空間統(tǒng)計分析集成技術(shù)及其在區(qū)域環(huán)境中的應(yīng)用

馬民濤,孫 磊,韓 松,張雁雁,王江萍,張 菁

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100124)

空間統(tǒng)計分析集成技術(shù)及其在區(qū)域環(huán)境中的應(yīng)用

馬民濤,孫 磊,韓 松,張雁雁,王江萍,張 菁

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100124)

在分析了我國目前區(qū)域環(huán)境中若干問題、解決問題的相應(yīng)技術(shù)手段及其缺陷、國內(nèi)現(xiàn)有環(huán)境數(shù)據(jù)資源利用不足等前提下,簡介將GIS與多元統(tǒng)計分析技術(shù)集成成果——“區(qū)域環(huán)境管理數(shù)字化集成技術(shù)”的組成、結(jié)構(gòu)、功能及特點,以北京市(1∶50000)數(shù)字化地圖為工作底圖,選取具代表性區(qū)域為研究靶區(qū),以《全國環(huán)境統(tǒng)計信息系統(tǒng)》中的海量環(huán)境數(shù)據(jù)為依據(jù),分別調(diào)用主成份分析、聚類分析、回歸分析、趨勢面分析等與 GIS集成技術(shù)的方法,對相應(yīng)區(qū)域中的相關(guān)區(qū)域環(huán)境問題進行了針對性地提取、分類、歸納和分析;為更有效利用全國現(xiàn)有環(huán)境數(shù)據(jù)資源,解決城市及其區(qū)域性的若干環(huán)境問題提供了高效數(shù)字化集成工具和示范性工作途徑.

區(qū)域環(huán)境;地理信息系統(tǒng);統(tǒng)計分析;污染源;環(huán)境管理

我國環(huán)境保護雖已取得積極進展,但環(huán)境形勢依然十分嚴(yán)峻[1].發(fā)達(dá)國家上百年工業(yè)化過程中分階段出現(xiàn)的環(huán)境問題[2]在我國近 20多年來集中爆發(fā)[3].特別是近年來,我國環(huán)境污染負(fù)荷呈不斷加重趨勢.區(qū)域環(huán)境與社會、經(jīng)濟始終密切相關(guān),社會、經(jīng)濟、環(huán)境間的協(xié)同、穩(wěn)定、可持續(xù)水平?jīng)Q定著一個國家或地區(qū)的致命結(jié)構(gòu)關(guān)系.目前,對區(qū)域環(huán)境問題的認(rèn)識和相關(guān)研究還很有限.近年來,我國環(huán)境科技發(fā)展已有長足進展,但環(huán)境污染防治技術(shù)和環(huán)境管理能力與經(jīng)濟發(fā)展形勢相比仍無法滿足解決日益復(fù)雜化環(huán)境問題的需要.

1 區(qū)域環(huán)境問題的解決需要數(shù)字化集成技術(shù)的支持

區(qū)域環(huán)境是社會與經(jīng)濟發(fā)展的基石,解決區(qū)域環(huán)境問題(污染特征、環(huán)境污染發(fā)生與發(fā)展規(guī)律、環(huán)境主要問題及其成因、環(huán)境污染主要控制因素、環(huán)境污染可能產(chǎn)生的區(qū)域環(huán)境效應(yīng)和區(qū)域環(huán)境質(zhì)量發(fā)展趨勢等)是一項系統(tǒng)工程;這不僅涉及到廣域地理空間中眾多基礎(chǔ)環(huán)境背景和污染排放數(shù)據(jù),還涉及相關(guān)學(xué)科的理論內(nèi)涵和技術(shù).解決基礎(chǔ)區(qū)域環(huán)境問題,一是要對眾多區(qū)域性地理實體實施空間分析,二是要對各類環(huán)境中的多變量、多樣本海量數(shù)據(jù)實施分析與處理.地理信息系統(tǒng)(Geography Information System,GIS)技術(shù)與多元統(tǒng)計分析技術(shù)是解決上述 2方面問題的有效工具.目前 GIS技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域已相當(dāng)普遍且其技術(shù)本身仍在迅速提高,但基于 GIS在有效管理城市區(qū)域空間海量污染源分析并對城市區(qū)域環(huán)境質(zhì)量改善對策方面的研究及應(yīng)用還很少見[4].另外,雖已有很多研究者曾采用多元統(tǒng)計分析中的相應(yīng)方法(方差分析、相關(guān)分析、回歸分析、聚類分析、因子分析等)來解決有關(guān)環(huán)境科學(xué)與工程中的部分問題,但對上述方面的研究及應(yīng)用還尚未見到.

