基于ArcGis的大氣污染物中二氧化硫的空間插值方法比較研究

嚴(yán) 超

(寶山區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,上海 201900)

1 緒論

二氧化硫是大氣主要污染物之一[1]，在大氣中，二氧化硫氧化形成硫酸鹽，硫酸鹽是環(huán)境酸化的前驅(qū)物。例如酸雨，酸雨可導(dǎo)致土壤酸化，誘發(fā)植物病蟲害，使農(nóng)作物產(chǎn)量減少，腐蝕森林。目前ArcGis的運(yùn)用滲透各行各業(yè)，其中空間插值算法在地理學(xué)科、環(huán)境科學(xué)、大氣科學(xué)中已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用[2]，所以利用插值分析對(duì)大氣污染物進(jìn)行估算是可以實(shí)現(xiàn)的。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本研究采用的大氣污染物數(shù)據(jù)是由寶山區(qū)監(jiān)測(cè)站自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)提供，在寶山區(qū)共有11個(gè)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。自動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)具有精度較高，觀測(cè)時(shí)間固定，對(duì)極端、短時(shí)情況的采集。最能準(zhǔn)確的標(biāo)識(shí)該站點(diǎn)二氧化硫年均濃度值。但是在污染物的空間分析上，點(diǎn)位的設(shè)定不可能分布到每個(gè)平方，所以只能在已設(shè)立點(diǎn)位的基礎(chǔ)上上，假設(shè)污染物濃度與距離成反比關(guān)系進(jìn)行分析。

3 空間插值方法的基本原理

在ArcGis中最常見的插值方法有反距離權(quán)重法(IDW)、克里金法(Kriging)、協(xié)同克里金(Co-Kriging)、泛克里金(Universal Kriging,UK)、析取克里金(Disjunctive Kriging,DK)等。后三種插值方法是當(dāng)存在多變量、隨機(jī)場(chǎng)和指數(shù)之間存在非線性關(guān)系等情況時(shí)，由克里金法改進(jìn)而來。所以進(jìn)行二氧化硫濃度空間插值分析主要研究有反距離權(quán)重法(IDW)和克里金法(kriging)。

反距離權(quán)重法(IDW)和克里金法(kriging)兩種空間插值方法都是局部插值法，兩者都是通過已知點(diǎn)位的數(shù)據(jù)推算未知點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，換而言之就是具有空間的相關(guān)性。離已知點(diǎn)位越近的點(diǎn)位其數(shù)據(jù)特征就更加相似，反之離得越遠(yuǎn)數(shù)據(jù)之間相似程度就越低。所以進(jìn)行空間插值分析，插值點(diǎn)位的數(shù)量越多，分布越均勻其最終分析結(jié)果越準(zhǔn)確，與實(shí)際值的偏離程度就越低。

4 兩種插值方法的對(duì)比

4.1 克里金法

克里金插值在地統(tǒng)計(jì)學(xué)中也被成為空間最優(yōu)無偏估計(jì)器，即當(dāng)已知點(diǎn)位數(shù)據(jù)成高斯分布(正太分布)時(shí)，克里金插值是無偏估計(jì)算法中最科學(xué)、準(zhǔn)確的一種[3]。克里金法是建立在變異函數(shù)理論上，變異函數(shù)由學(xué)期望、隨機(jī)場(chǎng)內(nèi)特定點(diǎn)的數(shù)學(xué)期望、方差運(yùn)算等組成。變異函數(shù)的類型分別有球狀、指數(shù)、高斯、冪函數(shù)和空洞效應(yīng)這五種。克里金插值會(huì)根據(jù)所選的變異函數(shù)模型進(jìn)行模擬，最終對(duì)估計(jì)點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)。

4.2 反距離權(quán)重法

反距離權(quán)重插值與克里金法相比更為簡(jiǎn)單、直接。其主要特點(diǎn)就是快速、精確，離散點(diǎn)越少插值分析的速度就越快。反距離權(quán)重法主要依據(jù)是反距離冪值，冪參數(shù)可依據(jù)距離來控制已知點(diǎn)位對(duì)插值的影響[4]。定義較小的冪值可以提高離散點(diǎn)對(duì)遠(yuǎn)距離點(diǎn)位數(shù)據(jù)的影響，在外觀上也顯得更加平順。反距離權(quán)重法在插值過程中首先假設(shè)每個(gè)已知點(diǎn)位的數(shù)據(jù)都有著局部影響力，并且這種影響與距離成反比，隨著距離的增大而減弱，甚至沒有影響[5]。

5 結(jié)果與分析

對(duì)2018年寶山區(qū)大氣污染物二氧化硫濃度進(jìn)行了反距離權(quán)重法(IDW)插值如圖1和克里金法(kriging)插值如圖2。

圖1 二氧化硫年均濃度(克里金法)Fig.1 the annual concentration of SO2(Kriging)

圖2 二氧化硫年均濃度(反距離權(quán)重法)Fig.2 the annual concentration of SO2(IDW)

由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較少無法使用交叉驗(yàn)證，從兩圖中可以看出二氧化硫濃度均是由北向南降低，克里金法(Kriging)的成圖較為平順，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差較小，但是在分析過程中對(duì)離散點(diǎn)和估計(jì)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行了運(yùn)算，改變了原來的數(shù)據(jù)，突出了異常值，不能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。反距離權(quán)重法(IDW)其標(biāo)準(zhǔn)差較前者相比略大，未考慮自身相關(guān)性所以精度略差，成圖也在極端值附近成圓形，但是不改變?cè)瓉淼臄?shù)據(jù)，在之后的圖例中可以更直觀的表達(dá)各地域的二氧化硫濃度，插值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表 1。

表1 插值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) Table.1 data statistics of Interpolation

寶山區(qū)二氧化硫濃度分布圖，是以點(diǎn)概面為主，在數(shù)據(jù)方面并非呈正太分布并且存在異常值，所以在分析過程中克里金法模型自身就會(huì)存在一定的缺陷。同時(shí)反距離權(quán)重法雖然精度略微差些，但是不改變數(shù)據(jù)，使成圖可以更為直接的表達(dá)濃度的分布情況。

綜上，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)是不容改變的，只有這樣才能保持監(jiān)測(cè)結(jié)論的高精度，所以最終采取反距離權(quán)重法。但是在數(shù)據(jù)上確實(shí)存在一個(gè)極端值，與其他數(shù)據(jù)相差較大，這樣會(huì)導(dǎo)致全區(qū)二氧化硫濃度評(píng)價(jià)結(jié)果偏高。