GIS技术在水质污染评价中的应用研究Word格式文档下载.doc
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1997年1月，联合国在《世界淡水资源的全面评估》的报告中指出：
水资源短缺将严重制约世纪社会经济的发展，并可能导致国家间的冲突。
中国水环境问题亦非常严峻，随着我国城市化水平的提高和城市经济的发展，流经城市的河段普遍受到污染，其中为一劣类水质在个环保重点城（市直辖市、省会城市、经济特区、沿海开放城市和重点旅游城市）的典型水域中，25%为Ⅳ类水质，10.6%为Ⅴ类水质，29.8%为劣Ⅴ类水质。
水环境质量的不断恶化，导致了可利用水资源的进一步减少，加剧了水资源的供需矛盾[1]。
据1999年《中国环境状况公报》显示，河流以有机污染为主，主要污染物是氨氮、生化需氧量、高锰酸盐指数和挥发酚等；
这些因素构成了水环境问题影响范围广，危害严重，治理难度大等特征。
为了有效利用水资源、减少水污染,必须对水环境实行综合管理和控制，以达到水体的环境质量目标。
1.GIS在水质污染评价中的应用
1.1地理信息系统简介
地理信息系统（GeographicInformationSystem，GIS）是一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科，它是在计算机软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。
地理信息系统能对地理空间数据和信息实现输入、存储、管理、检索、修理和综合分析。
具体来讲，它是一个对空间数据（实体的地理位置）和非空间数据（实体和各种属性）进行处理的技术系统,它对数据处理、管理和分析的巨大功能已经广泛地被应用于许多领域。
除此之外，GIS还是一个计算机制图系统，其贮存的数据，分析的结果，都可以输出成各种专业图件和辅助说明文件。
在GIS中地图是以专题图层的方式显示的。
每个专题图层都是一类图形要素实体的集合，如河流、村庄、公路等。
传输的信息主要是专题要素的空间分布状态、质量差异、数量差异及动态变化。
专题图层是用于分析和表示数据的一种强有力方式，它通过对某个特定专题在地图上进行渲染，使信息数据以图的形式在地图上生动地体现出来，清楚地看出数据记录中难以发现的变化趋势和规律。
各个图层之间可以通过图形要素属性数据联系在一起，这就为空间分析提供了很好的条件[２]。
1.2GIS在水质污染评价分析中作用
GIS在水质污染评价分析中的作用主要体现在以下几个方面：
①建立水质污染指标和水质环境相关文件数据库。
②利用GIS技术对水质污染监测网络进行设计，水质污染监测收集的信息又能通过GIS时实储存和显示，并对所选评区域进行详细的场地监测和评价分析。
③GIS能够集成与场地和建设项目有关的各种数据及用于水质污染评价的各种模型，具有很强的综合分析、模拟和预测能力。
④GIS能够提供快速反应决策能力。
⑤GIS具有很强的数据管理、更新和跟踪能力，能协助检查和水质污染评价相关单位和工程建设单位履行各种职责，并向治理水质污染相关单位提供决策方案。
2.本文主要研究的内容和意义
2.1研究区域的概况
上海市地处长江口，为平原感潮河网地区，属太湖流域。
上海的水系既受上游来水影响，又受到来自东海的潮汐作用，水流特性为往复流。
全市水面积687.7km2，占全市总面积的11.1%，主要河流为长江和黄浦江。
为根除区域性灾害和水环境治理需要，全市划分了14个水利控制片：
嘉宝北片、蕴南片、淀北片、淀南片、浦东片、青松大控制片、太北片、太南片、浦南东片、浦南西片、商塌片、崇明岛片、长兴岛片、横沙岛片。
其中黄浦江上源有3条，主要水源来自太湖和淀山湖。
从淀山湖出口至吴淞江口全长113.4公里，是太湖最重要的排水出海通道。
在上海县境内，东岸流经鲁汇、杜行、陈行、三林4乡，北岸和西岸流经马桥乡、塘湾乡、曹行乡、龙华乡和龙华镇。
