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        基于GIS技術(shù)的區(qū)域地表水變化特征監(jiān)測分析

        2022-08-12 07:10溫長洲
        綠色科技 2022年14期
        關(guān)鍵詞:插值時(shí)空可視化

        溫長洲

        (廣東省汕尾生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站,廣東 汕尾 516600)

        1 引言

        地表水作為地球水資源系統(tǒng)的重要組分之一,其不僅在水、汽循環(huán)中發(fā)揮著重要作用,而且是連接植被、土壤和大氣的關(guān)鍵指標(biāo)。目前,隨著全球氣溫逐步升高,地表水、植被、土壤水分蒸散加劇,導(dǎo)致區(qū)域性干旱現(xiàn)象頻發(fā)[1]。在此基礎(chǔ)上,合理地監(jiān)測區(qū)域范圍地表水變化特征,對干旱防治和地表水遷移分析具有重要意義。

        傳統(tǒng)地表水變化特征監(jiān)測中多采用野外水資源勘測和代表性樣點(diǎn)選取方法,雖然勘測精度高,但很難將測定結(jié)果應(yīng)用于大尺度地表水特征分析;相比較傳統(tǒng)監(jiān)測方法,地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)技術(shù)因具備特征因子篩選、數(shù)學(xué)模型預(yù)測分析、空間分析等能力[2],使其能精準(zhǔn)、及時(shí)地監(jiān)測地表水特征,如通過空間分析法將地表水代表特征樣點(diǎn)要素插值分析,將區(qū)域離散地表水特征點(diǎn)轉(zhuǎn)化為可視化(2D或三維模型)的連續(xù)性地表水監(jiān)測空間面數(shù)據(jù),進(jìn)而通過可視化分析直觀、科學(xué)地評估、預(yù)測和分析區(qū)域地表水特征規(guī)律變化[3,4]。本文通過對GIS關(guān)鍵技術(shù)特征因子選取、統(tǒng)計(jì)分析、協(xié)同克里格插值分析、可視化分析后,探討了影響區(qū)域地表水變化的特征主體驅(qū)動(dòng)因子,并應(yīng)用GIS技術(shù)科學(xué)且高效地管理區(qū)域地表水,以助推國內(nèi)水文地質(zhì)(地表水)資源可持續(xù)發(fā)展。

        2 區(qū)域地表水監(jiān)測中GIS技術(shù)現(xiàn)狀分析

        近年來,隨著區(qū)域尺度地表水特征監(jiān)測研究的開展,使GIS技術(shù)逐步成為地表水時(shí)空分布特征研究的關(guān)鍵點(diǎn)。如相關(guān)學(xué)者通過GIS技術(shù)完成對渭河下游區(qū)域地表水洪澇、干旱、沉降等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[5];以塔里木河下游地表水蒸發(fā)、入滲、地表溫度、風(fēng)速等指標(biāo)構(gòu)建地表水資源承載力評價(jià)體系,對區(qū)域地表水水量變化、水質(zhì)安全性評估分析,判定該區(qū)域內(nèi)地表水變化趨勢和潛在因素風(fēng)險(xiǎn)性[6,7]。實(shí)踐表明GIS技術(shù)在水質(zhì)污染、承載力分析、時(shí)空分布特征應(yīng)用中均取得了一定成效;其次,GIS技術(shù)在區(qū)域地表水監(jiān)測中因基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、專業(yè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲(chǔ)的大量地理基礎(chǔ)信息、區(qū)域地表水分布特征信息、地理位置特征信息等,使GIS技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用更為關(guān)鍵。

