基于GIS的土壤重金属污染分析与模拟系统设计

王 建，戴秀清，刘晓凤，李 灿，任安晶，李功权*

（1.长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100）

土壤重金属污染具有不可逆性、难治理性等特点，将导致有害物质在土壤、农作物中大量积累[1]。近年来，随着社会经济的快速发展，我国土壤环境总体状况堪忧，土壤中重金属含量不断增加，部分地区污染较严重，主要为砷、汞、铅、镉、铬、铜、锌、镍等重金属污染[2]，给生态环境和食品安全带来了严重的威胁[3]，不利于环境的可持续发展。本文通过对已有的重金属污染源进行科学管理，结合GIS的空间分析能力，将空间数据与土壤重金属污染相结合；再利用重金属污染二维模拟算法对重金属污染进行模拟和分析，从而预测重金属污染的空间分布；然后结合GIS的多种可视化手段，更加直观地表示重金属污染源的相关信息和模拟结果，方便有关环保部门对重金属污染源进行查询和管理，有利于环保部门及时解决、改善和管理重金属污染问题。因此，开发土壤重金属污染分析与模拟系统具有重要的应用价值。

1 需求分析与系统设计

1.1 需求分析

土壤重金属污染分析与模拟系统的主要任务是在组织和管理重金属污染源的基础上，对重金属污染进行模拟，并利用多种空间分析方法对其进行分析，为相关部门及时解决重金属污染问题提供决策依据。根据用户权限，系统将用户分为管理员用户和普通用户两类。普通用户可实现属性查图、图查属性，可通过绘制区域查询多元数据，也可查询不同数据集之间的样本点信息。系统需提供多样化的方式对重金属污染源进行展示，如柱状图等，从而帮助用户在数据源过多的情况下，更加直观地掌握重金属污染源的相关信息。当选定重金属污染源时，该污染源可高亮显示，并可对其进行模拟，直观展示模拟结果，以便对土壤重金属污染程度进行评价。管理员用户除普通用户的需求外，还需要数据输入输出功能。多样化的空间分析方法（如表面等值线等）可以帮助用户了解当地的污染情况，对污染源的扩散、周围土壤的被污染情况等进行分析，从而为污染修复工作提供参考依据。

1.2 系统架构设计

土壤重金属污染分析与模拟系统的总体架构主要分为请求处理层、业务逻辑层、通用处理层和数据持久层4层（图1）。开放接口主要采用SuperMap的IClient、Openlayers和Jquery等实现；业务逻辑层由Tomcat进行服务发布，业务逻辑层和数据持久层之间利用Java的SSM架构进行沟通管理；通用处理层与外部接口之间由SuperMap的IServer进行管理；数据源为MySQL数据库。

图1 土壤重金属污染分析与模拟系统总体架构

2 系统功能设计

土壤重金属污染分析与模拟系统以空间数据和属性数据为基础，依托数据库技术和SuperMap桌面版，实现了对空间数据和属性数据科学高效地组织与管理；利用GIS的空间分析和专题图制作等功能对重金属污染进行分析和展示；并结合点状重金属污染源二维扩散算法进行重金属的二维污染模拟和热力图展示。根据上述需求分析，基于GIS的土壤重金属污染分析与模拟系统主要分为地图浏览与基本操作、查询、空间分析、展示、重金属污染模拟5个模块（图2），其中地图浏览与基本操作模块包括地图浏览、图层切换、图层缩放、增添数据和用户登录注册5个功能；查询模块包括点击查询、SQL查询、绘制查询和数据集4个功能；空间分析模块包括缓冲区分析、泰森多边形和表面等值线3种空间分析方法；展示模块具有多种专题图展示功能；重金属污染模拟模块包括二维模拟和热力图显示两个功能。

图2 土壤重金属污染分析与模拟系统总体功能模块设计

2.1 重金属污染模拟模块

通过研究对流—弥散模型的稳定流扩散，本文将影响土壤重金属污染的主要传播途径归为随流扩散[4]。重金属污染源二维扩散算法主要是将随流作用与分子扩散作用相结合，由于分子扩散运动符合Fick扩散定律[5]，则有：