全长35公里（含闵行区段），西自女儿泾口起，向东至闸港折北至龙华镇出境。
自女儿泾至闸港段称南黄浦，江南为松江、奉贤县境，江北有一段为闵行区境，江面宽300～450米，河底高程—10米左右；
自闸港向北称东黄浦，江面宽至600～700米，河床也逐渐加深至—15米左右，过龙华镇以后江面又收束到450米左右。
2000年，上海全市年废水排放总量为19.32亿t，日排放量为529.32万t。
其中工业废水全年排放总量为7.20亿t，日排放量为197.26万t，占废水总量的37.27%，生活污水全年排放量为12.12亿t，日排放量为332.05万t，占废水总量的62.73%035.9%的工业废水通过管道截流外排，其余的污水或经过处理或不经过处理，均直排人全市各大小河流。
2000年，综合评价污染河段（Ⅳ类水质以下的河段）长445.9km，占评价河段总长的93.0%。
枯水期，Ⅲ类河段占河道总长4.0%，Ⅳ类河段占32.0%；
Ⅴ类河段占35.0%.劣Ⅴ类河段占29.0%；
丰水期，Ⅲ类河段占河道总长3.0%，Ⅳ类河段占54.0%，Ⅴ类河段占20.0%，劣Ⅴ类河段占23.0%。
黄浦江全江段全年水体水质在Ⅳ类至Ⅴ类之间。
各类水质河段中，N类占干流全长81.3km的69.0%，Ⅴ类水占31.0%。
其中污染指标中NH3-N是黄浦江最具代表性的有机污染指标物，石油类和挥发酚是主要的有毒有害污染物。
大量的生活污水和市郊密集型的农业生产（包括禽畜养殖业）是全市有机污染的主要产生源，而化工、轻工、纺织、医药等大型工业企业，虽然也是COD,NH3-N等的排放大户，但从总量上讲，比重已大大下降［３］。
2.2研究的目的与意义
依据上海市黄浦江水质污染数据，简略介绍建立黄浦江水质污染数据库的过程，并通过数据库相关数据对黄浦江水质进行评价分析，为黄浦江水质污染治理提出一点决策数据。
初步介绍地理信息系统在水质污染评价中的应用方法。
3.GIS在水质污染评价分析的相关研究
3.1基于GIS工作平台上的河流污染评价规划
GIS具有强大的空间数据管理系统、形象直观的应用界面、强大的空间分析能力等特点，能为现实地理空间上的物质和能量运动规律的研究提供方便、准确的管理和空间分析手段。
随着GIS技术应用的不断扩展以及河流保护管理工作的迫切需要，GIS技术已广泛用于河流资源管理、河流监测、河流评价、灾害评估、区域流域河流规划等众多领域,成为河流管理的有效决策支持工具。
同时河流信息数据一般都具有空间特性，借助于GIS软件的空间分析能力，把河流信息的空间位置与属性特征一体化，使环境信息能在区域平面上充分展示其科学内涵。
河流污染评价规划中所需的一些统计，监测数据和图表等比较琐碎。
如何在计算机中对这些原始数据和新生成的数据进行合理规划地处理和管理，是数据信息能在整个规划步骤中共享，是河流污染控制规划的一个重要研究方向。
在这一方面，GIS已经具有了一定成果，一般来说，给予GIS的区域水质污染评价规划方案如图1所示。
水质污染控制规划对象
水质污染控制规划的数据包
水质污染控制规划模型库
面向用户的信息系统
用户所需的数据，图表等信息
数据库及管理信息系统
图1 基于GIS的水质污染评价规划[4]
3.2水质污染GIS数据库的建立
地理信息数据包括空间数据和属性数据两部分。
其中，空间数据是指描述图面上空间对象的形态及位置的数据，如点的位置坐标，线的坐标数据列等，空间对象通常称为空间特征；
而属性数据是描述空间特征的相关数据，如果图面上的多边形代表河流面，那么河流名称，面积，水存量的大小等数据就是属性数据。
根据地理信息的特点，在数据输入时，采用了空间信息和属性信息分别输入，最后关联的方法。
其工作的主要环节包括：
空间数据的数字化采集，属性数据输入，数据格式转化与处理，数据核对与校验，数据关联等。
其基本工作流参见图2所示。
地理信息数据库建立
数据采集
数据输入
建立拓扑关系
数据校验
数字化
投影与坐标转化
键盘输入
数据格式转化
拓扑关系式
属性数据库文件