從技術(shù)集成創(chuàng)新方面看,在結(jié)構(gòu)、功能與效率方面利用 GIS強大的空間管理功能與多元統(tǒng)計分析方法處理多變量、多樣本海量數(shù)據(jù)的強大潛能來解決區(qū)域環(huán)境相關(guān)問題是更為快速、有效的途徑;這種集成技術(shù)方法對區(qū)域環(huán)境問題具極好的應(yīng)用前景[5];目前雖有少數(shù)學(xué)者在一定范圍內(nèi)有過初步試探性的應(yīng)用[6-7],但從現(xiàn)有技術(shù)集成水平看,國內(nèi)外現(xiàn)有 GIS技術(shù)與多元統(tǒng)計分析技術(shù)的集成“程度”還處于一種“脫節(jié)”狀態(tài);此外,目前我國現(xiàn)有各級環(huán)境數(shù)據(jù)利用率極低,極大地浪費了現(xiàn)有環(huán)境數(shù)據(jù)資源.本文工作正是針對上述需要而展開的.

2 區(qū)域環(huán)境管理集成技術(shù)信息系統(tǒng)

在北京超圖地理信息技術(shù)有限公司研制的全中文桌面式地理信息系統(tǒng) SuperMap GIS 5.0平臺上,采用 SQL Server 2000為數(shù)據(jù)庫,Visual Basic 6.0編程工具,通過二次開發(fā)創(chuàng)建了區(qū)域環(huán)境管理集成技術(shù)信息系統(tǒng).本系統(tǒng)以北京市(1∶50000)數(shù)字化底圖為基礎(chǔ),將 GIS平臺與統(tǒng)計分析方法進行了有效地集成,以 GIS空間數(shù)據(jù)庫和專業(yè)方法模型庫為系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的重點.

該系統(tǒng)污染源數(shù)據(jù)管理與統(tǒng)計分析模塊是區(qū)別于其他空間信息系統(tǒng)的重要標(biāo)志[8].污染源信息管理模塊主要解決了與《全國環(huán)境統(tǒng)計報表》等數(shù)據(jù)庫的聯(lián)接,也可按多種格式輸入、檢索、編輯、修改相關(guān)空間數(shù)據(jù)庫中各類屬性信息.數(shù)據(jù)分析模塊包括主成份分析、聚類分析、回歸分析、趨勢面分析等統(tǒng)計分析方法.該系統(tǒng)最大特點是使對空間管理功能強大的 GIS技術(shù)與對多變量、多樣本數(shù)據(jù)處理功能強大的多元統(tǒng)計分析方法得以高效的技術(shù)集成,為實施區(qū)域污染源 “時、空”快速分析、數(shù)字挖掘及區(qū)域環(huán)境管理打造了高效工具.系統(tǒng)主界面與數(shù)據(jù)分析模塊如圖 1所示.

圖1 系統(tǒng)主界面Fig.1 The Systemic Main

3 區(qū)域環(huán)境管理數(shù)字化集成技術(shù)的應(yīng)用實例

以北京市(1∶50 000)數(shù)字化地圖為工作底圖,選取有代表意義的典型區(qū)域為研究靶區(qū),以《全國環(huán)境統(tǒng)計信息系統(tǒng)》中每年上報的海量環(huán)境數(shù)據(jù)為依據(jù),進行了如下幾種集成技術(shù)方法的應(yīng)用與探索.

3.1 主成份分析集成技術(shù)在區(qū)域污染主控因素提取中的應(yīng)用

從全國環(huán)境統(tǒng)計信息系統(tǒng)中北京市某區(qū)域內(nèi)登記注冊所有企事業(yè)單位的環(huán)境污染(廢水、廢氣、廢渣)數(shù)據(jù)中,選取分析區(qū)域中 104個重點工業(yè)企業(yè)作為樣本;由 81個各類環(huán)境污染參量(變量)構(gòu)成該區(qū)域內(nèi)污染物排放表,建立該區(qū)域的污染排放信息數(shù)據(jù)庫.選取該研究區(qū)域沿岸工業(yè)帶作為分析區(qū)域,選定對生產(chǎn)生活、經(jīng)濟、區(qū)域環(huán)境具重要影響的 SO2、COD、石油類、工業(yè)廢氣、煙塵排放、工業(yè)固體 6個污染因子為分析變量.調(diào)用主成份分析模塊實施分析,首先選取區(qū)域污染源和變量確定所需污染源數(shù)據(jù),進一步通過數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化,然后選取計算變量相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值和特征向量,最后再按大小順序排列特征值;本文根據(jù)累計方差貢獻(xiàn)率≥0.85的原則,選取特征向量以及對應(yīng)的貢獻(xiàn)率;最后求得初始因子載荷矩陣.參見表 1.

