吳穎慧

中化地質礦山總局地質研究院，北京 100101

MapGIS是中國地質大學信息工程學院武漢中地信息工程有限公司自行研制開發(fā)的大型基礎地理信息系統(tǒng)軟件平臺[1]，現(xiàn)廣泛用于數(shù)據(jù)處理、地質勘查測繪、土地管理、環(huán)境評價、場地調查等領域。伴隨著地勘單位向環(huán)境影響評價、場地環(huán)境調查項目的業(yè)務拓展，MapGIS在其相關業(yè)務中的應用也越來越廣。Surfer軟件是美國Golden Software公司開發(fā)的數(shù)字化圖形應用軟件，具有操作簡單、數(shù)據(jù)處理能力強、界面友好、功能多樣等特點，有強大數(shù)據(jù)處理能力和多樣的插值方法，是用來處理X、Y、Z數(shù)據(jù)的首選軟件[2]。Surfer可以輕松制作數(shù)據(jù)點位圖、等值線圖、趨勢圖、矢量圖等；此外，軟件提供了12種插值方法，幾乎包含所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法；提供多種與其他GIS相關軟件的數(shù)據(jù)轉換格式，使軟件間能夠很好地完成數(shù)據(jù)的處理和轉換，并且具有一定的圖形編輯功能[3]。

然而，MapGIS軟件和Surfer軟件也存在著一定的局限性。在污染場地地下水調查項目中，涉及很多對水井點位、水位標高等離散數(shù)據(jù)的處理，MapGIS軟件提供離散數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化的數(shù)學模型較少，僅4種：距離冪函數(shù)反比加權網(wǎng)格化，Kriging-泛克里格法，稠密數(shù)據(jù)中值選取法，稠密數(shù)據(jù)高斯距離權法。MapGIS數(shù)據(jù)處理能力不足，操作界面不是很簡潔，繪制的地下水等水位線采用距離冪函數(shù)反比加權網(wǎng)格化法，效率較高，曲線圓滑，但在局部區(qū)域出現(xiàn)了等值線缺失現(xiàn)象和疏密分布不均勻現(xiàn)象[4]。Surfer軟件圖形繪制和展示能力有限，軟件內部所集成的各類坐標系統(tǒng)與我國相關坐標系統(tǒng)并未完全兼容，在完成圖件修飾操作過程時明顯不足，例如添加圖例、比例尺等，有必要結合像MapGIS這類軟件進行補充應用。筆者通過收集整理天津市東麗區(qū)某污染場地資料，發(fā)揮Surfer和MapGIS軟件各自的優(yōu)點，對各項數(shù)據(jù)進行處理分析，制作相關圖件，為編制污染場地報告提供一種簡單、易操作的過程和方法。

1 項目基本概況

調查區(qū)位于天津市東麗區(qū)程林莊工業(yè)區(qū)，登州路與程環(huán)道交匯處，交通便利。本次項目在收集研究區(qū)周邊區(qū)域地質、水文地質資料的基礎上[5]，通過水文地質調查、水文地質鉆探、水位統(tǒng)測等工作手段，初步查明了該調查區(qū)潛水含水層的水文地質條件。調查區(qū)內共布設水文地質勘察和水位監(jiān)測孔11個，勘察深度均為6m，分別為S1、S6、S9、S10、S12、S14、S15、S16、S20、S21、S25。

在污水場地地下水調查過程中，主要收集測繪和監(jiān)測數(shù)據(jù)等，其中測繪數(shù)據(jù)2包括調查區(qū)邊界拐點坐標、地下水監(jiān)測井點位坐標、地下水監(jiān)測井地面和管口高程、地下水穩(wěn)定水位等。為了解研究區(qū)內潛水流場特征，保證水位測量的精度，采用水位計對本次施工的11個水位監(jiān)測孔進行水位統(tǒng)測工作，合計完成11點次。獲得井口標高、水位埋深及水位標高數(shù)據(jù)（表1）。

表1 潛水地下水位統(tǒng)測結果一覽表 Table 1 List of test results of diving groundwater level

由地下水水位統(tǒng)測結果可知，水位標高為1.648～1.914m，平均水位標高為1.764m。

獲得地下水井水位數(shù)據(jù)后，通過Surfer軟件制作地下水水位等值線圖、地下水流向圖、地下水流場圖等，輸出獲得MapGIS軟件可使用的格式文件，再由MapGIS軟件進行修飾，最終完成各項數(shù)據(jù)的分析和圖件的制作。旨在為污染研究區(qū)地下水調查項目提供一種方便、實用、可操作性強的數(shù)據(jù)處理和制圖方法。

