基于GIS的海水環(huán)境監(jiān)測站位優(yōu)化*
——以膠州灣為例

尹維翰，崔文林，齊衍萍，鞠 蓮，宋文鵬，趙玉慧

（1．國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033；2．國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033；3．中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 青島 266100）

基于GIS的海水環(huán)境監(jiān)測站位優(yōu)化*
——以膠州灣為例

尹維翰1，2，3，崔文林1，2，齊衍萍1，2，鞠 蓮1，2，宋文鵬1，2，趙玉慧1，2

（1．國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033；2．國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033；3．中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 青島 266100）

文章利用2003—2012年5月、8月和10月膠州灣19項(xiàng)海水監(jiān)測要素歸一化后數(shù)據(jù)，基于Arc GIS軟件地學(xué)統(tǒng)計(jì)模塊，通過Kriging插值模型對歸一化數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)分析及站位優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后的31個監(jiān)測站位估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差梯度較優(yōu)化前大幅降低，平均估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差由0．160降低到0．147，降低了8．3%。站位優(yōu)化后不僅可對膠州灣沿岸重點(diǎn)污染源以及膠州灣海域總體海水質(zhì)量實(shí)施有效監(jiān)控，并且可以作為今后膠州灣海水監(jiān)測的常規(guī)站位。優(yōu)化后的監(jiān)測網(wǎng)在滿足監(jiān)測精度需要的同時，能夠較大程度節(jié)省監(jiān)測網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用，可以為其他海域海水監(jiān)測站位優(yōu)化及海洋主管部門提供技術(shù)支撐，具有重要的應(yīng)用價值。

站位優(yōu)化；地統(tǒng)計(jì)；估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差；膠州灣

當(dāng)前，全國環(huán)境監(jiān)測進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的新時期。伴隨環(huán)保事業(yè)的新發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測理念不斷創(chuàng)新、管理不斷強(qiáng)化、技術(shù)不斷進(jìn)步、投入不斷增加、隊(duì)伍不斷壯大，尤其是“十一五”以來，我國環(huán)境監(jiān)測從認(rèn)識到實(shí)踐都發(fā)生了深刻的變化，已經(jīng)從傳統(tǒng)的技術(shù)層面，融合到環(huán)境保護(hù)工作的整體之中，成為探索中國環(huán)保新道路的重要支撐?！笆晃濉逼陂g，國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)1億多個，出具各類環(huán)境監(jiān)測報告8 000余份，為服務(wù)宏觀決策、支撐環(huán)境監(jiān)管、滿足公眾需求、支持環(huán)境履約發(fā)揮了重要作用［1］。

隨著黨的十八大提出要“提高海洋資源開發(fā)能力，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，建設(shè)海洋強(qiáng)國”，我國的海洋環(huán)境監(jiān)測工作進(jìn)入了新的里程，對海洋環(huán)境監(jiān)測有了更高的要求。而海洋監(jiān)測站位布設(shè)關(guān)系著海洋環(huán)境監(jiān)測工作的成敗，優(yōu)化布點(diǎn)是體現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測科學(xué)性的重要環(huán)節(jié)。任何環(huán)境要素的監(jiān)測點(diǎn)常需經(jīng)歷一個由少到多、又由多到少的探索過程。在一定空間范圍內(nèi)布設(shè)的測點(diǎn)數(shù)量大，雖然能較好地反映環(huán)境質(zhì)量狀況，但卻需要較高的經(jīng)濟(jì)代價［2］。本研究為解決上述問題，立足于海洋環(huán)境管理部門掌握的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以地理信息系統(tǒng)為工具，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)［3－4］，以膠州灣海域?yàn)槔⒘撕Ｋh(huán)境監(jiān)測站位布設(shè)優(yōu)化新方法。

1 設(shè)計(jì)原理

在海洋環(huán)境系統(tǒng)中，測量是對海洋環(huán)境主要素的時、空監(jiān)測，提供實(shí)際海洋環(huán)境系統(tǒng)變化的信息；模型是對概化的海洋環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行定量化描述，以提供海洋環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)（用Kalman濾波和Kriging方法）。測量和模型構(gòu)成對海洋環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)時必須的兩個重要手段。測量具有測量誤差（也稱作噪聲），模型具有系統(tǒng)誤差（也稱作系統(tǒng)噪聲）。而估計(jì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差與測量誤差的方差、系統(tǒng)誤差的方差及選用的算法有關(guān)［5］。

