畢業(yè)設(shè)計-GIS技術(shù)在城市表層土壤重金屬污染分析中的應(yīng)用

1、PAGE PAGE 9PAGE 第9頁(共9頁)編號：08009210323南陽師范學(xué)院2012屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設(shè)計） 題 目：GIS技術(shù)在城市表層土壤重金屬污染 分析中的應(yīng)用 完 成 人： 班 級： 2008-03 學(xué) 制： 4 年 專 業(yè)： 地理信息系統(tǒng) 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2012-03-31 目 錄摘要(1)1 污染特征分析(1) 1.1 創(chuàng)建分析區(qū)(2)1.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(4)1.3 空間插值(5)1.4 重金屬污染的模型分析(4)2 結(jié)論與討論(4)參考文獻(xiàn)(14)Abstract(15)GIS技術(shù)在城市表層土壤重金屬污染分析中的應(yīng)用 摘要：通過使用地理信息系統(tǒng)主流軟件ArcG

2、IS，在處理和分析已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對重金屬污染特征及與功能區(qū)之間的關(guān)聯(lián)等展開研究。本文重點探討了在城市表層土壤重金屬污染分析中所運用的關(guān)鍵GIS技術(shù)，及GIS技術(shù)在解決該類問題中的優(yōu)勢和前景。關(guān)鍵詞：重金屬污染；空間分析；空間插值；GIS應(yīng)用 隨著工業(yè)化、城市化的發(fā)展，土壤環(huán)境污染問題越來越突出。土壤中的重金屬因不被微生物降解，不易移動，故會不斷積累，造成嚴(yán)重污染，并可通過植物吸收進(jìn)入食物鏈，造成農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全隱患，危害人類健康，本文通過對城市表層土壤重金屬污染進(jìn)行分析，總結(jié)了此研究中使用的關(guān)鍵GIS技術(shù)，為相關(guān)課題研究作參考。本文主要使用ArcGIS處理相關(guān)數(shù)據(jù)、分析重金屬污染與功能區(qū)中間

3、的關(guān)系，即，各功能區(qū)內(nèi)各種金屬污染的具體特征及與環(huán)境的相互作用關(guān)系，并重點闡述所應(yīng)用的關(guān)鍵GIS技術(shù)，GIS技術(shù)在解決該類問題中的優(yōu)勢和前景。 由于地理數(shù)據(jù)的紛繁復(fù)雜，利用GIS處理空間數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上利用GIS強(qiáng)大的分析功能對空間數(shù)據(jù)研究挖掘出內(nèi)在的信息、規(guī)律已經(jīng)成為提取地理信息的有效手段。GIS技術(shù)在資源與環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域中，它發(fā)揮著技術(shù)先導(dǎo)的作用。GIS技術(shù)不僅可以有效地管理具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息，對資源環(huán)境管理和實踐模式進(jìn)行快速和重復(fù)的分析測試，便于制定決策、進(jìn)行科學(xué)和政策的標(biāo)準(zhǔn)評價，而且可以有效地對多時期的資源環(huán)境狀況及生產(chǎn)活動變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和分析比較，也可將數(shù)據(jù)收集、空間分析

4、和決策過程綜合為一個共同的信息流，明顯地提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益1。1 污染特征分析1.1 創(chuàng)建分析區(qū)對某城市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查。為此，將所考察的城區(qū)劃分為間距1公里左右的網(wǎng)格子區(qū)域，按照每平方公里1個采樣點對表層土（010 厘米深度）進(jìn)行取樣、編號，并用GPS記錄采樣點的位置。應(yīng)用專門儀器測試分析，獲得了每個樣本所含的多種化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù)2。只給了采樣點，沒限定分析區(qū)邊界，要確定分析區(qū)只能根據(jù)現(xiàn)有條件，最好的方式是做現(xiàn)有采樣點的凸包，根據(jù)1000m隨機(jī)采樣的前提，然后做凸包500m的緩沖區(qū)作為研究區(qū)域范圍。圖1 為樣本點建立分析區(qū)本文首先的前提假設(shè)是城市重金屬污染和城市的功能區(qū)有莫大的

