gis技術在城市表層土壤重金屬污染分析中的應用-畢業(yè)論文

1、<p>　　南陽師范學院20XX屆畢業(yè)生</p><p><b>　　畢業(yè)論文（設計）</b></p><p>　　題 目：GIS技術在城市表層土壤重金屬污染 </p><p><b>　　分析中的應用</b></p><p>　　完 成 人：

2、 </p><p>　　班 級： </p><p>　　學 制： </p><p>　　專 業(yè)： 地理信息系統(tǒng) </p><p>　　

3、指導教師： </p><p>　　完成日期： </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要(1)</b></p><p>　　1

4、 污染特征分析(1)</p><p>　　1.1 創(chuàng)建分析區(qū)(2)</p><p>　　1.2 數(shù)據(jù)轉換(4)</p><p>　　1.3 空間插值(5)</p><p>　　1.4 重金屬污染的模型分析(4)</p><p>　　2 結論與討論(4)</p><p><b&g

5、t;　　參考文獻(14)</b></p><p>　　Abstract(15)</p><p>　　GIS技術在城市表層土壤重金屬污染</p><p><b>　　分析中的應用</b></p><p>　　摘要：通過使用地理信息系統(tǒng)主流軟件ArcGIS，在處理和分析已有數(shù)據(jù)的基礎上，對重金屬污染特征及與功

6、能區(qū)之間的關聯(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鍵GIS技術，及GIS技術在解決該類問題中的優(yōu)勢和前景。</p><p>　　關鍵詞：重金屬污染；空間分析；空間插值；GIS應用</p><p>　　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，造成嚴重污染，并可通過植物吸收進入食物鏈，造成農產品

7、質量安全隱患，危害人類健康，本文通過對城市表層土壤重金屬污染進行分析，總結了此研究中使用的關鍵GIS技術，為相關課題研究作參考。本文主要使用ArcGIS處理相關數(shù)據(jù)、分析重金屬污染與功能區(qū)中間的關系，即，各功能區(qū)內各種金屬污染的具體特征及與環(huán)境的相互作用關系，并重點闡述所應用的關鍵GIS技術，GIS技術在解決該類問題中的優(yōu)勢和前景。</p><p>　　由于地理數(shù)據(jù)的紛繁復雜，利用GIS處理空間數(shù)據(jù)，在此基礎上利

8、用GIS強大的分析功能對空間數(shù)據(jù)研究挖掘出內在的信息、規(guī)律已經(jīng)成為提取地理信息的有效手段。GIS技術在資源與環(huán)境應用領域中，它發(fā)揮著技術先導的作用。GIS技術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行快速和重復的分析測試，便于制定決策、進行科學和政策的標準評價，而且可以有效地對多時期的資源環(huán)境狀況及生產活動變化進行動態(tài)監(jiān)測和分析比較，也可將數(shù)據(jù)收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流，明顯地提高

9、工作效率和經(jīng)濟效益[1]。</p><p><b>　　1 污染特征分析</b></p><p><b>　　1.1 創(chuàng)建分析區(qū)</b></p><p>　　對某城市城區(qū)土壤地質環(huán)境進行調查。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（0~10 厘米深度）進行取樣、編號，并用GP

10、S記錄采樣點的位置。應用專門儀器測試分析，獲得了每個樣本所含的多種化學元素的濃度數(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。</p><p>　　圖1 為樣本點建立分析區(qū)</p><p>　　本文首先的前提假設是城市重金屬污染和城市的功能區(qū)有莫大的聯(lián)系?；?/p>

11、于此，要根據(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。</p><p>　　圖2 建立泰森多邊形</p><p>　　泰森多邊形具有廣泛的用途。如，可以用離散點的性質

12、來描述泰森多邊形區(qū)域的性質；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；當某一數(shù)據(jù)點落入某一泰森多邊形中時，它與相應的離散點最鄰近，無需計算距離[4]。</p><p><b>　　1.2 數(shù)據(jù)轉換</b></p><p>　　在分析區(qū)的范圍中建立泰森多邊形后

13、，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。經(jīng)過字段融合技術處理后得到5種功能區(qū)。接下來就要將功能區(qū)的矢量數(shù)據(jù)轉化成柵格數(shù)據(jù)。</p><p>　　柵格和矢量數(shù)據(jù)結構都有各自的優(yōu)缺點。在本課題中，就需要用到柵格和矢量數(shù)據(jù)結構相互轉換算法。把矢量數(shù)據(jù)轉化成柵格數(shù)據(jù)，利用柵格數(shù)據(jù)的單元格的值進行空間數(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。&

14、lt;/p><p>　　矢量數(shù)據(jù)轉換成柵格數(shù)據(jù)算法也是GIS技術的重要成分。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)的轉換實質上是解決點、線和面數(shù)據(jù)的轉換[5]。</p><p><b>　　1.3 空間插值</b></p><p>　　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強大的渲染功能處理后，可以很容

15、易的觀察出重金屬污染的分布特征。</p><p>　　圖3重金屬As污染圖</p><p>　　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。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)

16、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：(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)進行空間內插，便可得到格網(wǎng)化數(shù)據(jù)；(3)內插等值線：以等值線的形式直觀地顯示數(shù)據(jù)的空間分布；(4)對

