ArcGIS不同插值方法在镇海湾海水无机氮评价中的应用

关炯晖 何泽良 杨振杰

摘要：为充分发挥监测数据的作用，进而科学评价海洋环境和促进生态修复，文章分别采用ArcGIS的普通克里金法、反距离权重法和含障碍的样条函数3种插值方法，对2017年11月镇海湾海水无机氮监测数据进行插值分析，并通过插值结果比对选出最优方案。研究结果表明：通过对照点监测数据的验证，含障碍的样条函数的插值结果相对误差较小，比普通克里金法和反距离权重法更适用于海岸线复杂和岛屿众多的监测区域;根据含障碍的样条函数的插值结果制作镇海湾海水无机氮浓度空间分布图，并应用属性数据计算海水无机氮各类水质面积，与相关公报结论相符;合理采用ArcGIS插值方法对监测数据进行制图和计算，水质评价结果直观、可靠且具有应用价值。

关键词：插值;无机氮;水质评价;海水环境;环境监测

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（GIS）通过采集各种形式的空间数据，将其转化为同一坐标体系下的栅格或矢量数据，并对数据进行综合管理、分析和可视化[1]。ArcGIS是美国ESRI公司开发的基于GIS的应用平台，不仅可将复杂的空间和属性数据制作成图，而且具有强大的数据管理和信息分析功能[2]。

随着对大数据以及管理平台信息化和智能化的需求不断扩大，ArcGIS被广泛应用于各类规划和工程领域。国内学者将ArcGIS应用于生态环境评价，为管理部门提供科学决策依据：王柳柱等[3]应用ArcGIS提取舟山市近岸海域海水无机氮和活性磷酸盐的空间数据并建立数据库，通过制作高分辨率的营养盐浓度空间分布图，分析其污染状况;朱希希等[4]基于泰州市环境监测数据，探讨Excel的函数功能与ArcGIS相结合制作专题图;殷绪华等[5]应用ArcGIS结合遥感技术，模拟南京市方便水库汇水区各子流域的污染源强度和空间分布，结果可直观反映其汇水面积和污染状况，模拟误差低于10%。

目前已有不少基于ArcGIS分析水环境污染因子空间分布的相关研究，但缺少不同插值方法的对比分析以及对专题图属性数据的深化应用。

1 研究过程

1.1 监测区域

镇海湾是广东省江门市台山市汶村镇与北陡镇之间的海域，是典型的喇叭状河口区域，走向为NNW-SSE[6]。潮汐类型属不正规半日潮，海流以潮流为主，入湾水系主要有横山河、海晏河和汶村运河等。上游有珠三角地区最大的红树林湿地公园——广东镇海湾红树林湿地公园，中部和东南部是广东省重要的近江牡蛎纳苗和养殖主产区，下游入海口西南侧是滨海旅游度假区。

科学评价镇海湾的海洋环境，对管控海洋生态红线区的重要河口和滨海湿地具有重要意义，可为当地的生态修复以及渔业和旅游业发展提供参考。

1.2 准备工作

收集监测区域的高清影像以及江门市辖区陆地面和海域面的基础矢量图层。采用ArcGIS 10.2软件，并开启桌面应用ArcMap的地统计分析和空间分析等扩展模块。

本研究采用2017年11月镇海湾枯水期海洋与渔业环境监测的监测数据，包括站位的坐标（经、纬度须以十进制为单位）以及海水中氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐等的实测值。在监测区域布设7个站位，另随机布设2个对照点，对照点与站位同步监测，从而更合理和科学地验证插值结果。

1.3 制作站位空间分布图

将江门市辖区陆地面和海域面图层导入ArcMap。通过添加X、Y数据，导入含站位坐标和监测数据的Excle表格，地理坐标系为CGCS 2000，再将生成的要素另存为shp格式的空间数据。在导入后的站位空间分布图上，每个站位的标志已带有全部的属性信息。

1.4 插值分析

选择工具栏中的空间分析模块，可分别采用克里金法、反距离权重法和含障碍的样条函数进行插值分析。在ArcGIS众多插值方法中，这3种方法在水环境监测方面应用较多。

克里金法属于地统计分析方法，是采用半变异函数或协方差对随机数据进行空间建模和预测的回归算法，可给出线性无偏最优估算，被广泛应用于气象和地质等数据的空间插值[7]。反距离权重法和样条函数均属于确定性插值方法：反距离权重法以插值点与样本点的距离为基准加权平均，权重系数代表相关性随距离的增大而减小;样条函数利用分段定义的多项式拟合曲线，生成经过特定节点的平滑表面，而含障碍的样条函数可兼顾输入的障碍和输入节点数据的不连续性[8]。