5、聯(lián)系?；诖耍鶕?jù)已得到的采樣點所屬功能區(qū)劃分城市功能區(qū)。由此可以采樣點圖層創(chuàng)建泰森多邊形。將每個采樣點的重金屬濃度分配給與本采樣點的距離最小的區(qū)域。根據(jù)地學(xué)第一定律：地理位置上越是相近的區(qū)域，其所表現(xiàn)出的特性就越相近3。通過泰森多邊形的創(chuàng)建，每個采樣點所影響的大致范圍就初具模型。圖2 建立泰森多邊形 泰森多邊形具有廣泛的用途。如，可以用離散點的性質(zhì)來描述泰森多邊形區(qū)域的性質(zhì)；可用離散點的數(shù)據(jù)來計算泰森多邊形區(qū)域的數(shù)據(jù)；判斷一個離散點與其它哪些離散點相鄰時，可根據(jù)泰森多邊形直接得出，且若泰森多邊形是n邊形，則就與n個離散點相鄰；當(dāng)某一數(shù)據(jù)點落入某一泰森多邊形中時，它與相應(yīng)的離散點最鄰近，無需

6、計算距離4。1.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 在分析區(qū)的范圍中建立泰森多邊形后，就需要根據(jù)每個多邊形的功能區(qū)屬性分成功能區(qū)塊，方便觀察各功能區(qū)的分布，更為了以后的分析做基礎(chǔ)。經(jīng)過字段融合技術(shù)處理后得到5種功能區(qū)。接下來就要將功能區(qū)的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成柵格數(shù)據(jù)。 柵格和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)缺點。在本課題中，就需要用到柵格和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)換算法。把矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成柵格數(shù)據(jù)，利用柵格數(shù)據(jù)的單元格的值進(jìn)行空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。觀察各種重金屬濃度在各個地域的變化，研究其分布特征。 矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)算法也是GIS技術(shù)的重要成分。由于矢量數(shù)據(jù)的基本要素是點、線、面，因而矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換實質(zhì)上是解決點、線和面數(shù)據(jù)

7、的轉(zhuǎn)換5。1.3 空間插值 利用空間插值可以得到每一個單元格的重金屬濃度值。經(jīng)過ArcGIS強(qiáng)大的渲染功能處理后，可以很容易的觀察出重金屬污染的分布特征。圖3重金屬As污染圖空間位置上越靠近的點，越可能具有相似的特征值，而距離越遠(yuǎn)的點，其特征值相似的可能性越小，這是空間插值最基本的理論假設(shè)。一般地，以下情況會用到空間插值：(1)現(xiàn)有的離散曲面的分辨率，像元大小或方向與所要求的不符，需要重新插值。(2)現(xiàn)有的連續(xù)曲面的數(shù)據(jù)模型與所需的數(shù)據(jù)模型不符，需要重新插值。(3)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)不能完全覆蓋所要求的區(qū)域范圍，需要插值空間插值方法的主要目標(biāo)：(1)對不足或缺失數(shù)據(jù)的估計，由于觀測臺站分布的密度及分布

8、位置的原因，不可能任何空間地點的數(shù)據(jù)都能實測得到，需要用到插值，以了解區(qū)域內(nèi)觀測變量的完整空間分布；(2)數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化：規(guī)則格網(wǎng)能夠更好地反映連續(xù)分布的空間現(xiàn)象，并對他們的變化作出模擬，對已知觀測臺站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行空間內(nèi)插，便可得到格網(wǎng)化數(shù)據(jù)；(3)內(nèi)插等值線：以等值線的形式直觀地顯示數(shù)據(jù)的空間分布；(4)對不同分區(qū)未知數(shù)據(jù)的推求。 進(jìn)行空間插值時，一般包括以下過程：(1)空間插值數(shù)據(jù)源的獲??；(2)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出源數(shù)據(jù)的分布特性、統(tǒng)計特性，便于選擇最恰當(dāng)?shù)牟逯捣椒ǎ?3)插值方法的選擇并進(jìn)行插值計算；(4)對插值結(jié)果的評價；(5)運用多種插值方法進(jìn)行計算，對各種方法的插值結(jié)果進(jìn)行比較、