海洋環(huán)境監(jiān)測站位最優(yōu)設(shè)計(jì)中估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差愈小，要求估計(jì)算法、測量及系統(tǒng)模型愈精確，要使海洋環(huán)境監(jiān)測運(yùn)行效益高，即海洋環(huán)境信息提取的損失量就要小。另外，測量、系統(tǒng)模型和估計(jì)算法愈精確，要求海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)的費(fèi)用愈高［4］。最佳海洋環(huán)境監(jiān)測應(yīng)是損失量最小（圖1）。因此，通過一些概化或采用代用目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)給定條件下的海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化問題。如，在給定海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)費(fèi)用的條件下，優(yōu)化設(shè)計(jì)海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)使估計(jì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差最?。▓D2）。

圖1 估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差與費(fèi)用和損失關(guān)系

圖2 給定經(jīng)費(fèi)約束條件下的海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

2 最優(yōu)估算方法的確定

2.1 地統(tǒng)計(jì)插值模型

Kriging法是建立在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上的一種方法，區(qū)域化變量和半方差是Kriging插值法的基礎(chǔ)，它是一種對時、空分布變量求最優(yōu)、線性、無偏內(nèi)插估計(jì)的方法［6－7］。根據(jù)已知監(jiān)測站位的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析后，利用待測點(diǎn)周圍監(jiān)測站位的已知數(shù)據(jù)和被賦予的權(quán)系數(shù)，進(jìn)行加權(quán)平均來獲得待測點(diǎn)的數(shù)值［8］。

Kriging函數(shù)模型：

利用式（1），在保證無偏性和最優(yōu)性的前提下，結(jié)合協(xié)方差定義，并引入拉格朗日算法，可得：

利用式（2）并注意方差函數(shù)、協(xié)方差函數(shù)、變差函數(shù)在本征條件下的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可得計(jì)算誤差的理論方差為：

根據(jù)實(shí)際需要，用方差減少法進(jìn)行，當(dāng)給定估計(jì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差（根據(jù)研究區(qū)環(huán)境要素空間分析、監(jiān)測精度要求及財(cái)力要求確定），就可以確定最佳監(jiān)測站點(diǎn)。

2.2 變差函數(shù)

變差函數(shù)既能描述區(qū)域化變量的空間結(jié)構(gòu)性，又能描述隨機(jī)性，它是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算的基本工具。理論上變差函數(shù)的表達(dá)式：

利用式（4）計(jì)算不同h對應(yīng)的＾r(nóng)（h），再根據(jù)最佳曲線擬合原理進(jìn)行曲線擬合得到＾r(nóng)（h）關(guān)于h的最佳擬合曲線。常見的變差函數(shù)模型有：球狀模型、高斯模型、指數(shù)模型。在計(jì)算變差函數(shù)的過程中要與具體的海洋環(huán)境條件相結(jié)合。

2.3 階數(shù)N的確定

在采用Kriging法對某站位海洋環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值估計(jì)時，理論上整個研究區(qū)內(nèi)站位均需要參與計(jì)算。但實(shí)際上，某一站位只與相近區(qū)域的站位有關(guān)，距離越遠(yuǎn)相關(guān)關(guān)系越小，若所有點(diǎn)的均參與計(jì)算容易產(chǎn)生病態(tài)，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，本研究中采用“內(nèi)圈層”的5個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算［10］。

3 膠州灣海洋監(jiān)測站位優(yōu)化

3.1 研究區(qū)概況

膠州灣位于山東半島南部，膠州灣口窄內(nèi)寬，東西寬27．78 km，南北長33．3 km（低潮位時），面積446 km2，為伸入內(nèi)陸的半封閉性海灣。膠州灣沿岸有海泊河、李村河、樓山河、墨水河、大沽河、躍進(jìn)河和前灣諸河等主要入海污染源；膠州灣口北部為青島港，是黃海沿岸水運(yùn)樞紐，山東省及中原部分地區(qū)重要的海上通道之一；灣口西南方為黃島油碼頭，是中國三大專用原油輸出碼頭之一。因此，膠州灣與周邊城鎮(zhèn)、河流、港口等已構(gòu)成了一個多元化復(fù)合生態(tài)體系［11］，是研究海洋監(jiān)測站位布設(shè)理想的示范研究區(qū)。

3.2 監(jiān)測要素值標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化

膠州灣海水環(huán)境監(jiān)測監(jiān)測要素包括營養(yǎng)鹽、石油類和重金屬等19項(xiàng)指標(biāo)，各指標(biāo)序列因權(quán)重、量級以及單位的不同需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而消除不同量綱所產(chǎn)生的影響。還應(yīng)進(jìn)一步歸一化處理，使不同因子及各站位數(shù)據(jù)之間具有可比性，而經(jīng)過這樣處理后并不影響各因子子序列與母序列的相關(guān)性［12－13］。本研究選取2003—2012年5月、8月和10月膠州灣海水監(jiān)測結(jié)果，對各監(jiān)測站位監(jiān)測要素歸一化后結(jié)果見表1。

