Arcgis与Surfer软件在土壤调查、风险评估中的应用

商宏华，邓明星，黄春敏，李文超，刘冰月

（杭州臻尚环境科技有限公司，浙江 杭州 311000）

2018年以来，土壤污染的问题备受关注，全国各省市启动了“土壤调查-风险评估-土壤修复”系列工作。因为土壤的异质性及土壤污染的隐蔽性，采用传统的布点取样检测方法，工作量巨大且成本较高、工期长。为提高土壤污染范围确定的精确度，土壤调查分析工作者常常借助 Arcgis、Surfer、Voxler、ArcMap等系统软件，结合传统的布点取样检测方法，提高土壤调查和相关工作的成效。其中，Arcgis是地理信息系统数据软件，Surfer、Voxler、ArcMap是模拟软件，本文就应用最多的Arcgis和Surfer进行阐述。

1 Arcgis在场地调查中的应用

Arcgis软件是Esri公司集40多年地理信息系统咨询和研发经验，提供给用户的一套完整的GIS平台。它具有强大的地图制作、数据管理、空间分析及空间信息整合、发布与共享等功能[1]。Arcgis在土壤调查、分析中已有比较广泛的研究和应用：

自然资源部大地测量数据处理中心的赵辉等[2]针对不同转换模型分析了 Arcgis坐标转换的适用性与精度。通过4参数法、7参数法、Molodensky法和简化Molodensky法，进行了80个重合点位坐标转换参数的精度分析，分析结果表明，转换残差分布以±5 cm范围内为主，标准差优于3 cm。为了验证数字线划图转换适用性，进行了试验范围内点、线、面三种要素类数据分析，分析结果表明，转换精度、完整性和一致性均可以满足要求，这就说明Arcgis具有进行坐标转换的适用性。

南京农业大学的杨婧怡[3]把Arcgis应用于地籍调查生产过程中，实现了快速且准确地提取出宗地四至；江西省国土空间调查规划研究院的刘建华[4]以Arcgis平台为基础，以C#为开发环境，基于GeoProcessing开发的多线程分乡镇赋值算法快速高效，实现了耕地坡度级别赋值。在江西省第三次国土调查时，县级数据库建设和应用中，平均每个县级单元地类图的赋值时间仅需15分钟，错误率为零，为全省第三次国土调查工作起到了积极推动作用。

来自河南省地质科学研究所的王传先[5]，基于Arcgis的第三次全国国土调查地类流量计算方法研究，实现了地块变化数量和位置的统一、高效管理。

广东省国土资源测绘院的董正国[6]，利用以Arcgis结合ArcServer进行联合使用的方法，将本底影像和监测影像发布、提供给生产人员使用，从而提高监测更新效率，确保不会用错影像，该方法在 2019 年度广东省基础性地理国情监测项目中被推广应用。

根据《浙江省生态环境厅办公室关于开展污染地块安全利用现场检查的通知》，对系统中属于原环境保护部第42号令或浙环发[2018]7号文适用范围内，需要补充地块空间信息。浙江省针对浙江省土壤环境，搭建“浙江省土壤环境信息化管理系统”网络平台，相关部门需将地块空间信息文件上传至该平台。就此以杭州市某公司地块”为例，进行说明Arcgis在场地调查中的应用：

常用的卫星图软件主要为Google earth、奥维卫星图、91地图等，下载的地块卫星图为WGS 1984坐标系，无法直接生成Shapefile文件-2000国家大地坐标系，需要借助Arcgis软件对底图进行坐标系转换。在ArcMap的ArcToolbox中，能够转换栅格数据和矢量数据的坐标[7]。大致方法为：打开“地理处理”→ArcToolbox→投影和变换→投影。底图取自“奥维卫星图”软件，下载地块卫星图（WGS1984，tif格式）。将底图导入arcgis软件，转化为Shape file格式文件。然后按照上述方法，将输出投影坐标系选用CGCS 2000 3 Degree GK CM 120E坐标系（本项目地块位于杭州，选用120E坐标系，其余地区需要结合项目实际位置进行调整），导出地图即为CGCS 2000 坐标Shape file格式。

2 Surfer在地下水分析中的应用

Surfer软件是美国Golden Softwant公司生产的制作等高线图和三维立体图的软件，它能提供11种数据网格化方法，包含了目前几乎所有主流的数据统计及计算方法，可提供各种图形、图像的输入输出接口，方便文件及数据的交流。可以说，Surfer软件提供了一种方便、实用、可操作性强的数据处理和制图方法。

Surfer 软件内置多种空间插值模型，通过建模自动生成接近污染物空间分布的特征函数方程。插值的精准度，主要取决于对污染物空间变异性的反映程度。Surfer 软件通过对已有点位数据进行空间插值，从而获得点阵数据，并以此来进行图件绘制。Surfer软件是场地调查环节必备的专业软件之一，在场调过程中，常用surfer软件完成地下水流向图的绘制，在缺少场地特征参数的情况下，Surfer软件也可以粗略绘制地下水污染羽，模拟地下水的迁移范围，为场地调查阶段地下水点位的布设提供可靠的数据支撑。Voxl、ArcMap也具有类似功能。

