ArcGIS不同插值方法在鎮(zhèn)海灣海水無機氮評價中的應用

關炯暉 何澤良 楊振杰

摘要：為充分發(fā)揮監(jiān)測數據的作用，進而科學評價海洋環(huán)境和促進生態(tài)修復，文章分別采用ArcGIS的普通克里金法、反距離權重法和含障礙的樣條函數3種插值方法，對2017年11月鎮(zhèn)海灣海水無機氮監(jiān)測數據進行插值分析，并通過插值結果比對選出最優(yōu)方案。研究結果表明：通過對照點監(jiān)測數據的驗證，含障礙的樣條函數的插值結果相對誤差較小，比普通克里金法和反距離權重法更適用于海岸線復雜和島嶼眾多的監(jiān)測區(qū)域;根據含障礙的樣條函數的插值結果制作鎮(zhèn)海灣海水無機氮濃度空間分布圖，并應用屬性數據計算海水無機氮各類水質面積，與相關公報結論相符;合理采用ArcGIS插值方法對監(jiān)測數據進行制圖和計算，水質評價結果直觀、可靠且具有應用價值。

關鍵詞：插值;無機氮;水質評價;海水環(huán)境;環(huán)境監(jiān)測

Abstract：In order to give full play to the role of monitoring data，so as to scientifically evaluate the marine environment and promote ecological restoration，this paper used ArcGIS to interpolate the monitoring data of inorganic nitrogen in Zhenhai Bay in November，2017. 3 interpolation methods were used in this study，and the optimal scheme was selected by comparing the interpolation results.The results showed that the interpolation error of Spline with Barriers was smaller than that of Ordinary Kriging and Inverse Distance Weighted，which was more suitable for the monitoring area with complex coastline and numerous islands.According to the interpolation results of Spline with Barriers，the spatial distribution map of inorganic nitrogen concentration was made，and the attribute data was used to calculate the proportion of various water quality areas in Zhenhai Bay，which was also consistent with the conclusion of the marine environmental status bulletin.In summary，through the reasonable use of ArcGIS interpolation method to map and calculate the monitoring data，the obtained water quality evaluation results were intuitive，reliable and had application value.

Key words： Interpolation，Inorganic nitrogen，Water quality evaluation，Seawater environment，Environmental monitoring

0 引言

地理信息系統(tǒng)（GIS）通過采集各種形式的空間數據，將其轉化為同一坐標體系下的柵格或矢量數據，并對數據進行綜合管理、分析和可視化[1]。ArcGIS是美國ESRI公司開發(fā)的基于GIS的應用平臺，不僅可將復雜的空間和屬性數據制作成圖，而且具有強大的數據管理和信息分析功能[2]。

隨著對大數據以及管理平臺信息化和智能化的需求不斷擴大，ArcGIS被廣泛應用于各類規(guī)劃和工程領域。國內學者將ArcGIS應用于生態(tài)環(huán)境評價，為管理部門提供科學決策依據：王柳柱等[3]應用ArcGIS提取舟山市近岸海域海水無機氮和活性磷酸鹽的空間數據并建立數據庫，通過制作高分辨率的營養(yǎng)鹽濃度空間分布圖，分析其污染狀況;朱希希等[4]基于泰州市環(huán)境監(jiān)測數據，探討Excel的函數功能與ArcGIS相結合制作專題圖;殷緒華等[5]應用ArcGIS結合遙感技術，模擬南京市方便水庫匯水區(qū)各子流域的污染源強度和空間分布，結果可直觀反映其匯水面積和污染狀況，模擬誤差低于10%。

