基于黑龍江省地下水超采區劃分中ArcGIS空間分析的應用

鄭 佳，賀中潤

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

基于黑龍江省地下水超采區劃分中ArcGIS空間分析的應用

鄭 佳，賀中潤

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，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據，為超采區評價提供直觀準確的基礎分析數據，文章結合地下水超采區的工程實例論述了該方法在數值分析上的應用。

空間分析;數據分類;柵格化;地下水超采區;綜合評價

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，應用先進高效的地理信息系統進行輔助分析及制圖就成為了不可缺少的技術手段，可以將以往的人工分析過程用計算機來完成，提高了效率與精度，將技術人員從枯燥的數據分析中解放出來。其中：ESRI公司的ArcGIS軟件在數據分析方面具有較強的能力，成為了地下水評價工作的首選分析工具。下面就該軟件涉及的相關概念及實際應用作幾點論述。

1 空間分析的主要內容

地下水評價工作中對于地下水相關數據的分析主要應用基礎就是空間分析理論，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、聯系等方面去研究空間事物，以對空間事物做出定量的描述。空間分析是基于地理對象的位置和形態特征的空間數據分析技術。空間分析方法必然要受到空間數據表示形式的制約和影響，空間數據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、三維數據模型、時空數據模型等由于自身的特點，代表數據模型發展的方向。

空間統計分析主要用于空間數據的分類與綜合評價。為了將空間實體的某些屬性進行橫向或縱向比較，往往將實體的屬性進行統計以便進行直觀的綜合評價。常用的地學統計分析方法多樣，包括相關性分析、回歸分析、時間序列分析、系統聚類分析、主成分分析、趨勢面分析、馬爾可夫預測以及克里格估計法等等。

空間統計分析除了能分析數據的整體態勢外，還可以分析空間數據采樣的合理性，空間數據往往是根據自己要求所獲取的采樣點觀測值，對于諸如地面高程、地下水位等。這些點的分布一般是不規則、不連續的，在用戶感興趣或模型復雜區域可能采樣點多，反之則少。

對于研究區域某空間因子采樣的個數是有限的，不可能布滿整個研究區域。當用戶對需要對未采樣點的數值需要準確的了解時，可根據已知采樣點的信息對附近未知點的屬性進行預測或估計，如運用內插值或外插值方法。插值方法大都是基于矢量點數據的，目前也有學者提出線插值和面插值的概念和方法，但還不成熟和完善，有待于進一步的研究和討論。

圖1 差值法生成表面圖

內插目的是為了根據已知點的屬性合理推斷和預測附近未知點的屬性值，有點數據內插形成表面，得到面上任意點的值(以樣條插值為例)。內插的方法有若干種，各自有自己特點和不足，常用的有反距離權插值、樣條插值和克力格插值。根據具體問題的特征，選擇適當的插值方法進行插值，才可能對未知點的屬性得到較為準確的預測和反映，圖1是跟據點數據的高程值以樣條插值方法為例進行插值得到的高程表面。

2 ArcGIS9的模塊分析

強大的空間分析功能是 ArcGIS9的特點與核心之一。ArcGIS9的空間分析模塊功能的實現主要是基于柵格數據進行的，其可以完成常用的數據轉換、分析、統計、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、地統計分析模塊、網絡分析模塊、跟蹤分析模塊等之中。對于空間分析功能的實現，各模塊具有各自的特點和優勢。這里重點對柵格數據空間分析模塊(Spatial Analyst)進行分析。

柵格數據結構簡單、直觀，非常利于計算機操作和處理，是GIS常用的空間基礎數據格式。基于柵格數據的空間分析是GIS空間分析的基礎，也是ArcGIS的空間分析模塊的核心內容。柵格數據的空間分析主要包括：距離制圖、密度制圖、表面生成與分析、單元統計、領域統計、分類區統計、重分類、柵格計算等功能。

在地下水超采區分析中一般情況下采集到的數據都是以離散點的形式存在的，只有在這些采樣點上才有準確的數值，而其它未采樣點上都沒有數值。然而，在實際應用中卻很可能需要用到某些未采樣點的值，這個時候就需要通過已采樣點的數值來推算未采樣點值。這樣的一個過程也就是柵格插值過程。插值結果將生成一個連續的表面，在這個連續表面上可以得到每一點的值。

在ArcGIS9柵格分析模塊中，通過柵格插值運算生成表面主要有三種實現方式：反距離權重插值，樣條函數插值和克里格插值。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 地下水超采區的分析

以哈爾濱市區為例，對地下水超采區的分析主要由以下3步來完成：

3.1 地下水數據整理及錄入

進行地下水超采分析的數據主要以地下水觀測井的數據組成，其主要格式見表1。

表1 哈爾濱市市區部分觀測井基本數據一覽表

然后通過ArcGIS的數據導入功能將井點空間數據導入地理信息系統，作為后續工作的基礎數據。

3.2 地下水數據的空間分析處理

遵循地理信息系統空間處理的原則及ArcGIS9的操作要求，將地下水常觀數據進行柵格化與插值分析，按照相應年份進行繪制，生成地下水水位等值線圖，經過修正成圖，其形式見圖2。

圖2 哈爾濱市城區枯水期地下水等水位(水頭)線圖

圖中包括哈爾濱市區的地理數據底圖，其中重點表現了哈爾濱城區地下水超采區界線及限制地下水水位界線，相關觀測井也能夠清晰準確的在圖面上予以表現，因地理信息系統的數據錄入完全坐標化，所以井點位置的精度較高，數據分析可靠性強，保證了基礎技術成果的準確性，為下一步工作提供了保障。

3.3 哈爾濱市城區地下水超采狀況分析

根據區內松花江段淺層地下水區開采期間地下水位分析結果，除個別年份個別點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，淺層地下水區目前尚未出現地下水超采區。

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

4 總結

應用地理信息系統ArcGIS進行數據分析，能夠直觀有效的表達客觀規律，替代了以往人工分析數據的低效與不確定性，值得深入學習與探討其在水利水電行業的應用，地下水超采區的數據分析只是應用了部分功能，更強大有效的應用手段及更廣泛的應用領域有待于繼續開發利用。

［1］黑龍江省水利水電勘測設計研究院.黑龍江省地下水超采區控制與治理［R］.哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2009.

［2］湯國安，楊昕.ArcView地理信息系統空間分析方法［M］.北京：科學出版社，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。