特征属性表
联库
数据核对
空间-属性匹配性检验
数据采集原则，空间-属性数据标准，空间数据编码制定等数据处理工作
图形数据源
属性数据源
空间数据库
逻辑检验
图2地理信息数据库的工作的流程[4]
3.3基于GIS在水质污染评价功能
通过GIS在水质污染评价中的规划及对水质污染相关数据建立数据库等步骤可以实现以下几个功能。
（1）特征信息分类
水质污染控制规划中涉及到的数据信息，按其来源可分为以下几类：
①有关地方的国民经济统计资料，包括社会经济未来发展规划的指标信息；
②污染及所生成的污染物基础数据，包括未来经济发展引起的污染源及污染物的增减信息；
③城市排污管网信息；
④水域单元的特征信息，如水文条件，污染物背景值几个功能区水域单元水质目标等；
⑤控制规划中新生成的特征信息，如模拟计算出的各功能区水域流场分布及浓度场分布特征信息，污染物的允许排放量或消减量信息以及经济评价中优化的管网信息等。
（2）特征信息的管理，查询及分析
以归类的特征输入计算机后，还需进行编辑和规范，以便于存储管理，查询及分析。
与空间有关的信息可以用地图形式表示和存储；
而那些克脱离地图的属性信息，可用于GIS工具相兼容的商业数据库制作成数据包，以增强数据信息的可移植性。
如用sybase,oracle等存储管理给予arc/info平台的数据信息；
用msexcel,lotus1-2-3等存储管理给予mapinfo平台的数据信息等。
在水质污染规划中，各功能区水域单元水质分布，城市排污管网分布等可用地图的形式存储管理；
而国民经济统计资料，污染物的种类及数量可用兼容的数据库形式存储管理。
对各种特征信息可进行查询空间分析，如流场与浓度的叠加分析等。
（3）特征信息的输出
面向用户的信息系统可通过显示屏，打印机或绘图仪等输出设备，显示或输出系统中各种特征信息（包括耦合属性信息与空间信息的特征信息）。
输出的信息可以是数字，图表及数字和图表向结合的形式。
如不同概率保证下的功能区河流环境容量结果信息，排污口的分布及允许排放或减量信息等[4]。
4.GIS在黄浦江水质污染评价中的应用实例
4.1数据的来源
试验数据包括实地测量得到的黄浦江水质参数数据（见表1）以及黄浦江水质监测站点（文本文档）的坐标数据和一幅原始的ETM遥感图。
表1同步测量得到的水质参数
序号
监测断面
水温
悬浮物
溶解氧
高锰酸盐指数
五日生化需氧量
总磷
总氮
浊度
1
徐浦大桥
27
64.6
2.8
7
5.6
0.236
2.87
99
2
淀浦河
98.2
8.4
5.2
0.359
3.99
233
3
川杨河
25
95.6
3.3
4.9
6.1
0.201
3.27
155
4
黄浦江龙华港口
26.8
108
6.2
0.276
2.76
151
5
龙华港
25.4
104
1.2
8.6
0.523
6
43
江南造船厂
26.6
81.6
1.3
6.5
0.214
2.7
143
南浦大桥
26.4
113
3.4
0.258
2.84
207
8
十六铺
120
5.8
0.273
3.31
277
10
黄浦江苏州河口
70.4
2.4
6.4
6.3
0.247
3.65
132
11
东方明珠
97.4
7.2
0.251
125
12
杨浦大桥
67.4
6.7
6.8
3.47
100
13
共青森林公园
133
2.2
6.6
0.268
3.57
204
14
军工路张华浜
25.6
181
4.2
4.8
0.204
2.13
211
16
吴淞港大桥外侧
25.8
196（59.6）
5.1
0.188
2.3
279
17
103灯
150（71.5）
5.3
3.8
1.99
228
18
101灯
80.4
3.7
4.6
0.17
1.75
206
20
长江32号灯
24.4
101
0.13
1.54
283
4.2数据预处理过程
⑴建立水质监测站点的shapefile点图层步骤：