表 1 初始因子載荷矩陣表Table 1 The initialization factor m atrix Table

根據(jù)原始數(shù)據(jù)信息基本無損(累計方差貢獻(xiàn)率≥0.85)原則,提取 2個相互獨立主因子(F1、F2).F1可解譯為大氣污染控制因子;F2可解譯為廢水污染控制因子.由此可知,該研究區(qū)域的環(huán)境污染主要集中于廢氣污染、水污染兩大方面.結(jié)合區(qū)域內(nèi)企業(yè)地理分布、環(huán)境質(zhì)量狀況、污染源屬性,經(jīng)綜合分析可知,大部分企業(yè)在 F1上權(quán)重比較大,少部分企業(yè)在F2上權(quán)重較大;說明該區(qū)域有相對嚴(yán)重的大氣(及部分固體污染物)污染,而廢水污染因素居于第二位.據(jù)該區(qū)域中 2個污染主控因子及相應(yīng)企業(yè)的區(qū)域位置分布情況,還可進一步分析區(qū)域污染的平面分布、發(fā)展趨勢及應(yīng)采取的污染控制措施.

3.2 聚類分析集成技術(shù)在區(qū)域污染源分類與分析中的應(yīng)用

據(jù)研究目標(biāo)、現(xiàn)有資料、數(shù)據(jù)資源,選取研究區(qū)內(nèi) 18個重點工業(yè)企業(yè)為樣本;選取大氣污染宏觀控制指標(biāo)中工業(yè)廢氣排放量、SO2排放量、煙塵排放量,水污染控制指標(biāo)中工業(yè)廢水排放量、COD排放量,工業(yè)固體廢棄物宏觀控制指標(biāo)中工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量等 6個指標(biāo)為評價因子;調(diào)用聚類分析模塊,采用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化為預(yù)處理方法,以相關(guān)系數(shù)為分類統(tǒng)計量,實施聚類過程.聚類結(jié)果以譜系圖形式輸出,參見圖 2.

圖2 區(qū)域污染源聚類分析結(jié)果譜系圖Fig.2 The pedigree diagram of regional contaminated sources clustering analysis resu lt

由圖 2可知,在 Q型聚類分析相似性系數(shù)為 0.15附近,18個樣本可分為 5類.按統(tǒng)計指標(biāo)反映的特征,可分為數(shù)量指標(biāo)(由總量指標(biāo)組成)和質(zhì)量指標(biāo)(由平均指標(biāo)和相對指標(biāo)組成);本文采用平均指標(biāo)經(jīng)對 5類企業(yè)各項評價指標(biāo)的統(tǒng)計描述、比較與分析后得知:在分析樣本中污染物排放量居中低水平的企業(yè)大于 50%,在第Ⅱ類、第Ⅲ類、第Ⅴ類中,均出現(xiàn)特征明顯的污染物排放因子;可見該區(qū)域污染物排放量集中于少數(shù)重點企業(yè),它們對區(qū)域污染物排放量整體水平影響較大,應(yīng)予以特別關(guān)注.利用 GIS的空間顯示功能可將研究區(qū)域內(nèi)已注冊的企業(yè)很方便地顯示在 GIS平臺的地圖上;還可根據(jù)上述聚類結(jié)果分析企業(yè)在地圖上分布情況,結(jié)合污染源性質(zhì)、數(shù)量、區(qū)域環(huán)境目標(biāo)等,進一步對區(qū)域環(huán)境污染狀況及環(huán)境質(zhì)量改善對策進行深入分析.

3.3 回歸分析集成技術(shù)在區(qū)域污染規(guī)律歸納及預(yù)測中的應(yīng)用

利用回歸分析集成技術(shù)可對區(qū)域污染現(xiàn)象的規(guī)律進行總結(jié)并運用規(guī)律對環(huán)境質(zhì)量等相關(guān)方面進行預(yù)測.在某研究區(qū)域大氣污染影響因子確定后,要解決的就是掌握有關(guān)大氣污染因子之間的依存關(guān)系及依存程度.本文選取與大氣環(huán)境污染相關(guān)的主要影響因素,如 SO2、NOx、工業(yè)燃料燃燒、煙塵排放等變量,共13項;調(diào)用回歸分析模塊,在 GIS呈現(xiàn)的地圖空間內(nèi)選取相關(guān)研究區(qū)域,添加污染源圖層.企業(yè)樣本分布如圖 3所示.

