基于IDW內(nèi)插算法生成太湖水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)圖的研究

黎 剛，陳年松，王 勇

（1.江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，江蘇南京 20036；2.江蘇省測(cè)繪工程院，江蘇南京 210003）

0 引言

由于環(huán)境信息與空間位置有著密切的關(guān)系，而地理信息系統(tǒng)又是處理空間信息的有效工具，因此，在地理信息系統(tǒng)的支持下，開發(fā)與應(yīng)用太湖基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)不僅可以方便地獲取、存儲(chǔ)、管理和顯示各種太湖流域信息，而且可以對(duì)太湖流域環(huán)境進(jìn)行有效的地圖展示、查詢、分析、統(tǒng)計(jì)。

在“江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（‘1831’項(xiàng)目）”的研發(fā)中，需要解決太湖水質(zhì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)問題。即在太湖水域監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置和各個(gè)測(cè)點(diǎn)每個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都已經(jīng)入庫(kù)的前提下，怎樣利用已有的離散成果，通過某種數(shù)學(xué)插值算法，生成連續(xù)的趨勢(shì)面，以形成生動(dòng)直觀的圖形結(jié)果，達(dá)到環(huán)保行業(yè)輔助決策的目的。當(dāng)前，各類空間數(shù)據(jù)插值算法名目繁多，各自具有相應(yīng)特點(diǎn)和差異。經(jīng)過對(duì)比和優(yōu)選，我們采用反距離權(quán)重插值（IDW）模型來構(gòu)建我們的系統(tǒng)功能。

1 反距離權(quán)重插值（IDW）原理

IDW（Inverse Distance Weighted）是一種常用而簡(jiǎn)便的空間插值方法，它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。設(shè)平面上分布一系列離散點(diǎn)，已知其坐標(biāo)和值為Xi，Yi，Zi（i=1，2，…，n），根據(jù)周圍離散點(diǎn)的值，通過距離加權(quán)值求Z點(diǎn)值，則

其中，Z0為點(diǎn)0的估計(jì)值；Zi為控制點(diǎn)i的值；di為控制點(diǎn)i與點(diǎn)0間的距離；n為在估計(jì)中用到的控制點(diǎn)的數(shù)目；k為指定的冪。

IDW通過對(duì)鄰近區(qū)域的每個(gè)采樣點(diǎn)值平均運(yùn)算獲得內(nèi)插單元值。IDW是一個(gè)均分過程，這一方法要求離散點(diǎn)均勻分布，并且密集程度足以滿足在分析中反映局部表面變化。反距離權(quán)重插值方法是一種局部插值方法，它假設(shè)未知值的點(diǎn)受較近控制點(diǎn)的影響比較遠(yuǎn)控制點(diǎn)的影響更大。影響的權(quán)重用點(diǎn)之間距離乘方的倒數(shù)表示。乘方為1意味著點(diǎn)之間數(shù)值變化率為恒定，該方法稱為線性插值法。乘方為2或更高則意味著越靠近已知點(diǎn)，數(shù)值的變化率越大，遠(yuǎn)離已知點(diǎn)趨于平穩(wěn)。因此，當(dāng)取樣點(diǎn)足夠密時(shí)，相比較其他的空間插值算法模型，IDW對(duì)局部變化具有更好的效果。

2 Geoprocessing建模

Geoprocessing是ArcGIS的處理工具，也是GIS的基本功能之一。使用Geoprocessing可以通過對(duì)數(shù)據(jù)的操作而得出新的信息。對(duì)信息的提取或其他任何關(guān)于數(shù)據(jù)的操作都需要使用Geoprocessing工具，例如，不同格式數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換。在Geoprocessing中，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并、剪貼、分割圖幅以及使用各種空間分析工具。