        3 GIS技術(shù)理論概述

        3.1 監(jiān)測基礎(chǔ)原理分析

        GIS監(jiān)測原理是實(shí)現(xiàn)所在區(qū)域監(jiān)測對象地理空間數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)管理、統(tǒng)計(jì)分析、地理坐標(biāo)投影編輯、插值預(yù)測制圖一體化分析和應(yīng)用處理[8],結(jié)果見圖1。通過圖1可知,GIS技術(shù)監(jiān)測分析區(qū)域地表水變化特征基礎(chǔ)以兩部分為主:一是以GIS技術(shù)分析地表水環(huán)境時(shí)空特征和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),進(jìn)而隨機(jī)篩選區(qū)域范圍中地表水監(jiān)測樣點(diǎn)以采集獲取實(shí)地調(diào)查地表水?dāng)?shù)據(jù);二是通過地表水遷移、降沉、彌散、實(shí)地采集調(diào)查和遙感(RS)技術(shù)分析或篩選地表水特征因子,經(jīng)克里金插值、模型驗(yàn)證分析后,輸出模擬圖表、數(shù)據(jù)要素,實(shí)現(xiàn)可視化功能、以分析地表水時(shí)空變化特征及區(qū)域地表水?dāng)U散規(guī)律[9]。

        圖1 GIS技術(shù)監(jiān)測地表水特征變化基礎(chǔ)原理

        3.2 GIS技術(shù)主體特征

        GIS技術(shù)主體由空間數(shù)據(jù)處理和空間數(shù)據(jù)管理共同構(gòu)成,而空間數(shù)據(jù)獲取則通過GPRS定位獲取代表樣點(diǎn)地表水特征,以RS技術(shù)獲得區(qū)域地理影像基礎(chǔ)信息[10,11]。因此,GIS技術(shù)在監(jiān)測區(qū)域地表水變化時(shí),其主體具備以下特征:①空間可視化;②空間思維。在空間可視化特征中,GIS技術(shù)依據(jù)RS技術(shù)、實(shí)地調(diào)查,分析空間區(qū)域代表點(diǎn)和維度特征,以全面掌握空間事物,同時(shí)GIS技術(shù)可以對地表水空間信息和屬性進(jìn)行集中管理、關(guān)聯(lián),提升監(jiān)測目標(biāo)特征屬性可視化分析[12]。在空間思維中,通過獲取GIS數(shù)據(jù)庫信息資源,利用相關(guān)空間分析生產(chǎn)2D或3D可視化特征規(guī)律模型,提升GIS技術(shù)監(jiān)測工作效率。

        4 GIS關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析

        4.1 地表水變化特征因子分析

        4.1.1 相關(guān)性分析

        地表水趨勢變動(dòng)主要受特征因子影響所致,為此,本文以相關(guān)性分析衡量地表水特征變化與多變量因素間的關(guān)聯(lián)程度[13]。通過相關(guān)系數(shù)(Correlation coefficient,R)監(jiān)測反映各變量與地表水特征變化的密切程度,其公式如下:

        (1)

        式(1)中:Rab表示樣本相關(guān)系數(shù):Rab表示樣本協(xié)方差;Ra表示a的樣本標(biāo)準(zhǔn)差;Rb表示b的樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

        其中,Sa樣本標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如下:

        (2)

        4.1.2 因子篩選

        為深入探索GIS技術(shù)下地表水變化特征,本文以典型西北某干旱地區(qū)地表水與其相關(guān)氣候因素降水、蒸發(fā)、地表溫度和植被水分變量(NDVI)進(jìn)行相關(guān)分析,以篩選區(qū)域地表水變化特征因子,結(jié)果見表1所示。通過表1可知,2017~2020年,蒸發(fā)與NDVI與地表水變化R2較高,如2020年蒸發(fā)R2為0.59,NDVI為0.67,而與地表溫度相關(guān)變化較低,2020年R2僅為0.16,表明該區(qū)域?qū)儆诘湫透珊祷驑O端干旱區(qū)域,易造成地表水蒸發(fā)流失,而地表溫度變化對地表水變幅影響微弱。在此基礎(chǔ)上,本文選取降水、蒸發(fā)和NDVI因子作為GIS空間插值協(xié)變量因子,以較高精度的反映區(qū)域地表水時(shí)空分布特征規(guī)律。

