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

1、<p>　　南陽師范學(xué)院20XX屆畢業(yè)生</p><p><b>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</b></p><p>　　題 目：GIS技術(shù)在城市表層土壤重金屬污染 </p><p><b>　　分析中的應(yīng)用</b></p><p>　　完 成 人：

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

3、指導(dǎo)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(zhuǎn)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(jié)論與討論(4)</p><p><b&g

5、t;　　參考文獻(xiàn)(14)</b></p><p>　　Abstract(15)</p><p>　　GIS技術(shù)在城市表層土壤重金屬污染</p><p><b>　　分析中的應(yīng)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(chǔ)上，對重金屬污染特征及與功

6、能區(qū)之間的關(guān)聯(lián)等展開研究。本文重點(diǎn)探討了在城市表層土壤重金屬污染分析中所運(yùn)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。</p><p>　　關(guān)鍵詞：重金屬污染；空間分析；空間插值；GIS應(yīng)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(dòng)，故會(huì)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

7、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(diǎn)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。</p><p>　　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

8、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(shí)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(píng)價(jià)，而且可以有效地對多時(shí)期的資源環(huán)境狀況及生產(chǎn)活動(dòng)變化進(jìn)行動(dòng)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(gè)共同的信息流，明顯地提高

9、工作效率和經(jīng)濟(jì)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(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(gè)采樣點(diǎn)對表層土（0~10 厘米深度）進(jìn)行取樣、編號(hào)，并用GP

10、S記錄采樣點(diǎn)的位置。應(yīng)用專門儀器測試分析，獲得了每個(gè)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(diǎn)，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(diǎn)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。</p><p>　　圖1 為樣本點(diǎn)建立分析區(qū)</p><p>　　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)有莫大的聯(lián)系?；?/p>

11、于此，要根據(jù)已得到的采樣點(diǎn)所屬功能區(qū)劃分城市功能區(qū)。由此可以采樣點(diǎn)圖層創(chuàng)建泰森多邊形。將每個(gè)采樣點(diǎn)的重金屬濃度分配給與本采樣點(diǎn)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(gè)采樣點(diǎn)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(diǎn)的性質(zhì)

12、來描述泰森多邊形區(qū)域的性質(zhì)；可用離散點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算泰森多邊形區(qū)域的數(shù)據(jù)；判斷一個(gè)離散點(diǎn)與其它哪些離散點(diǎn)相鄰時(shí)，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(gè)離散點(diǎn)相鄰；當(dāng)某一數(shù)據(jù)點(diǎn)落入某一泰森多邊形中時(shí)，它與相應(yīng)的離散點(diǎn)最鄰近，無需計(jì)算距離[4]。</p><p><b>　　1.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(gè)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)。</p><p>　　柵格和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。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(jì)分析。觀察各種重金屬濃度在各個(gè)地域的變化，研究其分布特征。&

14、lt;/p><p>　　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(diǎn)、線、面，因而矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)上是解決點(diǎn)、線和面數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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(gè)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

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(diǎn)，越可能具有相似的特征值，而距離越遠(yuǎn)的點(diǎn)，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(huì)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(biāo)：(1)對不足或缺失數(shù)據(jù)的估計(jì)，由于觀測臺(tái)站分布的密度及分布位置的原因，不可能任何空間地點(diǎn)的數(shù)據(jù)都能實(shí)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(tái)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

17、不同分區(qū)未知數(shù)據(jù)的推求。</p><p>　　進(jìn)行空間插值時(shí)，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(jì)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(jì)算；(4)對插值結(jié)果的評(píng)價(jià)；(5)運(yùn)用多種插值方法進(jìn)行計(jì)算，對各種方法的插值結(jié)果進(jìn)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(xiàng)復(fù)雜的運(yùn)算，具體要忽略掉相關(guān)性很小的采樣點(diǎn)的影響。此時(shí)首先就要確定采樣點(diǎn)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(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理加工，找出其統(tǒng)計(jì)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

19、法。本課題檢驗(yàn)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(cuò)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(yàn)樣點(diǎn)分布的統(tǒng)計(jì)圖，如果被檢驗(yàn)的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)符合所指定的分布，則代表樣點(diǎn)的點(diǎn)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(yàn)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(diǎn)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

20、投影后曲線是平直，表明沒有趨勢，如果多項(xiàng)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(diǎn)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。</p><p>　　當(dāng)區(qū)域化變量Z(x)的數(shù)學(xué)期望E[Z(x)]=m為未知數(shù)的時(shí)候，常用到普通克呂格法進(jìn)行局部統(tǒng)計(jì)。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(jī)誤差。普通克呂格作為一種估計(jì)方法，有獨(dú)特的靈活性。在運(yùn)用普通克呂格法進(jìn)行局部估計(jì)時(shí)，設(shè)待估塊段為V，中心為x,其平均值為ZV。則</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　在待估塊段V的領(lǐng)域內(nèi)，存在一組n個(gè)已知樣點(diǎn)，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(jì)量，由幾個(gè)已知點(diǎn)觀測值構(gòu)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(gè)條件時(shí)，得到線性無偏，最優(yōu)估計(jì)量。</p><p>　　（1）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(jì)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(shí)，可能遇到統(tǒng)計(jì)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(píng)價(jià)方法有：土壤單項(xiàng)污染指數(shù)，該評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于GB15618—1995中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)土壤單項(xiàng)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(jì)算重金屬的綜合污染指數(shù)。</p>&l

24、t;p>　　土壤單項(xiàng)污染指數(shù)計(jì)算公式為：土壤單項(xiàng)污染指數(shù)=土壤污染物實(shí)測值/污染物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。變異系數(shù)計(jì)算公式為：</p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　內(nèi)梅羅法的計(jì)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(jì)

25、的運(yùn)算，分析結(jié)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(gè)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(guān)系[8]。</p><p><b>　　2 結(jié)論與討論</b></p><p>　　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(dòng)，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(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]。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 曹靜，魏家紅，GIS技術(shù)的特點(diǎn)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

29、學(xué)報(bào)，2005年，17卷（2期）：78—80.</p><p>　　[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(bào),2011年,1卷（10期） ：20-24.</p><p>　　[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.</p><p>　　[4] 劉湘南，黃方.

30、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.</p><p>　　[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, 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(xué)學(xué)報(bào)，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(jià)分布研究[J].南京農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005年，28卷(3期)：119-122.</p><p>　　[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(píng)價(jià)[J].</p><p>　　上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011年，27卷(3期)：89-93.</p><p>　　[9]

32、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.</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