“江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（‘1831’項(xiàng)目）”中，太湖湖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)采用Oracle 11g+ArcSDE方式實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)管理，屬性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按月實(shí)時(shí)更新，以Sql Server數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)。空間、屬性數(shù)據(jù)之間依據(jù)站點(diǎn)的stationcode字段實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。在ArcGIS軟件的Geoprocessing工具中，也提供了IDW插值分析工具。因此，在ArcGIS的modelBuilder建模環(huán)境里利用IDW插值分析工具以及其他的用于數(shù)學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理的工具，建立Geoprocessing模型如圖1所示。

圖1 modelBuilder中的IDW的Geoprocessing模型

其中，IDW插值分析工具用于湖體監(jiān)測(cè)值的插值運(yùn)算，得到柵格格式的IDW空間插值圖。Int工具用于空間插值圖柵格轉(zhuǎn)矢量前的數(shù)據(jù)取整工作，Raster to Polygon工具用于將空間插值圖由柵格格式轉(zhuǎn)為矢量格式。Clip工具將生成的矢量格式空間插值圖按太湖區(qū)域的范圍進(jìn)行裁剪，使其和影像地圖重合。最后，設(shè)置outputMap為參數(shù)，讓它作為參數(shù)輸出，保存模型。

3 Geoprocessing服務(wù)發(fā)布

ArcGIS提供了Geoprocessing類型的服務(wù)，允許將設(shè)計(jì)好的Geoprocessing模型發(fā)布為Geoprocessing服務(wù)。發(fā)布Geoprocessing服務(wù)可使用兩種資源類型：Geoprocessing工具；包含結(jié)果圖層的MXD文檔。其中包含結(jié)果圖層的MXD文檔發(fā)布成Geoprocessing服務(wù)時(shí)又有兩種選擇：一種只發(fā)布為Geoprocessing服務(wù)；另一種發(fā)布成MapService和Geoprocessing服務(wù)。第二種方式可預(yù)先在MXD文檔中對(duì)結(jié)果圖層渲染，這樣可簡(jiǎn)化客戶端的可視化工作。因此，我們使用第二種Geoprocessing服務(wù)，這樣通過客戶端調(diào)用GP就能直接給我們返回一個(gè)resultMapLayer然后直接加到前端的Map控件中。它的好處是生成的等值面可以在發(fā)布服務(wù)的時(shí)候就設(shè)置好外觀樣式，而不用在客戶端來手動(dòng)設(shè)置。

4 功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

“江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（‘1831’項(xiàng)目）”客戶端采用Flex技術(shù)架構(gòu)。Flex是Adobe公司推出的一系列工具和技術(shù)，使開發(fā)人員可以開發(fā)和部署可升級(jí)的富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序（RIA）。Flex提供了一種現(xiàn)代的、基于標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)言來支持公共模板設(shè)計(jì)、客戶端運(yùn)行環(huán)境、編程模型、開發(fā)模型和高級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)。水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要功能是連接Geoprocessing服務(wù)，接受Geoprocessing服務(wù)的運(yùn)算接果并顯示在用戶界面上。核心代碼如下所示：

系統(tǒng)運(yùn)行后，相應(yīng)的功能界面如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 6月份動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖3 7月份動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 8月份動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

IDW是一種優(yōu)秀的空間插值算法，主要應(yīng)用于DEM生成、DEM坡度、坡向計(jì)算以及地區(qū)人口、地區(qū)GDP專題圖生成等GIS地學(xué)分析、自然地理、人文地理領(lǐng)域。在“江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（‘1831’項(xiàng)目）”的研發(fā)過程中，本文作者將其應(yīng)用到環(huán)保監(jiān)測(cè)方面，具有一定的創(chuàng)新意義。

“江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（‘1831’項(xiàng)目）”還將不斷完善，并大力推廣和應(yīng)用。在這個(gè)過程中，將發(fā)掘更多的行業(yè)需求，我們也將根據(jù)需要應(yīng)用更多科學(xué)計(jì)算模型，充分利用信息化手段為環(huán)境保護(hù)工作服務(wù)。

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