对其求解可得重金属二维污染模拟，即

式中，C为浓度；Dx、Dy分别为x和y方向的扩散系数；(x0,y0)为点污染源所在位置；(x,y)为污染到某一点的坐标；M为瞬时污染强度；ux、uy分别为x和y方向的水流扩散速度。

根据不同的重金属类型，用户在前端将该重金属对应的污染元素值传送到后端，后端据此查询该点的坐标(x,y)、扩散系数等相关信息；再将相关数据代入重金属污染源二维扩散模型中求解，得到该处对应的重金属污染浓度；然后以污染源为中心，通过双层循环遍历一个N×N的矩形，可以得到矩形中每个(x,y)处对应的浓度，当计算值小于某一特定值时，将其剔除，从而减少不必要的数据量和提高数据的准确性，若是多点源覆盖的情况，则将值进行叠加；最后将数据返回给前端，前端接收数据后，结合Echarts和IClient提供的热力图接口对污染模拟进行动态效果展示[6]，从而让重金属污染扩散的可视化效果更加直观。

2.2 空间分析模块

该模块利用表面等值线、泰森多边形等多种分析方式，对污染源的扩散、周围土壤的被污染情况进行分析，为污染修复工作提供参考。

泰森多边形将相邻的重金属污染源点连接成三角形，并作其各边的垂直平分线；再将每条垂直平分线的交点连接起来，即可得到一个多边形，称为泰森多边形。重金属污染浓度异常值包括全局异常值和局部异常值两种，其中全局异常值是指相对于某种重金属污染浓度数据集的所有值而言具有非常高值或非常低值；局部异常值是指虽然处于某种重金属污染浓度的正常范围内，但其值与周围点相比显得异常高或异常低。 因此，可通过构建泰森多边形后检查某个多边形附近是否存在符号色彩差异很大的多边形来确定是否存在异常值。表面等值线是将某种重金属污染值通过内插法插值后绘制而成的等值线。根据等值线的疏密变化和空间变化趋势可直观了解土壤重金属污染源的分布与变化规律，为土壤重金属污染防护与修复工作提供参考依据。缓冲区分析以点、线、面实体为基础，自动建立所选要素周围一定宽度范围内的缓冲区多边形图层。通过重金属污染源二维扩散算法可得到点污染源的最大可扩散距离，以最远距离为最远范围，即可在系统中分析重金属污染源扩散危及的范围，从而为有关部门的土地作物选择提供数据支撑。

2.3 展示模块

该模块通过点聚合显示、饼状图、柱状图等多种可视化手段，将各类重金属元素的污染情况展示在地图上。用户可以根据自己的需求，选择可视化的具体方式。

1）点聚合显示。当污染源点过多时，需采用点聚合效果，从而解决大量污染源点相互压盖、底图加载卡顿等问题。通过聚合显示，能更加直观地展示区域污染源点的密度。

2）单值柱状图专题图。选择指定种类的污染源，生成单值柱状图专题图。柱状高度越高，表示该污染源的污染程度越严重。

3）柱状图专题图。选择一种或多种污染源，生成分组式柱状图专题图，可直观显示各种污染源在同一区域的污染程度，便于提出针对污染种类的防护措施。

4）饼状图专题图。选择指定污染源种类或多种污染源生成饼状图专题图，可直观显示各类土壤重金属数量与各种污染源数量总和的比例。

5）玫瑰图专题图。选择指定污染源种类或多种污染源生成玫瑰图专题图，点状符号作为特定区域污染源总数量，通过配合颜色、方向等多种变量，产生多变的图形扩展，将各类重金属含量显示在图上，可重点突出污染严重的重金属种类。

