關(guān)炯暉 何澤良 楊振杰

摘要：為充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的作用，進(jìn)而科學(xué)評(píng)價(jià)海洋環(huán)境和促進(jìn)生態(tài)修復(fù)，文章分別采用ArcGIS的普通克里金法、反距離權(quán)重法和含障礙的樣條函數(shù)3種插值方法，對(duì)2017年11月鎮(zhèn)海灣海水無(wú)機(jī)氮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值分析，并通過(guò)插值結(jié)果比對(duì)選出最優(yōu)方案。研究結(jié)果表明：通過(guò)對(duì)照點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，含障礙的樣條函數(shù)的插值結(jié)果相對(duì)誤差較小，比普通克里金法和反距離權(quán)重法更適用于海岸線復(fù)雜和島嶼眾多的監(jiān)測(cè)區(qū)域;根據(jù)含障礙的樣條函數(shù)的插值結(jié)果制作鎮(zhèn)海灣海水無(wú)機(jī)氮濃度空間分布圖，并應(yīng)用屬性數(shù)據(jù)計(jì)算海水無(wú)機(jī)氮各類水質(zhì)面積，與相關(guān)公報(bào)結(jié)論相符;合理采用ArcGIS插值方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖和計(jì)算，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果直觀、可靠且具有應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：插值;無(wú)機(jī)氮;水質(zhì)評(píng)價(jià);海水環(huán)境;環(huán)境監(jiān)測(cè)

Abstract：In order to give full play to the role of monitoring data，so as to scientifically evaluate the marine environment and promote ecological restoration，this paper used ArcGIS to interpolate the monitoring data of inorganic nitrogen in Zhenhai Bay in November，2017. 3 interpolation methods were used in this study，and the optimal scheme was selected by comparing the interpolation results.The results showed that the interpolation error of Spline with Barriers was smaller than that of Ordinary Kriging and Inverse Distance Weighted，which was more suitable for the monitoring area with complex coastline and numerous islands.According to the interpolation results of Spline with Barriers，the spatial distribution map of inorganic nitrogen concentration was made，and the attribute data was used to calculate the proportion of various water quality areas in Zhenhai Bay，which was also consistent with the conclusion of the marine environmental status bulletin.In summary，through the reasonable use of ArcGIS interpolation method to map and calculate the monitoring data，the obtained water quality evaluation results were intuitive，reliable and had application value.

Key words： Interpolation，Inorganic nitrogen，Water quality evaluation，Seawater environment，Environmental monitoring

0 引言

地理信息系統(tǒng)（GIS）通過(guò)采集各種形式的空間數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為同一坐標(biāo)體系下的柵格或矢量數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理、分析和可視化[1]。ArcGIS是美國(guó)ESRI公司開(kāi)發(fā)的基于GIS的應(yīng)用平臺(tái)，不僅可將復(fù)雜的空間和屬性數(shù)據(jù)制作成圖，而且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和信息分析功能[2]。

隨著對(duì)大數(shù)據(jù)以及管理平臺(tái)信息化和智能化的需求不斷擴(kuò)大，ArcGIS被廣泛應(yīng)用于各類規(guī)劃和工程領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)學(xué)者將ArcGIS應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)，為管理部門(mén)提供科學(xué)決策依據(jù)：王柳柱等[3]應(yīng)用ArcGIS提取舟山市近岸海域海水無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽的空間數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)制作高分辨率的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度空間分布圖，分析其污染狀況;朱希希等[4]基于泰州市環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討Excel的函數(shù)功能與ArcGIS相結(jié)合制作專題圖;殷緒華等[5]應(yīng)用ArcGIS結(jié)合遙感技術(shù)，模擬南京市方便水庫(kù)匯水區(qū)各子流域的污染源強(qiáng)度和空間分布，結(jié)果可直觀反映其匯水面積和污染狀況，模擬誤差低于10%。

目前已有不少基于ArcGIS分析水環(huán)境污染因子空間分布的相關(guān)研究，但缺少不同插值方法的對(duì)比分析以及對(duì)專題圖屬性數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用。