目前已有不少基于ArcGIS分析水環(huán)境污染因子空間分布的相關研究，但缺少不同插值方法的對比分析以及對專題圖屬性數據的深化應用。

1 研究過程

1.1 監(jiān)測區(qū)域

鎮(zhèn)海灣是廣東省江門市臺山市汶村鎮(zhèn)與北陡鎮(zhèn)之間的海域，是典型的喇叭狀河口區(qū)域，走向為NNW-SSE[6]。潮汐類型屬不正規(guī)半日潮，海流以潮流為主，入灣水系主要有橫山河、海晏河和汶村運河等。上游有珠三角地區(qū)最大的紅樹林濕地公園——廣東鎮(zhèn)海灣紅樹林濕地公園，中部和東南部是廣東省重要的近江牡蠣納苗和養(yǎng)殖主產區(qū)，下游入海口西南側是濱海旅游度假區(qū)。

科學評價鎮(zhèn)海灣的海洋環(huán)境，對管控海洋生態(tài)紅線區(qū)的重要河口和濱海濕地具有重要意義，可為當地的生態(tài)修復以及漁業(yè)和旅游業(yè)發(fā)展提供參考。

1.2 準備工作

收集監(jiān)測區(qū)域的高清影像以及江門市轄區(qū)陸地面和海域面的基礎矢量圖層。采用ArcGIS 10.2軟件，并開啟桌面應用ArcMap的地統(tǒng)計分析和空間分析等擴展模塊。

本研究采用2017年11月鎮(zhèn)海灣枯水期海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測的監(jiān)測數據，包括站位的坐標（經、緯度須以十進制為單位）以及海水中氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽等的實測值。在監(jiān)測區(qū)域布設7個站位，另隨機布設2個對照點，對照點與站位同步監(jiān)測，從而更合理和科學地驗證插值結果。

1.3 制作站位空間分布圖

將江門市轄區(qū)陸地面和海域面圖層導入ArcMap。通過添加X、Y數據，導入含站位坐標和監(jiān)測數據的Excle表格，地理坐標系為CGCS 2000，再將生成的要素另存為shp格式的空間數據。在導入后的站位空間分布圖上，每個站位的標志已帶有全部的屬性信息。

1.4 插值分析

選擇工具欄中的空間分析模塊，可分別采用克里金法、反距離權重法和含障礙的樣條函數進行插值分析。在ArcGIS眾多插值方法中，這3種方法在水環(huán)境監(jiān)測方面應用較多。

克里金法屬于地統(tǒng)計分析方法，是采用半變異函數或協(xié)方差對隨機數據進行空間建模和預測的回歸算法，可給出線性無偏最優(yōu)估算，被廣泛應用于氣象和地質等數據的空間插值[7]。反距離權重法和樣條函數均屬于確定性插值方法：反距離權重法以插值點與樣本點的距離為基準加權平均，權重系數代表相關性隨距離的增大而減小;樣條函數利用分段定義的多項式擬合曲線，生成經過特定節(jié)點的平滑表面，而含障礙的樣條函數可兼顧輸入的障礙和輸入節(jié)點數據的不連續(xù)性[8]。

在插值分析菜單中分別選擇監(jiān)測數據為輸入點要素、各站位海水無機氮濃度為Z值字段以及轄區(qū)陸地面為障礙要素，生成監(jiān)測區(qū)域的海水無機氮濃度暈渲圖。

2 插值結果比較

本研究將采用不同方法的插值結果與實測值對照，并探討其適用范圍，從而得出最優(yōu)的插值方案。根據7個站位的海水無機氮監(jiān)測數據，分別采用普通克里金法、反距離權重法和含障礙的樣條函數插值（圖1至圖3）。

由圖1至圖3可以看出，在監(jiān)測數據相同的條件下，分別采用普通克里金法、反距離權重法和含障礙的樣條函數，插值結果有所區(qū)別。采用2個對照點的監(jiān)測數據驗證3種方法的插值結果，其中含障礙的樣條函數的插值結果的相對誤差較小，2個對照點的相對誤差分別為6.0%和13.2%。

