陳軍，張俊萍，王振興，樊娟，瞿白露

地表水環(huán)境質(zhì)量可視化系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

陳軍1，張俊萍2，王振興3，樊娟4，瞿白露1

（1.長沙市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖南 長沙 410001；2.長沙市公安局，湖南 長沙 410005；3.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655；4.湖南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖南 長沙 410083）

為增強(qiáng)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果的直觀性，以湖南省地表水為研究對(duì)象，根據(jù)地表水水體形狀的特點(diǎn)和地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置的情況，用ArcGIS Engine對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和展現(xiàn)，用GDI+技術(shù)對(duì)河流型水質(zhì)實(shí)現(xiàn)連續(xù)漸變的可視化，用反距離插值法實(shí)現(xiàn)湖庫型水質(zhì)的可視化。在Visual Stdio.Net平臺(tái)上，將GIS技術(shù)、GDI+技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)插值技術(shù)等有機(jī)融合，建立了地表水水質(zhì)可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在電子地圖上對(duì)各地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的可視化表征。該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率較高的特點(diǎn)，顯著增強(qiáng)了水環(huán)境質(zhì)量表征的直觀性，為水環(huán)境質(zhì)量管理和污染防控提供了最直接的科學(xué)依據(jù)。

地表水；水質(zhì)；可視化系統(tǒng)；ArcGIS Engine

從“十三五”開始，環(huán)保部將全面啟動(dòng)實(shí)施環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)改善行動(dòng)，持續(xù)精準(zhǔn)改善城鄉(xiāng)環(huán)境質(zhì)量[1]。將環(huán)境質(zhì)量改善提升到一個(gè)新的高度，是廣大民眾和各級(jí)政府關(guān)注的焦點(diǎn)。而地表水環(huán)境質(zhì)量又是其中的重點(diǎn)之一，主要是通過布設(shè)一定監(jiān)測(cè)斷面，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，客觀反應(yīng)水質(zhì)狀況。目前，各地主要以文字表格的形式來報(bào)送地表水的水質(zhì)狀況，不太直觀。雖然有些地方使用了GIS技術(shù)來制作一些專題圖，但當(dāng)相鄰斷面水質(zhì)類別不同時(shí)色彩表征會(huì)跳躍變化，而且大多采用手工形式，操作步驟比較煩瑣。有部分學(xué)者研究采樣水質(zhì)模型與GIS相結(jié)合表征水質(zhì)狀況[2-9]，然而水質(zhì)模型參數(shù)獲取的工作量較大，且往往只針對(duì)單個(gè)的指標(biāo)，難以整體反應(yīng)河流的水質(zhì)情況，主要用于表征某種污染物的擴(kuò)散。本文根據(jù)水體的特點(diǎn)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置情況，將水體分為線性漸變的線狀河流、可插值的面狀湖庫和不可插值的面狀湖庫，分別進(jìn)行可視化表征后整合成一張完整的地表水水質(zhì)情況分布圖。在地圖上既可直觀看到各斷面的水質(zhì)級(jí)別狀況，又可以看到流域的水質(zhì)變化情況，顯著提高了環(huán)境管理的效率。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 河流離散線性化

河面較寬的河流在GIS里一般以面的形式來表達(dá)，而河流是有方向的，因此，需要將多邊形的面狀河流線性化。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)里，線段具有寬度屬性，因而可以在河流的屬性表中添加一個(gè)河寬的字段用來區(qū)分干流和支流。河流的線性化即河流中心線的提取可在ArcGIS平臺(tái)上將河流柵格化后二值化，然后通過ArcScan工具欄里的“Generate Features Inside Area”工具來實(shí)現(xiàn)[10]。一段河流的水質(zhì)情況一般由兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面來控制，因而需要對(duì)河流按照水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的具體設(shè)置位置進(jìn)行離散化。一段河流在GIS中作為一個(gè)要素表達(dá)，其屬性包括上游監(jiān)測(cè)斷面和下游監(jiān)測(cè)斷面的名稱。此外，該河段（線要素）的方向必須與水流方向一致。河流線要素的屬性表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 河流線要素的屬性表結(jié)構(gòu)

代碼名稱類型長度 name河段名稱字符型50 stpt上游斷面名稱字符型50 edpt下游斷面名稱字符型50 width河流寬度短整型4

1.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果規(guī)范化

對(duì)地表水各監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)獲得監(jiān)測(cè)結(jié)果，按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)后，可獲得該斷面的水質(zhì)類別。為了使程序能識(shí)別監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)類別，因而需要對(duì)輸入系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行規(guī)范化存儲(chǔ)。Excel是目前使用最為廣泛的電子表格，操作簡(jiǎn)便，且可用OleDB驅(qū)動(dòng)程序當(dāng)作數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理，讀寫速度較快[11]。因此，選用Excel作為數(shù)據(jù)交換的存儲(chǔ)格式，將監(jiān)測(cè)結(jié)果放到一張Excel表格中，第一行為表頭，第二起為數(shù)據(jù)，中間不能有空行。該表格中必須包含監(jiān)測(cè)斷面名稱和水質(zhì)類別兩列數(shù)據(jù)，且監(jiān)測(cè)斷面名稱必須與線性離散化河流屬性表中的監(jiān)測(cè)斷面名稱一致；水質(zhì)類別類型約定為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類6種類型進(jìn)行描述。