1 研究過(guò)程

1.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域

鎮(zhèn)海灣是廣東省江門(mén)市臺(tái)山市汶村鎮(zhèn)與北陡鎮(zhèn)之間的海域，是典型的喇叭狀河口區(qū)域，走向?yàn)镹NW-SSE[6]。潮汐類型屬不正規(guī)半日潮，海流以潮流為主，入灣水系主要有橫山河、海晏河和汶村運(yùn)河等。上游有珠三角地區(qū)最大的紅樹(shù)林濕地公園——廣東鎮(zhèn)海灣紅樹(shù)林濕地公園，中部和東南部是廣東省重要的近江牡蠣納苗和養(yǎng)殖主產(chǎn)區(qū)，下游入海口西南側(cè)是濱海旅游度假區(qū)。

科學(xué)評(píng)價(jià)鎮(zhèn)海灣的海洋環(huán)境，對(duì)管控海洋生態(tài)紅線區(qū)的重要河口和濱海濕地具有重要意義，可為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)修復(fù)以及漁業(yè)和旅游業(yè)發(fā)展提供參考。

1.2 準(zhǔn)備工作

收集監(jiān)測(cè)區(qū)域的高清影像以及江門(mén)市轄區(qū)陸地面和海域面的基礎(chǔ)矢量圖層。采用ArcGIS 10.2軟件，并開(kāi)啟桌面應(yīng)用ArcMap的地統(tǒng)計(jì)分析和空間分析等擴(kuò)展模塊。

本研究采用2017年11月鎮(zhèn)海灣枯水期海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括站位的坐標(biāo)（經(jīng)、緯度須以十進(jìn)制為單位）以及海水中氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽等的實(shí)測(cè)值。在監(jiān)測(cè)區(qū)域布設(shè)7個(gè)站位，另隨機(jī)布設(shè)2個(gè)對(duì)照點(diǎn)，對(duì)照點(diǎn)與站位同步監(jiān)測(cè)，從而更合理和科學(xué)地驗(yàn)證插值結(jié)果。

1.3 制作站位空間分布圖

將江門(mén)市轄區(qū)陸地面和海域面圖層導(dǎo)入ArcMap。通過(guò)添加X(jué)、Y數(shù)據(jù)，導(dǎo)入含站位坐標(biāo)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的Excle表格，地理坐標(biāo)系為CGCS 2000，再將生成的要素另存為shp格式的空間數(shù)據(jù)。在導(dǎo)入后的站位空間分布圖上，每個(gè)站位的標(biāo)志已帶有全部的屬性信息。

1.4 插值分析

選擇工具欄中的空間分析模塊，可分別采用克里金法、反距離權(quán)重法和含障礙的樣條函數(shù)進(jìn)行插值分析。在ArcGIS眾多插值方法中，這3種方法在水環(huán)境監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用較多。

克里金法屬于地統(tǒng)計(jì)分析方法，是采用半變異函數(shù)或協(xié)方差對(duì)隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間建模和預(yù)測(cè)的回歸算法，可給出線性無(wú)偏最優(yōu)估算，被廣泛應(yīng)用于氣象和地質(zhì)等數(shù)據(jù)的空間插值[7]。反距離權(quán)重法和樣條函數(shù)均屬于確定性插值方法：反距離權(quán)重法以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)的距離為基準(zhǔn)加權(quán)平均，權(quán)重系數(shù)代表相關(guān)性隨距離的增大而減小;樣條函數(shù)利用分段定義的多項(xiàng)式擬合曲線，生成經(jīng)過(guò)特定節(jié)點(diǎn)的平滑表面，而含障礙的樣條函數(shù)可兼顧輸入的障礙和輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的不連續(xù)性[8]。

在插值分析菜單中分別選擇監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為輸入點(diǎn)要素、各站位海水無(wú)機(jī)氮濃度為Z值字段以及轄區(qū)陸地面為障礙要素，生成監(jiān)測(cè)區(qū)域的海水無(wú)機(jī)氮濃度暈渲圖。

