位(水頭)線圖

圖中包括哈爾濱市區(qū)的地理數(shù)據(jù)底圖，其中重點(diǎn)表現(xiàn)了哈爾濱城區(qū)地下水超采區(qū)界線及限制地下水水位界線，相關(guān)觀測井也能夠清晰準(zhǔn)確的在圖面上予以表現(xiàn)，因地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄入完全坐標(biāo)化，所以井點(diǎn)位置的精度較高，數(shù)據(jù)分析可靠性強(qiáng)，保證了基礎(chǔ)技術(shù)成果的準(zhǔn)確性，為下一步工作提供了保障。

3.3 哈爾濱市城區(qū)地下水超采狀況分析

根據(jù)區(qū)內(nèi)松花江段淺層地下水區(qū)開采期間地下水位分析結(jié)果，除個(gè)別年份個(gè)別點(diǎn)地下水位短期低于地下水開采的“臨界地下水水位”外，一般都高于“臨界地下水水位”。因此，淺層地下水區(qū)目前尚未出現(xiàn)地下水超采區(qū)。

區(qū)內(nèi)第四系高平原深層孔隙承壓水-層間水區(qū)內(nèi)，新發(fā)鎮(zhèn)(M96井)～前興隆溝(M44井)～正黃五屯(M53井)一線以北水位(頭)已經(jīng)下降至含水層頂板以下，水力性質(zhì)發(fā)生改變，形成一定范圍的無壓層間水區(qū)，此區(qū)可劃定為地下水超采區(qū)。北部地下水開采漏斗中心區(qū)高平原深層孔隙承壓水-層間水水位已經(jīng)下降至地下水開采的“限制地下水水位”以下，出現(xiàn)了地下水嚴(yán)重超采區(qū)。

4 總結(jié)

應(yīng)用地理信息系統(tǒng)ArcGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，能夠直觀有效的表達(dá)客觀規(guī)律，替代了以往人工分析數(shù)據(jù)的低效與不確定性，值得深入學(xué)習(xí)與探討其在水利水電行業(yè)的應(yīng)用，地下水超采區(qū)的數(shù)據(jù)分析只是應(yīng)用了部分功能，更強(qiáng)大有效的應(yīng)用手段及更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域有待于繼續(xù)開發(fā)利用。

［1］黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省地下水超采區(qū)控制與治理［R］.哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2009.

［2］湯國安，楊昕.ArcView地理信息系統(tǒng)空間分析方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：60-98.

P641.8

B

1007-7596(2011)05-0033-02

2010-12-31

鄭佳(1978-)，男，山東龍口人，工程師;賀中潤(1977-)，女，安徽六安人，工程師。