在插值分析菜单中分别选择监测数据为输入点要素、各站位海水无机氮浓度为Z值字段以及辖区陆地面为障碍要素，生成监测区域的海水无机氮浓度晕渲图。

2 插值结果比较

本研究将采用不同方法的插值结果与实测值对照，并探讨其适用范围，从而得出最优的插值方案。根据7个站位的海水无机氮监测数据，分别采用普通克里金法、反距离权重法和含障碍的样条函数插值（图1至图3）。

由图1至图3可以看出，在监测数据相同的条件下，分别采用普通克里金法、反距离权重法和含障碍的样条函数，插值结果有所区别。采用2个对照点的监测数据验证3种方法的插值结果，其中含障碍的样条函数的插值结果的相对误差较小，2个对照点的相对误差分别为6.0%和13.2%。

根据监测区域的站位分布和实际情况，结合3种插值方法的原理和特点，本研究推断：普通克里金法适用于海岸线较平滑和开阔的监测区域;反距离权重法受监测数据最大值和最小值的影响较大，适用于站位分布较均匀的监测区域;含障碍的样条函数适用于海岸线复杂和岛屿众多的监测区域。

3 制图和计算

设置唯一值符号并整饰成图。以含障碍的样条函数的插值结果为基础，根据《海水水质标准》（GB 3097—1997），在图层属性选项中对海水无机氮浓度划分等级，并选择梯度色谱，制作监测区域海水无机氮浓度等值线图。由于样条函数插值方法的原理是根据特定节点拟合平滑曲线，以一类海水水质标准到劣四类海水水质标准为特定节点，形成海水无机氮浓度空间分布图（图4）。

由于插值结果仅是栅格数据，如应用其中的属性数据，须通过空间分析模块中的重分类、转为整型和栅格转面等操作，将插值結果导出为shp格式。将监测区域作为裁剪要素并加以融合，通过输出图层完成数据加工。更改图层数据框坐标系为投影坐标系CGCS 2000 3 Degree GK CM 114E，采用图层属性表的计算几何工具，即可根据含障碍的样条函数的插值结果计算监测区域各水质等级的面积。

经计算，2017年11月镇海湾海水无机氮浓度基本处于三类海水水质标准，占监测区域总面积的84.6%，结果与当年海洋环境质量公报相符。相关部门应重视上游工业排污和农业面源污染等，合理优化沿海产业布局，控制氮排放，促进生态修复。

4 结语

采用ArcGIS对监测数据进行制图和计算，所得空间分布图和分析数据可直观地反映镇海湾海水无机氮浓度由湾内到湾外的变化趋势，评价结果与当年江门市海洋环境质量公报相符。因此，合理采用插值方法，对现有监测数据进行模拟和预测，获得的水质达标率和优良比例等具有参考意义。

基于ArcGIS的评价结果不仅可应用于湖泊、河口和海洋等的环境质量评价，而且可结合可视化信息平台加强海洋综合管理和生态环境保护，从而更好地为管理部门决策提供科学支撑。

参考文献

[1] 董豫成.WebGIS城市地理信息查询系统[D].成都：四川大学，2005.

[2] 蒋波涛.插件式GIS应用框架的设计与实现[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3] 王柳柱，朱望远，夏枫峰.基于ArcGIS的舟山近岸海域营养盐空间分布研究[J].浙江海洋学院学报（自然科学版），2014，34（2）：115-119.

[4] 朱希希，卜伟，朱宇芳，等.ArcGIS和Excel在生态环境状况评价工作中的应用[J].安徽农业科学，2016，44（5）：309-311.

[5] 殷绪华，朱亮，陈琳，等.ArcGIS在水源地污染源强度空间分析中的应用[J].河海大学学报（自然科学版），2018，46（5）：395-401.

[6] 陈则实.中国海湾志（第十分册）[M].北京：海洋出版社，1999.

[7] 李俊晓，李朝奎，殷智慧.基于ArcGIS的克里金插值方法及其应用[J].测绘通报，2013（9）：87-90.

[8] 符德龙，吴雪梅，陶佩杰，等.基于GIS的毕节烟地土壤厚度空间插值方法比较研究[J].贵州大学学报（自然科学版），2018，35（6）：48-52.