2 數(shù)據(jù)的整理與轉換

2.1 txt數(shù)據(jù)

txt數(shù)據(jù)為surfer軟件處理的主要數(shù)據(jù)格式。首先完成數(shù)據(jù)采集，將整理過的數(shù)據(jù)輸入Excel中或直接將數(shù)據(jù)粘貼入記事本，另存為txt格式。處理數(shù)據(jù)一般為四列，包括點位名稱、點位坐標（X值、Y值）、點位賦值等。

在污水場地地下水調查過程中，點位的賦值為水位標高，可根據(jù)研究區(qū)相關數(shù)據(jù)直接獲得，即水位標高=井口標高-水位埋深。點位圖、流場圖、矢量圖等圖件的數(shù)據(jù)主要為水井的點位坐標和水位標高。獲得的數(shù)據(jù)也應保存為txt格式（圖2）。

圖2 txt導入Surfer軟件示意圖 Fig 2 Import txt files to the Surfer software interface

2.2 Data數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)柵格化是分析處理點位數(shù)據(jù)的前提，通過surfer軟件中的Grid實現(xiàn)。

(1)打開surfer菜單欄中的Grid選項，選擇Data（圖3）。

圖3 Data選擇示意圖 Fig 3 Data selection schematic interface

(2)打開水井的水位標高txt格式文件，點選Data Columns下的X、Y和Z，對應水井點位坐標和水位標高賦值。Gridding Method下拉菜單中選擇Kriging，其它均設定為默認值保存（圖4）。

圖4 Gridding Method的選擇 Fig 4 Gridding method selection interface

（3）Kriging的選擇

Surfer軟件提供了10余種插值方法：距離倒數(shù)(Inverse distance to a power)、克里格(Kriging)、最小曲率(Minimum Curvature)等。場地調查地下水的實際工作中，一般利用有限的點位坐標和地下水水位標高數(shù)據(jù)，通過空間插值模擬，對地下水的變化趨勢進行呈現(xiàn)。

克里格(Kriging)法又稱空間局部插值法，是地質統(tǒng)計學的主要內容之一，在1951年克里格（D.G.Krig）首次應用于南非金礦，隨后法國統(tǒng)計學家G.Matheron在研究地質學現(xiàn)象的空間結構和進行空間估值的基礎上，將克里格法理論化、系統(tǒng)化[6]?？死锔穹ㄊ歉鶕?jù)待插值點與臨近實測水位控制點的空間位置，對待插值點的水位標高值進行線性無偏最優(yōu)估計，通過生成一個關于水位標高的克里格插值圖來表達研究區(qū)地下水的賦存狀態(tài)[7]。

近些年，國內從事地下水位插值研究的同行們也通過各類項目的實施，研究對比克里格(Kriging)法在類似項目的優(yōu)勢。應用于地下水插值時，克里格法比趨勢面法更為精確[8]，它在模擬區(qū)域地下水位估值時線性漂移取得了良好的效果[9]，在賦權時，綜合考慮距離、方位的影響[10-11]。理論上，克里格插值較其他方法更好，在趨勢變化圖中，克里格插值結果與實際相符，表面也較光滑[12-13]。綜上，當數(shù)據(jù)的空間連續(xù)性變化的屬性非常不規(guī)則時，克里格法能較好地表示隱含在數(shù)據(jù)中的趨勢，尤其適用于污染場地地下水調查時采樣點分散、無規(guī)律情形下的數(shù)據(jù)處理和分析。收集的點位數(shù)據(jù)越多，生成的地下水水位等值線圖越準確。

3 等值線圖的繪制

在對場地地下水流向模擬過程中，需要顯示調查范圍、地下水監(jiān)測井的點位、地下水等值線、地下水流向等，需要將點位圖、等值線圖、矢量圖進行疊加分析，完成對地下水流場的研究。

（1）surfer軟件讀取數(shù)據(jù)對話框，注意X、Y、Z要選對。其中X、Y為坐標值，Z為水井的水位標高，單位為m。X-Direction和Y-Direction中“Minimum，Maximum”值的設置應根據(jù)調查區(qū)的拐點坐標進行調整（圖5），從而完成對整個區(qū)域的插值，以做到流場圖的等值線包含整個調查范圍。點擊確定創(chuàng)建Grid格式文件。

（2）利用坐標和水位標高數(shù)據(jù)（單位為m）進行等值線圖的制作。點擊Surfer軟件菜單欄中的“Map→New→Contour Map”（圖6），打開上一步生成的Grid文件，單擊“OK”，得到一幅等值線圖（圖7）。

圖6 Contour Map 的設置 Fig 6 Setting interface of contour map

圖7 水位標高等值線圖（單位為m） Fig 7 Water level elevation contour map

（3）在左側菜單中設置等值線的起始值、終止值和等高距，以及成圖比例等參數(shù)。如在等值線圖X、Y坐標軸上雙擊鼠標或單擊右鍵選中“Properties”設置等值線的各種屬性（圖8）。