圖3 企業(yè)樣本分布圖Fig.3 The enterp rise swatch distributingmap

在圖層中選取待分析的企業(yè),經(jīng)選擇變量和樣本后,即可進行相關(guān)系數(shù)輸出、回歸分析、回歸預(yù)測等.根據(jù)回歸分析中變量間相關(guān)系數(shù)分析可知:SO2、煙塵、NOx是影響該研究區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因子,工業(yè)煤炭消費量和燃料燃燒中廢氣排放量與 SO2、煙塵、NOx因子的相關(guān)程度均較高,而與其他影響因子相關(guān)程度相對較低.因此,分別以煙塵排放量、SO2排放量、NOx排放量為因變量,工業(yè)煤炭消費量和燃料燃燒中的廢氣排放量為自變量,進一步對這些因子進行回歸分析以探索大氣污染規(guī)律.經(jīng)回歸計算、對因變量影響不明顯自變量的剔除、計算回歸系數(shù)并進行顯著性檢驗等過程,確定該研究區(qū)域中主要大氣污染因子回歸分析方程(模型)如下:

從回歸模型分析可知:該區(qū)域煙塵排放量主要來自工業(yè)煤炭消費量;SO2、NOx排放量則主要受工業(yè)煤炭消費量和燃料燃燒過程中廢氣排放量的影響顯著.其中,工業(yè)煤炭消費量與 NOx的回歸系數(shù)最大(4.396),與煙塵排放次之(1.127),而與 SO2的回歸系數(shù)較小(0.564);由此可知,該區(qū)域工業(yè)煤炭的脫硫效果較好,但含氮量較高,NOx排放量主要取決于工業(yè)煤炭消費量.此外,含硫、含氮化合物隨燃燒廢氣一起排放到空氣中,廢氣排放量與 SO2、NOx排放量的回歸系數(shù)相差不大,分別為 0.80和 0.846.

對于上述某種大氣污染回歸方程的進一步應(yīng)用還表現(xiàn)在以下 2個方面:其一是根據(jù)現(xiàn)有污染主要控制因素的計劃用量來預(yù)測今后某一時空內(nèi)大氣環(huán)境質(zhì)量水平;其二是可進一步根據(jù)該研究區(qū)域的大氣環(huán)境總量控制目標(biāo),通過預(yù)測和調(diào)整主體燃料及其用量,為確保區(qū)域環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)提供計劃方面的科學(xué)依據(jù).

3.4 趨勢面分析集成技術(shù)在區(qū)域污染面型分析中的應(yīng)用

基于 GIS集成的趨勢面分析方法,主要是用來揭示研究區(qū)域內(nèi)污染源時空分布規(guī)律與變化趨勢;這可為城市具體區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量改善提供科學(xué)依據(jù),給出不同區(qū)域、不同環(huán)境污染類型及不同區(qū)域環(huán)境問題的合理環(huán)境管理對策和實用可行的治理技術(shù)建議.

在選定研究區(qū)域內(nèi),將數(shù)據(jù)庫中污染源數(shù)據(jù)添加到污染源圖層后,調(diào)用趨勢面分析模塊,選擇分析變量后實施行趨勢面計算.通?？蓮挠嬎?1次趨勢面開始,直到 F檢驗為顯著或特別顯著,得到的趨勢面方程才能應(yīng)用.理論上趨勢面擬合度越高越好,但實踐表明,變化較為緩和的資料配合較低次數(shù)的趨勢面可以較好地反映區(qū)域背景;而變化復(fù)雜、起伏較多的資料,配合的多項式階次可以適當(dāng)高一些.本文工作在該選定區(qū)域內(nèi)共選取 66個工業(yè)企業(yè)為分析樣本,以該區(qū)域大氣首要污染物煙塵排放量作為分析變量,分別求得 1～8階趨勢函數(shù);經(jīng)分析認(rèn)為,5階趨勢函數(shù)擬合最好,其擬合度可達(dá)到 0.72.為此,選擇 5次趨勢面作進一步分析.將上述趨勢面分析計算結(jié)果保存到污染源圖層屬性數(shù)據(jù)表中,根據(jù)趨勢面計算結(jié)果繪制趨勢圖(可直觀反映所選變量在空間上總體變化趨勢)和剩余圖(反映局部變化).