2.4 查询模块

该模块提供了点击查询、绘制查询、SQL查询和数据集等功能。通过多种查询方式，查询不同重金属污染采样点的各种重金属浓度。点击查询是通过鼠标点击采样点，将该点放入数据集中，被选对象高亮显示，以饼状图和漏斗图显示各种重金属浓度。绘制查询是通过绘制多边形，获取多边形覆盖的点集合，被选点集合高亮显示，以饼状图和漏斗图显示点集合中采样点的各种重金属浓度。SQL查询是指在客户端合成查询SQL语句，再向服务器提交，进行SQL查询；通过选择重金属的种类和浓度等级，显示查询得到的点集合，查询结果在图形显示窗口中高亮显示，其属性以饼状图和漏斗图显示。数据集可保存当前查询到的样本信息，并可通过点击上一点或下一点查询数据集中样本点的信息。

2.5 地图浏览与基本操作模块

系统提供用户登录注册、地图浏览、图层切换、图层缩放等基本功能的同时，还提供了选择高亮显示功能，即选择特定污染源种类后，将在地图上形成高亮区域进行显示；支持多种导入数据格式的输入输出，如Excel格式重金属污染源数据的输入输出，也可在系统中直接录入污染源数据。

3 系统开发环境与功能实现

3.1 实现采用条件

根据现有软硬件资源和实际需要，基于GIS的土壤重金属污染分析与模拟系统采用B/S体系结构，在Windows 10操作系统上实现，利用开源的MySQL数据库组织和管理空间数据；前端采用具有解译性、动态性、跨平台性等特点的Javascript语言[7]，后端采用具有面向对象、跨平台性、安全与健壮性的Java语言编写；利用IDesktop对矢量图层进行编辑，对坐标系和投影进行设置；在IDesktop中将生成的数据发布到本地服务器的IServer中。

3.2 系统功能实现

3.2.1 重金属污染分析功能

以空间分析模块中的表面等值线分析为例，在弹出的下拉选择框中选择不同重金属元素，此处选择As元素，后端将As点污染源二维扩散算法计算后的值存放到相关的表中，并将信息传送给前端，前端通过IClient提供的接口实现表面等值线分析。各区域土壤重金属污染程度如图3所示，线越密集，重金属污染程度越严重；线越稀疏，重金属污染程度越轻微，据此可提出合理且具有针对性的有效防治措施，顺利开展工作。

图3 表面等值线分析结果

3.2.2 重金属污染模拟扩散功能

在重金属元素选择栏中选择元素类型，此处选择Cd元素，将Cd元素污染模拟后的数值传输给IClient提供的热力图接口，并将模拟结果生成的热力图显示在主界面，如图4所示，其中深色区域为Cd元素污染严重区域，浅色区域为Cd元素污染轻微区域。该功能可帮助用户更加直观地了解点状污染源模拟扩散后在不同区域的污染严重程度。

图4 污染模拟热力图结果显示

3.2.3 专题显示功能

在展示模块中可选择不同的显示方式，均会直接生成对应的专题图显示在主界面上，且结果图均支持多种格式图片的保存。以玫瑰图展示为例，在功能选择区选择玫瑰图展示，后端将每个点状污染源的占比数据传送给前端，前端通过IClient提供的接口实现玫瑰图展示（图5）。通过比较各金属元素的含量，可以了解各重金属的污染程度以及该地区哪种重金属元素污染最严重等情况。

图5 玫瑰图显示结果

3.2.4 重金属元素查询功能

在查询模块中可选择不同查询方式，查询结果均在主界面和对话框中显示。以绘制查询为例，在该区域绘制多边形，并将多边形内重金属污染源点的ID值返回给后端，后端通过数据库查询得到相关信息并传送给前端，前端以饼状图的形式将各重金属的含量显示在查询对话框中（图6）。

图6 绘制查询结果

4 结 语

本文将WebGIS技术与二维污染模拟算法相结合，实现了污染查询、分析、模拟等功能。针对点污染源二维扩散算法计算得到的空间数据难以组织、管理和可视化等问题，本文利用SuperMap管理点污染源的空间数据库，并利用ECharts实现了污染数据的可视化表达，以加强污染模拟扩散的直观性；且用户可添加自定义污染源点，增加了程序的通用性和可操作性；结合多种空间分析方法对数据进行分析，从而为后续环境治理提供技术支持。