9、分析并選擇最佳的插值方法6。 本研究主要使用克立格插值。插值是一項復(fù)雜的運算，具體要忽略掉相關(guān)性很小的采樣點的影響。此時首先就要確定采樣點之間具有相關(guān)性的距離值。本內(nèi)容是重金屬污染，樣本是從土壤中取得，由于可能或受到河流、地勢等因素的影響，還要排除掉在方向上的走勢相關(guān)性。這涉及到探索性空間數(shù)據(jù)分析7。在本課題中主要用到了直方圖分析，Q-Q概率圖，趨勢圖，半變異/協(xié)方差函數(shù)云圖。直方圖是一種適用于對大量樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行整理加工，找出其統(tǒng)計規(guī)律，即分析數(shù)據(jù)分布狀態(tài)，以便對其總體分布特征進(jìn)行推斷的方法。本課題檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布以及發(fā)現(xiàn)離群值，對于離群值特殊關(guān)注，排除錯誤樣本。Q-Q概率圖是根據(jù)變量

10、分布的分位數(shù)對所指定的理論分布分位數(shù)繪制圖形，是一種用來檢驗樣點分布的統(tǒng)計圖，如果被檢驗的樣點數(shù)據(jù)符合所指定的分布，則代表樣點的點簇在一條直線上。本課題用它與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布（直線）對比，檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布以及發(fā)現(xiàn)離群值。趨勢分析是將樣點的位置在X,Y平面上表示，對于感興趣的屬性值，通過垂直方向上的Z軸來表示，構(gòu)成三維圖。如果經(jīng)過投影后曲線是平直，表明沒有趨勢，如果多項式有確定形式，就表明數(shù)據(jù)中存在全局趨勢。半變異/協(xié)方差函數(shù)云圖是數(shù)據(jù)集中所有樣本點對的理論半變異值和協(xié)方差，把他們用兩點間的距離函數(shù)來表示繪制圖形。半變異/協(xié)方差函數(shù)云圖技術(shù)是用來探索和量化空間自相關(guān)性。確定相關(guān)性所影響的范圍

11、，找出整體樣本點的影響的臨界范圍。 經(jīng)過優(yōu)化后生成插值。具體用的插值方法要視所給樣本點的重金屬污染溶度而定。此課題中主要應(yīng)用到了普通克呂格插值。當(dāng)區(qū)域化變量Z(x)的數(shù)學(xué)期望EZ(x)=m為未知數(shù)的時候，常用到普通克呂格法進(jìn)行局部統(tǒng)計。普通克呂格模型為：Z(s)=+(s).其中，是未知的常量；(s)為隨機(jī)誤差。普通克呂格作為一種估計方法，有獨特的靈活性。在運用普通克呂格法進(jìn)行局部估計時，設(shè)待估塊段為V，中心為x,其平均值為ZV。則 （1）在待估塊段V的領(lǐng)域內(nèi)，存在一組n個已知樣點，其觀測值為Z(x)，其數(shù)學(xué)期望也為m，令為ZV的線性估計量，由幾個已知點觀測值構(gòu)成線性組合，即公式為， （2）在滿

12、足無偏性條件，最優(yōu)性條件兩個條件時，得到線性無偏，最優(yōu)估計量。（1）無偏性條件 （2）最優(yōu)性條件 普通克呂格可用于估計那些看起來有某種趨勢的數(shù)據(jù)。 1.4 重金屬污染的模型分析在研究地區(qū)重金屬分析時，可能遇到統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法來對數(shù)據(jù)進(jìn)行定性與定量的分析。具體的評價方法有：土壤單項污染指數(shù)，該評價指標(biāo)屬于GB156181995中的二級標(biāo)準(zhǔn)，評價土壤單項污染情況。變異系數(shù)，將標(biāo)準(zhǔn)差作為算數(shù)平均數(shù)的百分率來表示，以說明樣本的分散程度。本文利用內(nèi)梅羅法計算重金屬的綜合污染指數(shù)。土壤單項污染指數(shù)計算公式為：土壤單項污染指數(shù)=土壤污染物實測值/污染物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。變異系數(shù)計算公式為： （3） 內(nèi)梅羅法的計算公式