1.3 電子地圖模板化

地表水水質(zhì)表征的模式一旦確定，就很少有大的變更。因此，采用地圖模板的形式可以很好地適應(yīng)這一常態(tài)，如果地圖有更新或變動(dòng)，則只需修改地圖模板，甚至為滿足不同的需求可以制作多個(gè)模板。本系統(tǒng)基于ArcGIS Engine，利用ArcMap強(qiáng)大的制圖功能來制作各類地圖模板，然后在表征系統(tǒng)中調(diào)用。可視化方法與地圖模板的松耦合，可以最大程度上擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，以達(dá)到表征效果多樣化的目的。

2 河流水質(zhì)表征

對(duì)河流按監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行離散線性化后，河流由河段組成，河段由線段組成，線段則由兩個(gè)結(jié)點(diǎn)構(gòu)成。根據(jù)河段兩個(gè)端點(diǎn)的水質(zhì)類別，則可根據(jù)一定的原則設(shè)定其顏色，用RGB值表示。如果河段兩端的水質(zhì)類別相同，則只需用同一個(gè)顏色繪制該河段即可；如果河段兩端的水質(zhì)類別不同，則需要將河段等分成水質(zhì)類別差值的段數(shù)，然后再對(duì)每個(gè)子河段進(jìn)行漸變渲染。子河段的各結(jié)點(diǎn)顏色采用線性內(nèi)插法[12]獲得：

=×R+（1－）×R

=×G+（1－）×G

=×B+（1－）×B（1）

式（1）中：為起始顏色；為終止顏色；、、為顏色的三原色；為顏色比，區(qū)間為（0～1）。

河段中兩個(gè)結(jié)點(diǎn)組成的線段，利用GDI+技術(shù)擴(kuò)展ArcGIS Engine中ILineSymbol與ISymbol接口的符號(hào)類，可以實(shí)現(xiàn)其漸變效果。具體流程如圖1所示。

3 湖庫水質(zhì)表征

湖庫水質(zhì)的表征分兩種情況：①當(dāng)水域面積較小時(shí)，設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面數(shù)量小于9個(gè)湖庫，按照其水質(zhì)類別，用單一的顏色來表征湖庫的水質(zhì)；②當(dāng)水域面積較大時(shí)，設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面數(shù)量大于或等于9的情況，采用以庫區(qū)為邊界條件，通過插值來獲得整個(gè)湖庫的水質(zhì)情況。反距離加權(quán)插值法基于相似的原理，用與此區(qū)域內(nèi)已知的樣點(diǎn)值來預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)除樣點(diǎn)外的任何位置的值，計(jì)算公式比較簡(jiǎn)單，是一種精確性插值法[13]，故本文選用該插值法對(duì)湖庫的水質(zhì)情況進(jìn)行插值。

4 結(jié)果輸出

在完成河流和湖庫水質(zhì)狀況的可視化表征后，需要將表征結(jié)果以圖片格式進(jìn)行輸出，通過ArcGIS Engine中提供的IExport接口來實(shí)現(xiàn)。默認(rèn)情況下，由于ArcGIS平臺(tái)輸出圖片時(shí)與GDI+繪制圖形所采用的度量單位不一致，導(dǎo)致在用ArcGIS顯示的地圖上用GDI+技術(shù)繪制漸變的河流時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，因此，經(jīng)反復(fù)分析與測(cè)試，在用GDI+繪制圖形時(shí)將其度量單位設(shè)置成像素，即g.PageUnit=GraphicsUnit.Pixel，可有效解決該問題。

5 系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

在Visual Stdio.Net平臺(tái)上，基于C#語言，有機(jī)整合GIS、GDI+以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的空間插值等技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行高效的可視化系統(tǒng)，如圖2所示。

通過該系統(tǒng)，用戶只需導(dǎo)入水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表，選擇地圖模板并配置有關(guān)參數(shù)，即可生成專題圖。在生成專題圖過程中，系統(tǒng)自動(dòng)讀取水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果文件，根據(jù)河流和湖庫的形狀和監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置，完成各類河流和湖庫的可視化計(jì)算與渲染表征，并將結(jié)果以JPG格式輸出。通過該系統(tǒng)生成的包括河流漸變表征、洞庭湖差值表征和其他湖庫單一值表征的DPI為1200的湖南省某年某月地表水水質(zhì)狀況如圖3所示（水質(zhì)類別數(shù)據(jù)非真實(shí)數(shù)據(jù)，僅供模擬用）。

圖1 河流漸變渲染流程圖

圖2 可視化表征系統(tǒng)界面

由圖3可以直觀看出，湖南省各主要干流水質(zhì)整體較好，大部分屬于Ⅱ類或Ⅲ類。但洞庭湖水質(zhì)相對(duì)較差，主要屬于Ⅳ類水體，局部水域?qū)儆冖躅悺?/p>

圖3 湖南省地表水水質(zhì)狀況圖

6 結(jié)束語

將GIS技術(shù)、GDI+技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)插值技術(shù)等有機(jī)融合，建立了地表水水質(zhì)可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在電子地圖上對(duì)各地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的可視化表征，該系統(tǒng)功能齊全、界面友好、操作簡(jiǎn)便、計(jì)算快速，并成功地應(yīng)用于湖南省地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)的各類水質(zhì)報(bào)告制作工作中，使地表水水質(zhì)狀況能夠清晰、明了、直觀地表達(dá)。

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X832

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.069

2095－6835（2019）13－0157－03

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