圖8 等值線圖的參數(shù)設置 Fig 8 Parameter setting interface of contour map

雙擊左側Object Manager中Contours或雙擊剛生成的等值線圖，完成對Contours Properties的設置，可對等值線進行著色和修飾。

（4）添加點位圖

Surfer軟件菜單欄中的“Map→New→Post Map”，Post輸入時為.txt格式。打開需要投入等值線圖中的點位txt文件，單擊“OK”，添加點位圖（圖9）。其中，生成的點位盡量小，這樣生成圖片格式后便于在MapGIS中修改。

圖9 點位圖的生成 Fig 9 Generation of the point map

將點位圖Post左鍵拖動至Map Contours中，雙擊Post，設置Map：Post Properties的各類參數(shù)，如顏色、子圖、透明度和大小等（圖10）。

圖1 調查區(qū)地下水井平面布置圖 Fig 1 Layout plan of the groundwater well in the survey area

圖10 點位圖的參數(shù)設置 Fig 10 Parameter setting for the point map

（5）Grid Vector Map矢量圖

為制作地下水流場圖，通過矢量分析可判斷地下水的流向。Surfer軟件菜單欄中的“Map→New→Grid Vector Map”，選擇生成的Grid文件，成圖（圖11）。

圖11 矢量圖的生成 Fig 11 Generation of vector map

通過分析矢量圖可知，調查區(qū)西北部個別水井中的潛水具有一定的承壓性，總體上能判斷區(qū)內地下水的流向為：由西北流向東南。

（6）Surfer軟件圖形的輸出

通過File菜單下“Export”輸出圖片格式，jpg、tif格式均可。

4 MapGIS成圖

流場圖制作主要應用Surfer軟件生成等值線圖，將Surfer軟件生成的等值線圖tif格式文件，以點的形式添加到MapGIS（圖12）。再通過點線面文件對圖形完成修飾，如添加圖例、比例尺等。其范圍、點位以及文字描述均在MapGIS中完成，方便后期的修改。

圖12 MapGIS添加點格式文件和Surfer生成圖片 Fig 12 MapGIS Add point format file and Surfer generate pictures

Surfer軟件閉合區(qū)域曲線，白化或鏤空法不能很好地保留生成圖件內的標識[14]。在MapGIS軟件中依據(jù)研究區(qū)范圍畫線，確定調查區(qū)邊界，再建區(qū)將范圍外的區(qū)域覆蓋，編輯點位、水流向、圖例、比例尺等最終成圖[1,15-18]（圖13），輸出圖片格式。

圖13 地下水流場圖 Fig 13 Groundwater flow field map

5 文件轉換應注意的問題

污染場地地下水調查項目需要完成各項數(shù)據(jù)的處理、分析和圖件的制作。目前均是Surfer與MapGIS以及Surfer與AutoCAD的格式轉換。

5.1 Surfer轉MapGIS格式

通常是先將Surfer圖形文件輸出成dxf或mif格式，再轉換成MapGIS的點、線、面格式[19-20]。但在Surfer圖件轉換為MapGIS圖件時，其等值線標注會有偏移，使圖件不標準也不美觀。再者兩軟件采用的單位不同，Surfer軟件和MapGIS的單位分別是cm和mm，轉換時要注意圖形比例不同[21]，生成的點、線、面混亂零散，甚至有些相互混入，修改的工作量太大，無法輕松完成工作。轉換后的字體、線型、線的參數(shù)等內容也要重新調整。

5.2 對比Surfer軟件和AutoCAD在污染場地地下水調查項目中的應用

Surfer軟件輸出文件類型選擇為“AutoCAD(*.dxf)”類型，再由AutoCAD導入、編輯[5,22-23]。在轉換過程中，雖相較于轉成MapGIS稍好，但地勘單位的技術人員應用AutoCAD軟件較少，不能很好的操作。

6 結論

污染場地地下水調查中不但需要對項目獲得的測量數(shù)據(jù)進行整理、匯總與分析，還需要顯示調查區(qū)地下水監(jiān)測井的點位、地下水水位等值線圖、地下水流向、地下水流場圖等。通過Surfer和MapGIS軟件結合使用，發(fā)揮兩者的優(yōu)點，使用Surfer軟件能對各種數(shù)據(jù)進行處理，且繪制出的圖形更加美觀且易于調整。利用Surfer軟件作圖并轉換成MapGIS格式圖件，既滿足了提交資料的要求，也更符合地質工作者的使用要求。通過介紹兩種專業(yè)軟件聯(lián)用的使用方法和技巧，提供了一種簡單、易操作的過程和方法，為廣大地勘技術人員提供一定的借鑒。