13、為： （4）這些算法需要通過柵格圖層統(tǒng)計的運算，分析結(jié)果見表1。表1 各功能區(qū)8種重金屬污染樣品所占比例元素各功能區(qū)污染樣品所占百分比（%）1生活區(qū)2工業(yè)區(qū)3山區(qū)4交通區(qū)5公園綠地區(qū)As (g/g)0.618180.611110.166670.50.74286Cd (ng/g)0.727270.861110.257580.768160.54286Cr (g/g)0.454550.416670.227270.362320.25714Cu (g/g)0.772730.944440.257580.826090.68751Hg (ng/g)0.568180.694440.227270.521740.5

14、1286Ni (g/g)0.272730.416670.169700.195620.14826Pb (g/g)0.590910.805560.196970.666670.4Zn (g/g)0.613640.777780.136360.717390.48571 注：污染樣品即污染指數(shù)1的樣品圖4 綜合污染指數(shù)從上表中可以看出各個功能區(qū)的綜合污染情況，從大到小依次為：工業(yè)區(qū)生活區(qū)交通區(qū)公園綠地區(qū)山區(qū) 工業(yè)區(qū)幾乎為5，屬于重度污染。生活區(qū)大約比工業(yè)區(qū)小2，比山區(qū)大1.5，屬于中等水平。交通區(qū)綜合污染指數(shù)比生活區(qū)小了0.16，比公園綠地區(qū)大了0.06可以看出交通區(qū)的污染情況是次于生活區(qū)的。公園綠地區(qū)比

15、交通區(qū)降了0.06，可見比交通區(qū)的污染情形要好。山區(qū)的綜合污染指數(shù)值為1.5，重金屬污染影響最小。從該圖可以最直接的看出各種功能區(qū)所受的重金屬污染是有很大差別的,所以功能區(qū)與重金屬污染有莫大關(guān)系8。2 結(jié)論與討論GIS技術(shù)在空間地理數(shù)據(jù)分析中的作用十分強(qiáng)大。在處理該類問題中所應(yīng)用到的技術(shù)是十分先進(jìn)的。能夠處理海量地理數(shù)據(jù)，是其明顯的優(yōu)勢。矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)相結(jié)合，既能夠清楚的表達(dá)圖形數(shù)據(jù)又能夠與屬性數(shù)據(jù)結(jié)合聯(lián)動，十分的方便，簡潔。經(jīng)過人們長期的努力研究，對于空間插值，空間數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)已經(jīng)形成了較好的體系。多種多樣的克呂格插值能夠建好的模擬空間范圍上連續(xù)數(shù)據(jù)的分布。GIS技術(shù)能夠很好地從多角度

16、來探尋地理信息。在研究城市表層土壤重金屬污染問題上，GIS技術(shù)能夠很好地解決9。參 考 文 獻(xiàn)1 曹靜，魏家紅，GIS技術(shù)的特點及其在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用J.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2005年，17卷（2期）：7880.2 李 達(dá),周生路,吳紹華, 經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)縣域尺度土壤重金屬污染區(qū)劃J.農(nóng) 業(yè)工程學(xué)報,2011年,1卷（10期） ：20-24.3 伍光和，胡雙熙.自然地理學(xué)M.北京：高等教育出版社，2008年4月：463-474.4 劉湘南，黃方.GIS空間分析原理與方法M.北京：科學(xué)出版社,2008年7月：125-135.5 張 宏，溫永寧.地理信息系統(tǒng)算法基礎(chǔ)M 北京：科學(xué)出版社, 20

17、06年6 月：70-89.6 朱求安,張萬昌,余鈞輝.基于 GIS的空間插值方法研究J.江西師范大學(xué)學(xué)報，2004年3月，28卷(2期):183-188.7 陳思源，曲福田.GIS空間分析支持下的城市地價分布研究J.南京農(nóng)業(yè)學(xué)報，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005年，28卷(3期)：119-122.8 尤冬梅，王紀(jì)華.北京郊區(qū)小尺度農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染性評價J.上海農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011年，27卷(3期)：89-93.9 高國棟,蔣棟.GIS技術(shù)研究及其發(fā)展趨勢J.TECHOLOGY 技術(shù)應(yīng)用，2011年，1卷(25期)：58-60.Application of GIS Technology for Analyzing the Heavy Metal Pollution of Surface Soil in a CityWei YongLiangAbstract: Using ArcGIS, we analyze the characteristics of heavy metal pollution and the correlation between regions function and pollution based on processing and analyzing the existing data. In this pa