Surfer软件可提供10余种插值方法：距离倒数、克里格、最小曲率等。克里格法也称空间局部插值法，它根据待插值点与临近实测水位控制点的空间相对位置，对待插值点的水位标高进行线性无偏最优估计，从而生成一个水标高的克里格插值图，用于表达研究区域地下水的赋存状态。研究发现，应用克里格法进行地下水插值比其它方法更为精确，尤其当数据的空间连续性变化的属性非常不规律时，克里格法能更好地表达隐含在数据中的趋势，因此克里格法特别适用于场地调查时地下水时采样点分散、无规律的情况下的数据处理和分析。

根据《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》（HJ 25.2-2019）文件：地块内若需地下水监测，则地下水监测点位应沿着地下水流方向布设，可分别布设在地下水流向的上游、地下水可能污染较严重区域和（或）地下水流向的下游。故而，地块地下水流向的确定对于土壤调查工作尤为重要。

Surfer软件可以借助地块地下水井数据生成等值线及矢量线，借此生成地块地下水流向图。具体方法为：

（1）在场地土壤地下水调查过程中，收集测绘资料和监测数据。包括但不限于调查区域边界拐点坐标、地下水的监测井井点坐标、各地下水监测井高程、地下水的稳定水位等数据，病形成Excel文件。

（2）将带有点位坐标、地下水水位高程的Excel文件导入到Surfer软件中（Excel数据不少于3组），点击工作框中“网格数据”选项，对Excel文件进行数据网格化，然后点击“等值线”，即可生成地下水水位高程等值线图；再点击“矢量图”，即可生成地下水流向图。Surfer软件中也可以生成地下水流向图、地下水流场图等。

（3）根据需要叠加地块底图，需要先导入地块底图（tif格式），后对底图进行白化。也可以通过输出获得 Mapgis等系统软件可使用的格式文件，再由 这些系统软件进一步修饰，完成最终数据的分析，形成最终的图件。

图1是将杭州市某香料有限公司地块数据导入surfer软件，后经过加工得出地块地下水流向图。

图1 地下水流向图

3 Arcgis在风险评估中的应用

在风险评估阶段，需计算出污染场地的修复目标值及其修复范围，前期的检测数据仅能确定大致污染区域，要准确确定范围需借助Arcgis软件，对现有数据进行分析，然后确认精确的污染范围。

在很多修复项目中，用Arcgis插值的方法估算污染土方量，得到了广泛应用，国内外亦有大量关于此类方法的研究数据及文献资料[8]。杭州市某生物公司地块修复范围的确定，采用了空间加权反距离插值法相结合的方法进行划定，并采用插值与清洁点连线相结合的方法对污染土方量进行估算。

反距离插值法原理：反距离插值法（Inverse Distance to a Power）的原理是，假设在平面上分布一系列的离散点，已知离散点坐标（xi，yi）和属性值zi（i=1，2，…，n），p（x，y）均为任一网格点，根据离散点的自身属性值，采用距离加权的插值方法，求p点属性值。该方法综合了泰森多边形的邻近点法、多元回归法的渐变方法等方法的优点，离散点的属性值，是在特定范围内所有数据点位的距离加权平均值，该方法可以进行确切（或圆滑的）方式插值。其相关步骤如下：

（1）计算某一任意未知点到所有任意点的距离；

（2）分别计算每个点的权重，该点权重是距离的倒数的函数。

插值分析借助Arcgis软件执行。具体操作步骤：将带有地块坐标信息、污染物浓度的Excel文件导入到Arcmap中，选择“地理处理-ArcToolbox工具箱”，再选择“插值分析-反距离权重法”，调整好插值权重、搜索半径、象元大小等参数，即可生成相关区域的面积及拐点。反距离插值法示意图见图2。

图2 反距离插值法示意图

通过加密布设监测点位，通过监测点位超标样品和不超标样品点分析，来判断最终的修复边界，结合专业判断方式确定最终的修复范围。

本文以杭州某生物公司为例，根据给定的修复目标值，即可在Arcgis中生成污染范围图，如图3。

图3 某生物公司苯污染分布图

4 结语

本文依托土壤技术导则，借用项目实例从信息统计、地下水分析、污染范围确定等功能，阐述了Arcgis、Surfer软件在土壤调查、风险评估中的运用。Arcgis、Surfer属于具有强大功能的地图编辑及空间分析软件，借助传统的布点检测，结合软件系统对数据分析，高效得出精确的结论。随着AutoCAD、Arcgis、Surfer、Voxler、ArcMap等软件的研发、更新和应用研究，它们将越来越多的应用于场地调查、土壤地下水风险评估，乃至后续的土壤地下水修复、土地开发利用之中，不仅可以大大提升工作效率，还可为后续查清土壤质量、监控土壤和地下水环境质量提供有力支持。