①在arcview中在tables中导入水质监测站点.txt文件；
②同时打开一幅新的view视图，通过视图工具（view）中的（addeventtheme）加载文本数据并显示视图于新的view中；
③通过theme中的converttoshapefile工具生成一幅水质监测站点的shapefile点图层文件，保存图层文件:
。
⑵原始遥感ETM图像校正
由于ETM图数据是原始数据，投影方式和坐标系统与水质监测站点shapefile点图层不同，若将ETM原始数据与水质监测站点的shapefile点图层叠加会出现数据不对称，所以先要将ETM原始数据依据水质监测站点的各监测站点的坐标数据为控制点（GCP）对ETM图像校正。
最终实现ETM图与水质监测站点图的投影方式和坐标系统一致，从而实现两幅图层在ARCGIS软件的叠加。
具体步骤如下：
①打开遥感软件ENVI，加载未图形校正的ETM数据，选择R：
7G：
4B：
3的彩色图像显示（图形颜色更加接近地物特征）；
②将水质监测站点shapefile文件通过图像窗口中overy中的vectors功能选择加载数据格式选择文件，要注意的是在视图窗口中选择off选项，便于图像校正时选取控制点；
③对图像校正选择map-registration中的selecltgcp:
imagetomap，在imagetomapregistration中选择geographiclat/lon投影方式；
④在groundcontrolpointsselection窗口中通过在图像窗口中选取水质监测站点的点位控制点，尽量使点的选取准确，选取的点的坐标会在groundcontrolpointsselection窗口中的imageximagey显示。
同时在arcview中打开水质监测站点的shape文件查看对应的控制点坐标数据，并在ＥNVI中一一对应输入站点的坐标信息，依次选取并加载17个站点的坐标，并保证误差在0.2范围，本文从水质监测站点图层和原始的ETM图上提取了17个控制点进行校正，配准总误差为0.007237。
通过图像校正后的ETM图可以与水质监测站点数据进行叠加，如下面图所示是ETM未校正的图（图３）和已校正的ETM图（图4）的比较。
图3未校正的ETM图图4已校正的ETM图
⑤最后在warpfile生成ETM校正后的图。
为了使校正后的ETM图布能直接在ARCGIS软件中打开，对校正后的ETM图输出成Arcgis能识别的tiff/geotiff格式具体操作为：
file-saveimageas-imagefile-设置参数，选择outputfiletype（tiff/geotiff），并保存路径。
4.3水质污染数据库的建立
（1）研究区域边界的划分
数据库设计应尽可能地考虑到将来的应用需求，以提高数据库的应变能力，避免应用过程中对数据库做太大或太多的修改，黄浦江污染的研究区域主要集中在黄浦江及与黄浦江相连的支流，周边环境区域，如黄浦江研究区域分成：
A中国及华东地区行政区
B上海市行政区
C黄浦江中心区域（用于项目中河流污染评价控制的重点研究范围）
其中，河流评价控制示范区域项目是以黄浦江的1：
10000地图作为基础地形信 息，其中含有河流，周边的工厂地点及其名称等内容。
为了给河流污染评价控制决策分析提供详细的地形及相关信息，在黄浦江的中心区域，采用1：
10000基础地形图其中包括几类的周边会产生污染的源点污染调查及分析等属性数据。
与河流污染评价有关的管线图件，如相连支流系统，工厂点分布，居民点等，以独立的图层存放，可叠加与黄浦江1:
10000地形图中。
行政边界包括黄浦江等各级行政边界，以独立的图层存放，可用于多边行叠加及面状范围内各种专业信息的查询，统计。
其他点状相关信息：
指用于在基础地形图上叠加的工厂，居民点，重要部门，河流治理相关的部门等各类重要信息。
（2）确定主要数据层
根据河流污染评价控制的目标要求，对项目涉及的基础地理数据，河流水质数据等，分别确定所需要的各个数据层。