17、不同分區(qū)未知數(shù)據(jù)的推求。</p><p>　　進行空間插值時，一般包括以下過程：(1)空間插值數(shù)據(jù)源的獲取；(2)對數(shù)據(jù)進行分析，找出源數(shù)據(jù)的分布特性、統(tǒng)計特性，便于選擇最恰當?shù)牟逯捣椒ǎ?3)插值方法的選擇并進行插值計算；(4)對插值結果的評價；(5)運用多種插值方法進行計算，對各種方法的插值結果進行比較、分析并選擇最佳的插值方法[6]。</p><p>　　本研究主要使用克立格插值。插

18、值是一項復雜的運算，具體要忽略掉相關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性的距離值。本內容是重金屬污染，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行推斷的方

19、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，對于離群值特殊關注，排除錯誤樣本。Q-Q概率圖是根據(jù)變量分布的分位數(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。本課題用它與標準正態(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，構成三維圖。如果經(jīng)過

20、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</p><p>　　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。此課題中主要應用到了普通克呂格插值。</p><p>　　當區(qū)域化變量Z(x)的數(shù)學期望E[Z(x)]=m為未知數(shù)的時候，常用到普通克呂格法進行局部統(tǒng)計。普通克呂格模型為：Z(s)=μ+ε(s).其中，μ是

21、未知的常量；ε(s)為隨機誤差。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行局部估計時，設待估塊段為V，中心為x,其平均值為ZV。則</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　在待估塊段V的領域內，存在一組n個已知樣點，其觀測值為Z(x)，其數(shù)學期望也為m，令為ZV的線性估計量，由幾個已知點觀測值構成線性組合，即公式為，&l

22、t;/p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　在滿足無偏性條件，最優(yōu)性條件兩個條件時，得到線性無偏，最優(yōu)估計量。</p><p>　?。?）無偏性條件 </p><p>　?。?）最優(yōu)性條件 </p><p>　　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)。 <

23、;/p><p>　　1.4 重金屬污染的模型分析</p><p>　　在研究地區(qū)重金屬分析時，可能遇到統(tǒng)計數(shù)學的方法來對數(shù)據(jù)進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)，該評價指標屬于GB15618—1995中的二級標準，評價土壤單項污染情況。變異系數(shù)，將標準差作為算數(shù)平均數(shù)的百分率來表示，以說明樣本的分散程度。本文利用內梅羅法計算重金屬的綜合污染指數(shù)。</p>&l

24、t;p>　　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/污染物質量標準。變異系數(shù)計算公式為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　內梅羅法的計算公式為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　這些算法需要通過柵格圖層統(tǒng)計

25、的運算，分析結果見表1。</p><p>　　表1 各功能區(qū)8種重金屬污染樣品所占比例</p><p>　　注：污染樣品即污染指數(shù)>1的樣品</p><p><b>　　圖4 綜合污染指數(shù)</b></p><p>　　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)>

26、;公園綠地區(qū)>山區(qū)</p><p>　　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

27、區(qū)與重金屬污染有莫大關系[8]。</p><p><b>　　2 結論與討論</b></p><p>　　GIS技術在空間地理數(shù)據(jù)分析中的作用十分強大。在處理該類問題中所應用到的技術是十分先進的。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)相結合，既能夠清楚的表達圖形數(shù)據(jù)又能夠與屬性數(shù)據(jù)結合聯(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

28、數(shù)據(jù)挖掘的技術已經(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技術能夠很好地從多角度來探尋地理信息。在研究城市表層土壤重金屬污染問題上，GIS技術能夠很好地解決[9]。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 曹靜，魏家紅，GIS技術的特點及其在環(huán)境保護中的應用[J].黃河水利職業(yè)技術學院

29、學報，2005年，17卷（2期）：78—80.</p><p>　　[2] 李 達,周生路,吳紹華, 經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)縣域尺度土壤重金屬污染區(qū)劃[J].農 業(yè)工程學報,2011年,1卷（10期） ：20-24.</p><p>　　[3] 伍光和，胡雙熙.自然地理學[M].北京：高等教育出版社，2008年4月：463-474.</p><p>　　[4] 劉湘南，黃方.

30、GIS空間分析原理與方法[M].北京：科學出版社,2008年7月：125-135.</p><p>　　[5] 張 宏，溫永寧.地理信息系統(tǒng)算法基礎[M] 北京：科學出版社, 2006年6 月：70-89.</p><p>　　[6] 朱求安,張萬昌,余鈞輝.基于 GIS的空間插值方法研究[J].江西師范大學學報，2004年3月，28卷(2期):183-188.</p>&l

31、t;p>　　[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].南京農業(yè)學報，南京農業(yè)大學學報，2005年，28卷(3期)：119-122.</p><p>　　[8] 尤冬梅，王紀華.北京郊區(qū)小尺度農產品產地土壤重金屬污染性評價[J].</p><p>　　上海農業(yè)學報，2011年，27卷(3期)：89-93.</p><p>　　[9]

32、高國棟,蔣棟.GIS技術研究及其發(fā)展趨勢[J].TECHOLOGY 技術應用，2011年，1卷(25期)：58-60.</p><p>　　Application of GIS Technology for Analyzing the Heavy Metal Pollution of Surface Soil in a City</p><p>　　Abstract: Using ArcG

33、IS, we analyze the characteristics of heavy metal pollution and the correlation between region’s function and pollution based on processing and analyzing the existing data. In this paper, the key GIS technology used to a

34、nalyze heavy metal pollution of surface soil, and the advantages and prospects of GIS technology used to solve the similar problems are mainly discussed.</p><p>　　Key words：Heavy metal pollution; Spatial ana