2 插值結(jié)果比較

本研究將采用不同方法的插值結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)照，并探討其適用范圍，從而得出最優(yōu)的插值方案。根據(jù)7個(gè)站位的海水無(wú)機(jī)氮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別采用普通克里金法、反距離權(quán)重法和含障礙的樣條函數(shù)插值（圖1至圖3）。

由圖1至圖3可以看出，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相同的條件下，分別采用普通克里金法、反距離權(quán)重法和含障礙的樣條函數(shù)，插值結(jié)果有所區(qū)別。采用2個(gè)對(duì)照點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證3種方法的插值結(jié)果，其中含障礙的樣條函數(shù)的插值結(jié)果的相對(duì)誤差較小，2個(gè)對(duì)照點(diǎn)的相對(duì)誤差分別為6.0%和13.2%。

根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域的站位分布和實(shí)際情況，結(jié)合3種插值方法的原理和特點(diǎn)，本研究推斷：普通克里金法適用于海岸線較平滑和開(kāi)闊的監(jiān)測(cè)區(qū)域;反距離權(quán)重法受監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最大值和最小值的影響較大，適用于站位分布較均勻的監(jiān)測(cè)區(qū)域;含障礙的樣條函數(shù)適用于海岸線復(fù)雜和島嶼眾多的監(jiān)測(cè)區(qū)域。

3 制圖和計(jì)算

設(shè)置唯一值符號(hào)并整飾成圖。以含障礙的樣條函數(shù)的插值結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3097—1997），在圖層屬性選項(xiàng)中對(duì)海水無(wú)機(jī)氮濃度劃分等級(jí)，并選擇梯度色譜，制作監(jiān)測(cè)區(qū)域海水無(wú)機(jī)氮濃度等值線圖。由于樣條函數(shù)插值方法的原理是根據(jù)特定節(jié)點(diǎn)擬合平滑曲線，以一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)到劣四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為特定節(jié)點(diǎn)，形成海水無(wú)機(jī)氮濃度空間分布圖（圖4）。

由于插值結(jié)果僅是柵格數(shù)據(jù)，如應(yīng)用其中的屬性數(shù)據(jù)，須通過(guò)空間分析模塊中的重分類、轉(zhuǎn)為整型和柵格轉(zhuǎn)面等操作，將插值結(jié)果導(dǎo)出為shp格式。將監(jiān)測(cè)區(qū)域作為裁剪要素并加以融合，通過(guò)輸出圖層完成數(shù)據(jù)加工。更改圖層數(shù)據(jù)框坐標(biāo)系為投影坐標(biāo)系CGCS 2000 3 Degree GK CM 114E，采用圖層屬性表的計(jì)算幾何工具，即可根據(jù)含障礙的樣條函數(shù)的插值結(jié)果計(jì)算監(jiān)測(cè)區(qū)域各水質(zhì)等級(jí)的面積。

經(jīng)計(jì)算，2017年11月鎮(zhèn)海灣海水無(wú)機(jī)氮濃度基本處于三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，占監(jiān)測(cè)區(qū)域總面積的84.6%，結(jié)果與當(dāng)年海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)相符。相關(guān)部門(mén)應(yīng)重視上游工業(yè)排污和農(nóng)業(yè)面源污染等，合理優(yōu)化沿海產(chǎn)業(yè)布局，控制氮排放，促進(jìn)生態(tài)修復(fù)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用ArcGIS對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖和計(jì)算，所得空間分布圖和分析數(shù)據(jù)可直觀地反映鎮(zhèn)海灣海水無(wú)機(jī)氮濃度由灣內(nèi)到灣外的變化趨勢(shì)，評(píng)價(jià)結(jié)果與當(dāng)年江門(mén)市海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)相符。因此，合理采用插值方法，對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，獲得的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和優(yōu)良比例等具有參考意義。

基于ArcGIS的評(píng)價(jià)結(jié)果不僅可應(yīng)用于湖泊、河口和海洋等的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，而且可結(jié)合可視化信息平臺(tái)加強(qiáng)海洋綜合管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，從而更好地為管理部門(mén)決策提供科學(xué)支撐。

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