表1 膠州灣各監(jiān)測要素值標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化結(jié)果（2003—2012年）

3.3 站位優(yōu)化結(jié)果與討論

利用ArcGIS軟件地學(xué)統(tǒng)計(jì)模塊，通過Kriging插值模型分別對海水監(jiān)測歸一化后數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)分析評價，估計(jì)任一點(diǎn)估計(jì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而得到估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差等值線圖。估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差僅與變差函數(shù)的類型和監(jiān)測站位的位置有關(guān)，而變差函數(shù)反應(yīng)海水監(jiān)測體系的結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)。在經(jīng)費(fèi)一定和周邊污染源、水動力環(huán)境變化不大的情況下估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差僅與監(jiān)測站點(diǎn)的位置和數(shù)量有關(guān)，并與監(jiān)測站點(diǎn)分布密度呈反向關(guān)系，即在監(jiān)測站點(diǎn)密度大的地方，其值偏??；反之則偏大。

現(xiàn)有膠州灣海水環(huán)境監(jiān)測站位估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差見圖3，平均標(biāo)準(zhǔn)差為0．160。從整體看，膠州灣中部和南部區(qū)域估計(jì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差較小，而在膠州灣沿岸和北部區(qū)域，估計(jì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差大；在觀測站位密的地方估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差小，反之則誤差標(biāo)準(zhǔn)差大。這是由于在膠州灣北部沿岸受墨水河、大沽河、躍進(jìn)河和紅島養(yǎng)殖區(qū)等的影響估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差較大；東部沿岸受青島港的影響在青島港區(qū)域估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差較大；中部沿岸由于對海灣大橋工程實(shí)施跟蹤及后續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測站位較密，因此估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差較??；南部海西灣雖然有前灣諸河及黃島港的影響，但由于對海西灣實(shí)施了重點(diǎn)監(jiān)測，因此估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差較小。

圖3 膠州灣現(xiàn)有海水環(huán)境監(jiān)測站位估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差

膠州灣海水監(jiān)測站位優(yōu)化后刪除了3個監(jiān)測站位，增加了6個監(jiān)測站點(diǎn)，共設(shè)計(jì)31個監(jiān)測站點(diǎn)。新增站位主要位于墨水河口、大沽河口和躍進(jìn)河口等近岸污染源排放較大的海域；調(diào)整站位集中在海灣大橋周邊觀測較密的站位，剩余89%的站位為了保持歷史數(shù)據(jù)的可比性并未對其調(diào)整優(yōu)化。按照該方案優(yōu)化后估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差梯度較優(yōu)化前大幅降低（圖4），平均估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0．147，降低了8．3%（圖5）。

圖4 膠州灣優(yōu)化后海水環(huán)境監(jiān)測站位估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差

圖5 膠州灣監(jiān)測站位估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差與監(jiān)測站位數(shù)的相互關(guān)系

4 結(jié)論與建議

利用ArcGIS軟件地學(xué)統(tǒng)計(jì)模塊，對膠州灣海水監(jiān)測站位優(yōu)化后監(jiān)測站位基本覆蓋了膠州灣，該方案可對膠州灣沿岸重點(diǎn)污染源以及膠州灣海域總體海水質(zhì)量實(shí)施有效監(jiān)控，并且監(jiān)測估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差較優(yōu)化前大幅降低了8．3%。因此，優(yōu)化后的31個站位能較好地代表膠州灣海域的海水環(huán)境質(zhì)量，可以作為膠州灣海域今后海水監(jiān)測的常規(guī)業(yè)務(wù)化監(jiān)測站位。

由于人們對海洋環(huán)境的認(rèn)識，是通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析識別的。因此監(jiān)測站位優(yōu)化是一個過程，不是一次就可以完成的，它是通過不斷監(jiān)測、不斷驗(yàn)證和調(diào)整，逐漸完善的過程。經(jīng)過幾年的優(yōu)化站位、驗(yàn)證監(jiān)測，最終可使得監(jiān)測站位達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)。優(yōu)化后的監(jiān)測網(wǎng)在滿足監(jiān)測精度需要的同時，能夠較大程度地節(jié)省監(jiān)測網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用，可以為其他海域海水監(jiān)測站位優(yōu)化及海洋主管部門提供技術(shù)支撐，具有重要的應(yīng)用價值。

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國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目——近海海底持續(xù)溢油事故次生海水環(huán)境問題研究（201308）；北海區(qū)海洋環(huán)境質(zhì)量綜合評價方法［DOMEP（MEA）－01－01］．