例如，针对黄浦江污染信息图，将其分为黄浦江流域水系数据层，污染源点数据层等。
（3）确定每个数据层的特征类型
ARCGIS将空间对象划分为点（POINT），线（LINE），面（POLYGON）。
对不同的数据层要确定不同的空间特征，如黄浦江为多边形特征，污染源为点特征，与黄浦江相连的河流为线性特征等。
本文在ARCGIS软件中ARCCATALOG建立一个名为黄浦江的线状图层，投影方式和坐标系统选择和校正后的ETM图像的一致模式。
一次将该线状图层和校正后的ETM图加载到视图窗口，激活图层编辑工具，选择对黄浦江线状图层进行编辑，依据校正后的ETM图在黄浦江图层中粗织绘画出黄浦江的大致线状要素，并保存为黄浦江线状shapefile文件。
（4）确定赋予图面对象的属性信息
根据项目的需要，确定描述图面对象的属性信息，建立属性数据库，并通过编码与对象保持关联。
对于可以在图上得到的信息，如黄浦江1：
10000图中的主要与之相连的河流名称，直接读出并录入。
对于图上不能直接得到的信息，如黄浦江1：
10000图中每一条与之相连的河流流量，面积，深度，宽度等，要根据另行调查分析的数据，手工录入或将现有的数据转换成可用的格式，在本文中在ACCESS中创建一张水质监测断面污染指数的数据库表格（表2）。
表2同步水质站点指数表
（5）组建数据库
在ARCCATALOG中建立一个命名为黄浦江水质污染分析的数据库（Personal Geodatabase）并将上述所确定的数据依次导入到黄浦江水质污染分析的数据库。
4.4黄浦江水质污染分析
4.4.1ARCGIS空间插值方法
空间插值是一种通过己知点或分区数据，推求任意点或分区数据的方法。
空间数据内插可以作如下简单的描述:
设已知一组空间数据，它们可以是离散点的形式，也可以是分区数据的形式，现在要从这些数据中找到一个函数关系，使该关系式最好地逼近这些已知的空间数据，并能根据该函数关系式推求出区域范围内其它任意点或任意分区的值。
常用于将离散点的测量数据转换成为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括空间内插和外推两种算法。
空间内插算法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法;
空间外推算法则是通过已知区域的数据，推求其它区域数据的方法[5]。
其中点空间插值方法主要有：
⑴反距离加权插值（InverseDistanceWeighted,简称IDW）是基于相近相似的原理：
即两个物体离得近，他们的性质就越相似，反之，离得越是远相似性越小。
⑵克里格方法：
这个方法的假设前提是采样点间的距离和方向可反映一定的空间关联，并用他们来解释空间变异。
克里格方法利用一定的数学函数对特定或是给定搜索半径内的所有点进行拟合来估计每个点的值。
该方法是用与已知数据含距离和方向上的偏差的情况，常用于社会科学研究及地质学等学科
⑶领域法：
是类似于反距离权重法，是一种权重平均算法。
⑷样条函数法：
是它采用样本拟合关滑曲面，并其曲面最小。
通过一定的数学函数对采样点周边的特定点进行拟合，且结果通过所有采样点。
该方法适用于渐变的表面属性，如高程、水深、污染集度等。
不适合在短距离内属性值有较大变化的地区，那样估值结果往往会偏大。
本文对水质监测站点污染指数的空间分析所使用的就是这个法[6]。
4.4.2数据点源空间分析处理
①在arcgis中打开黄浦江水质污染分析数据库的所有图层，包括水质监测站点点图层、黄浦江线状图层、ETM校正图及ACCESS中的同步监测站点属性表.
②右击水质监测站点点状图层选择链接（JOIN）将创建好的access表格同步监测站点数据表链接到水质监测站点属性表中，其中选择同名属性字段——序号。
链接后，水质监测站点的属性表如表3所示。
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