根據(jù)所擬合的函數(shù),以工作區(qū)域為背景,取邊界點到邊界 500m的矩形區(qū)域進行插值計算.本文選用距離反比權(quán)值插值(Inverse Distance Weight,IDW),在得出柵格圖基礎(chǔ)上提取趨勢等值線,即繪制最優(yōu)趨勢函數(shù)的等值線圖,參見圖 4.

圖4 研究區(qū)域內(nèi)煙塵排放量趨勢分布圖Fig.4 The trend surface analysismap of sootemission quantity in the researching region

從圖 4分析可知,該區(qū)域煙塵排放量由西向東及由北向南逐漸降低,以西北部某河沿岸地帶最為嚴(yán)重,從而形象地表示出該區(qū)域煙塵排放量的整體趨勢.結(jié)合該區(qū)域具體工業(yè)企業(yè)分布、企業(yè)狀況、燃料狀況、環(huán)境質(zhì)量等情況的分析可知:該研究區(qū)域東部為經(jīng)濟中心區(qū),工業(yè)企業(yè)相對較少,粉塵排放量少,因而煙塵污染較輕.對該區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的改善,主要應(yīng)加強對區(qū)域西部沿河地帶工業(yè)區(qū)的煙塵治理力度、嚴(yán)格控制工業(yè)企業(yè)排放量、改善區(qū)域能源結(jié)構(gòu)等措施.

4 區(qū)域環(huán)境管理數(shù)字化集成技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

區(qū)域環(huán)境問題與社會、經(jīng)濟共同構(gòu)建了一個復(fù)雜的巨系統(tǒng).解決區(qū)域環(huán)境問題是一項系統(tǒng)工程.利用本文所提倡的數(shù)字化集成技術(shù)在解決具體區(qū)域環(huán)境問題時應(yīng)注意如下問題:首先,注意對引用數(shù)據(jù)中“特殊點”的分析,必要時可剔除或單獨處理,以免影響全局分析.其次,在利用具體方法時應(yīng)根據(jù)其相關(guān)數(shù)學(xué)原理,注意具體應(yīng)用條件,例如 1)主成份分析中對因子軸的合理專業(yè)解譯,2)聚類分析中分類統(tǒng)計量的選擇,3)回歸統(tǒng)計時、空域的有效性問題,4)趨勢面分析中“邊界效應(yīng)”對分析區(qū)域的影響等.只有充分注意上述有關(guān)問題,才能更好應(yīng)用本文提倡的集成分析技術(shù),快速有效地提取區(qū)域環(huán)境的主控因素、對環(huán)境問題及內(nèi)容合理分類、總結(jié)有關(guān)規(guī)律、給出環(huán)境發(fā)展趨勢.

5 結(jié)束語

本文構(gòu)建的技術(shù)集成系統(tǒng)仍在開發(fā)與完善之中.區(qū)域環(huán)境與社會、經(jīng)濟密不可分.每種方法在解決區(qū)域環(huán)境問題時,只有與區(qū)域中社會、經(jīng)濟資料密切結(jié)合綜合分析,才能有效發(fā)揮其應(yīng)有作用.本文實例方法及所構(gòu)建的集成技術(shù)工具及其工作思路對更有效地利用全國現(xiàn)有環(huán)境數(shù)據(jù)資源和相應(yīng)區(qū)域性中若干問題的解決提供了可借見的模式和工作途徑.

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(責(zé)任編輯 張 蕾)

The Integrated Technology of Spatial Statistical Analysis and Its Application in the Regional Environment

MAMin-tao,SUN Lei,HAN Song,ZHANG Yan-yan,WANG Jiang-ping,ZHANG Jing
(College of Environmental and Energy Sources Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

This paper analyzed the regional environmental problems and its present solutions,technology and limitation in china.And it presented a brief introduction to the composition,structure,function and special features of the regional environ mental management digital integrated technology.With the Beijing city digital map(1∶50 000)as the basic working map,typical regions were chosen as the researching regions,by using the jillion data in the country environmental statistical data system.This paper selectd,classified,concluded and analyzed the correlative regional environmental problems in the chosen researching regions by the integrated technology of GIS and the principal component analysis,partitioning analysis,regression analysis and trend surface analysis.This paper designed a digital management tool and suggested a solution to the regional environmental problems.

regional environment;geographical information system;statistical analysis;contaminated sources;environmental management

X 821

A

0254-0037(2010)04-0511-06

2008-11-28.

國家自然科學(xué)基金面上資助項目(70673003).

馬民濤(1955—),男,吉林省吉林市人,教授.