根據監(jiān)測區(qū)域的站位分布和實際情況，結合3種插值方法的原理和特點，本研究推斷：普通克里金法適用于海岸線較平滑和開闊的監(jiān)測區(qū)域;反距離權重法受監(jiān)測數據最大值和最小值的影響較大，適用于站位分布較均勻的監(jiān)測區(qū)域;含障礙的樣條函數適用于海岸線復雜和島嶼眾多的監(jiān)測區(qū)域。

3 制圖和計算

設置唯一值符號并整飾成圖。以含障礙的樣條函數的插值結果為基礎，根據《海水水質標準》（GB 3097—1997），在圖層屬性選項中對海水無機氮濃度劃分等級，并選擇梯度色譜，制作監(jiān)測區(qū)域海水無機氮濃度等值線圖。由于樣條函數插值方法的原理是根據特定節(jié)點擬合平滑曲線，以一類海水水質標準到劣四類海水水質標準為特定節(jié)點，形成海水無機氮濃度空間分布圖（圖4）。

由于插值結果僅是柵格數據，如應用其中的屬性數據，須通過空間分析模塊中的重分類、轉為整型和柵格轉面等操作，將插值結果導出為shp格式。將監(jiān)測區(qū)域作為裁剪要素并加以融合，通過輸出圖層完成數據加工。更改圖層數據框坐標系為投影坐標系CGCS 2000 3 Degree GK CM 114E，采用圖層屬性表的計算幾何工具，即可根據含障礙的樣條函數的插值結果計算監(jiān)測區(qū)域各水質等級的面積。

經計算，2017年11月鎮(zhèn)海灣海水無機氮濃度基本處于三類海水水質標準，占監(jiān)測區(qū)域總面積的84.6%，結果與當年海洋環(huán)境質量公報相符。相關部門應重視上游工業(yè)排污和農業(yè)面源污染等，合理優(yōu)化沿海產業(yè)布局，控制氮排放，促進生態(tài)修復。

4 結語

采用ArcGIS對監(jiān)測數據進行制圖和計算，所得空間分布圖和分析數據可直觀地反映鎮(zhèn)海灣海水無機氮濃度由灣內到灣外的變化趨勢，評價結果與當年江門市海洋環(huán)境質量公報相符。因此，合理采用插值方法，對現(xiàn)有監(jiān)測數據進行模擬和預測，獲得的水質達標率和優(yōu)良比例等具有參考意義。

基于ArcGIS的評價結果不僅可應用于湖泊、河口和海洋等的環(huán)境質量評價，而且可結合可視化信息平臺加強海洋綜合管理和生態(tài)環(huán)境保護，從而更好地為管理部門決策提供科學支撐。

參考文獻

[1] 董豫成.WebGIS城市地理信息查詢系統(tǒng)[D].成都：四川大學，2005.

[2] 蔣波濤.插件式GIS應用框架的設計與實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 王柳柱，朱望遠，夏楓峰.基于ArcGIS的舟山近岸海域營養(yǎng)鹽空間分布研究[J].浙江海洋學院學報（自然科學版），2014，34（2）：115-119.

[4] 朱希希，卜偉，朱宇芳，等.ArcGIS和Excel在生態(tài)環(huán)境狀況評價工作中的應用[J].安徽農業(yè)科學，2016，44（5）：309-311.

[5] 殷緒華，朱亮，陳琳，等.ArcGIS在水源地污染源強度空間分析中的應用[J].河海大學學報（自然科學版），2018，46（5）：395-401.

[6] 陳則實.中國海灣志（第十分冊）[M].北京：海洋出版社，1999.

[7] 李俊曉，李朝奎，殷智慧.基于ArcGIS的克里金插值方法及其應用[J].測繪通報，2013（9）：87-90.

[8] 符德龍，吳雪梅，陶佩杰，等.基于GIS的畢節(jié)煙地土壤厚度空間插值方法比較研究[J].貴州大學學報（自然科學版），2018，35（6）：48-52.