        表1 某區(qū)域地表水特征與各因子之間相關(guān)系數(shù)分析

        4.2 模型預(yù)測分析

        4.2.1 協(xié)同克里金插值分析

        基于地表水特征因子相關(guān)性及篩選分析后,可采用協(xié)同克里金插值法預(yù)測插值模型估算精度和效率。首先,通過區(qū)域變量與地表水相關(guān)性特征構(gòu)建交叉變異函數(shù)模型,其次,控制變量,實(shí)現(xiàn)局部地表水變化估計(jì)和特征插值研究[13]。

        采用協(xié)同克里金插值模型預(yù)測時(shí),以地表水變化特征值為主變量,模擬篩選降水、蒸發(fā)和NDVI指標(biāo)因子為次變量,進(jìn)而預(yù)測各變量自相關(guān)和變量間交叉相關(guān)性,其中,協(xié)同克里金插值模型實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)步驟如式(3)~(5)所示:

        (3)

        式(3)中:{Zak,ak=1,2,…nk}表示地表水特征值數(shù)據(jù);X0表示中心點(diǎn)。

        在插值預(yù)估基礎(chǔ)上,地表水特征數(shù)據(jù)估計(jì)量是K個(gè)協(xié)同區(qū)域化變量的全部有效數(shù)值的線性組合,如式(4)所示:

        (4)

        (5)

        式(5)中:ai(i=1,2,…,n);bj(j=1,2,…,n)表示協(xié)同克里金權(quán)重系數(shù),u0^、u0分別表示無偏最優(yōu)線性估計(jì)量和實(shí)際量。

        4.2.2 GIS技術(shù)協(xié)同插值分析

        由于GIS技術(shù)具備存儲(chǔ)、管理分析、處理及直觀可視化的功能,因而,通過GIS技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)數(shù)值形式結(jié)果展示,或以二維或三維圖像以數(shù)字化處理監(jiān)測模型直觀呈現(xiàn)(圖2)。通過圖2可知,GIS空間屬性數(shù)據(jù)庫輸入/輸出區(qū)域內(nèi)地表水特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)影響數(shù)據(jù),通過GIS空間分析數(shù)據(jù)庫進(jìn)行多源數(shù)據(jù)管理,進(jìn)而以協(xié)同插值法對地表水變化特征實(shí)現(xiàn)模型模擬計(jì)算,反映區(qū)域范圍中地表水可視化時(shí)空分布特征、統(tǒng)計(jì)特征等[14]。最終通過GIS協(xié)同插值空間可視化工具和采集調(diào)查數(shù)據(jù)運(yùn)算生成區(qū)域地表水特征趨勢模擬結(jié)果分布圖。

        4.3 統(tǒng)計(jì)分析

        在插值協(xié)變量因子2D或3D分析地表水特征后,為進(jìn)一步探索區(qū)域地表水分布規(guī)律,本文通過GIS中空間分析功能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(像素統(tǒng)計(jì)、面積統(tǒng)計(jì)、地表水總量統(tǒng)計(jì)等)。則當(dāng)區(qū)域面積大,且地表水分布不均時(shí),以等值面積加權(quán)法統(tǒng)計(jì)分析區(qū)域內(nèi)平均地表水資源總量,如式(6)所示:

        (6)

        圖2 GIS與數(shù)學(xué)監(jiān)測模型結(jié)合方式

        4.4 區(qū)域地表水時(shí)空特征可視化監(jiān)測分析

        傳統(tǒng)水文地質(zhì)數(shù)據(jù)多為地表水時(shí)空變化定性研究(如時(shí)序分析法等),難以直觀地了解或掌握該區(qū)域范圍地表水變化特征[15]。相比較,GIS技術(shù)、RS技術(shù)、GPRS技術(shù)的發(fā)展,使野外測量隨機(jī)離散型數(shù)據(jù)可以有效結(jié)合,實(shí)現(xiàn)離散型特征數(shù)據(jù)可視化、特征變化要素可視化監(jiān)測。即隨機(jī)實(shí)現(xiàn)區(qū)域野外地表水特征數(shù)據(jù)的收集,并依據(jù)相關(guān)性分析、篩選影響地表水特征變化的因子,進(jìn)而通過協(xié)同克里金插值法獲取區(qū)域內(nèi)地表水時(shí)空特征趨勢和可視化監(jiān)測圖像。

        5 區(qū)域地表水變化特征驅(qū)動(dòng)因素探索

        5.1 自然驅(qū)動(dòng)因素

        由于區(qū)域地表水所處環(huán)境、位置不同,因而造成了地表水時(shí)空分布差異性等問題,如國內(nèi)地表水呈現(xiàn)南多北少、東多西少等特征。而造成地表水此類時(shí)空分布特征趨勢是由于受到氣候、溫度、數(shù)字高程(DEM)、土壤分布特征、水資源水分特征等自然驅(qū)動(dòng)因素影響,如西北地區(qū)多處于干旱或極端干旱區(qū)域,年積溫高,蒸發(fā)量大但降雨量小,且水資源貧乏,土壤資源多呈現(xiàn)砂礫土,同時(shí)西北部地形多呈現(xiàn)山區(qū)、丘陵。因而上述自然驅(qū)動(dòng)因素在GIS技術(shù)監(jiān)測模擬區(qū)域地表水過程中,對地表水模擬特征分布結(jié)果造成一定偏差[16]。為此,在進(jìn)行地表水時(shí)空分布趨勢監(jiān)測過程中,需實(shí)地考察,以最大限度地選取同類型自然驅(qū)動(dòng)因素環(huán)境進(jìn)行模擬分析,提升GIS技術(shù)監(jiān)測準(zhǔn)確性。

        5.2 人為驅(qū)動(dòng)因素

        近年來,由于人為活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)化進(jìn)度加快、區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉等人為驅(qū)動(dòng)因素影響,干擾了區(qū)域地表水特征結(jié)果分布。如區(qū)域內(nèi)人工開發(fā)渠道、變更河道走向、侵占地表水分布區(qū)域等,不僅造成GIS技術(shù)調(diào)查模擬地表水時(shí)空分布趨勢困難,而且人為驅(qū)動(dòng)因素?zé)o序開發(fā)導(dǎo)致區(qū)域地表水?dāng)嗔鳜F(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重,為此,為實(shí)現(xiàn)GIS技術(shù)高精度、合理監(jiān)測地表水分布趨勢,需及時(shí)控制、降低人為干擾所產(chǎn)生的誤差。

        6 結(jié)論

        本文應(yīng)用GIS關(guān)鍵技術(shù)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地表水變化特征,并深入討論、分析地表水特征分布的驅(qū)動(dòng)因素,為水文資源區(qū)域地表水特征監(jiān)測提供科學(xué)理論依據(jù),其相關(guān)結(jié)論如下:①通過隨機(jī)監(jiān)測點(diǎn)分布和地表水特征數(shù)據(jù)采集,能以GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域地表水時(shí)空分布特征和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評估。②協(xié)同克里金插值法模擬特征數(shù)據(jù)插值,以圖像或二維、三維模型可視化分析,對地表水特征直觀分析和區(qū)域地表水管理和利用效率提升極為關(guān)鍵。③實(shí)地調(diào)查協(xié)同GIS技術(shù)能有效地判定影響地表水變化特征的人為因素和驅(qū)動(dòng)因素,同時(shí)隨著GIS技術(shù)深入研究,驅(qū)動(dòng)因素引起的可視化監(jiān)測精度不足問題將得到及時(shí)解決。

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