基于IDW內插算法生成太湖水質動態(tài)監(jiān)測圖的研究

黎 剛，陳年松，王 勇

（1.江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，江蘇南京 20036；2.江蘇省測繪工程院，江蘇南京 210003）

0 引言

由于環(huán)境信息與空間位置有著密切的關系，而地理信息系統(tǒng)又是處理空間信息的有效工具，因此，在地理信息系統(tǒng)的支持下，開發(fā)與應用太湖基礎空間數(shù)據(jù)庫建設不僅可以方便地獲取、存儲、管理和顯示各種太湖流域信息，而且可以對太湖流域環(huán)境進行有效的地圖展示、查詢、分析、統(tǒng)計。

在“江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（‘1831’項目）”的研發(fā)中，需要解決太湖水質的動態(tài)監(jiān)測問題。即在太湖水域監(jiān)測點的位置和各個測點每個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)都已經入庫的前提下，怎樣利用已有的離散成果，通過某種數(shù)學插值算法，生成連續(xù)的趨勢面，以形成生動直觀的圖形結果，達到環(huán)保行業(yè)輔助決策的目的。當前，各類空間數(shù)據(jù)插值算法名目繁多，各自具有相應特點和差異。經過對比和優(yōu)選，我們采用反距離權重插值（IDW）模型來構建我們的系統(tǒng)功能。

1 反距離權重插值（IDW）原理

IDW（Inverse Distance Weighted）是一種常用而簡便的空間插值方法，它以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣本點賦予的權重越大。設平面上分布一系列離散點，已知其坐標和值為Xi，Yi，Zi（i=1，2，…，n），根據(jù)周圍離散點的值，通過距離加權值求Z點值，則

其中，Z0為點0的估計值；Zi為控制點i的值；di為控制點i與點0間的距離；n為在估計中用到的控制點的數(shù)目；k為指定的冪。

IDW通過對鄰近區(qū)域的每個采樣點值平均運算獲得內插單元值。IDW是一個均分過程，這一方法要求離散點均勻分布，并且密集程度足以滿足在分析中反映局部表面變化。反距離權重插值方法是一種局部插值方法，它假設未知值的點受較近控制點的影響比較遠控制點的影響更大。影響的權重用點之間距離乘方的倒數(shù)表示。乘方為1意味著點之間數(shù)值變化率為恒定，該方法稱為線性插值法。乘方為2或更高則意味著越靠近已知點，數(shù)值的變化率越大，遠離已知點趨于平穩(wěn)。因此，當取樣點足夠密時，相比較其他的空間插值算法模型，IDW對局部變化具有更好的效果。

2 Geoprocessing建模

Geoprocessing是ArcGIS的處理工具，也是GIS的基本功能之一。使用Geoprocessing可以通過對數(shù)據(jù)的操作而得出新的信息。對信息的提取或其他任何關于數(shù)據(jù)的操作都需要使用Geoprocessing工具，例如，不同格式數(shù)據(jù)之間的相互轉換。在Geoprocessing中，可以對數(shù)據(jù)進行合并、剪貼、分割圖幅以及使用各種空間分析工具。

“江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（‘1831’項目）”中，太湖湖體監(jiān)測點的空間數(shù)據(jù)采用Oracle 11g+ArcSDE方式實現(xiàn)存儲管理，屬性監(jiān)測數(shù)據(jù)按月實時更新，以Sql Server數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)存儲。空間、屬性數(shù)據(jù)之間依據(jù)站點的stationcode字段實現(xiàn)關聯(lián)。在ArcGIS軟件的Geoprocessing工具中，也提供了IDW插值分析工具。因此，在ArcGIS的modelBuilder建模環(huán)境里利用IDW插值分析工具以及其他的用于數(shù)學計算、數(shù)據(jù)處理的工具，建立Geoprocessing模型如圖1所示。

圖1 modelBuilder中的IDW的Geoprocessing模型

其中，IDW插值分析工具用于湖體監(jiān)測值的插值運算，得到柵格格式的IDW空間插值圖。Int工具用于空間插值圖柵格轉矢量前的數(shù)據(jù)取整工作，Raster to Polygon工具用于將空間插值圖由柵格格式轉為矢量格式。Clip工具將生成的矢量格式空間插值圖按太湖區(qū)域的范圍進行裁剪，使其和影像地圖重合。最后，設置outputMap為參數(shù)，讓它作為參數(shù)輸出，保存模型。

3 Geoprocessing服務發(fā)布

ArcGIS提供了Geoprocessing類型的服務，允許將設計好的Geoprocessing模型發(fā)布為Geoprocessing服務。發(fā)布Geoprocessing服務可使用兩種資源類型：Geoprocessing工具；包含結果圖層的MXD文檔。其中包含結果圖層的MXD文檔發(fā)布成Geoprocessing服務時又有兩種選擇：一種只發(fā)布為Geoprocessing服務；另一種發(fā)布成MapService和Geoprocessing服務。第二種方式可預先在MXD文檔中對結果圖層渲染，這樣可簡化客戶端的可視化工作。因此，我們使用第二種Geoprocessing服務，這樣通過客戶端調用GP就能直接給我們返回一個resultMapLayer然后直接加到前端的Map控件中。它的好處是生成的等值面可以在發(fā)布服務的時候就設置好外觀樣式，而不用在客戶端來手動設置。

4 功能模塊設計與實現(xiàn)

“江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（‘1831’項目）”客戶端采用Flex技術架構。Flex是Adobe公司推出的一系列工具和技術，使開發(fā)人員可以開發(fā)和部署可升級的富互聯(lián)網(wǎng)應用程序（RIA）。Flex提供了一種現(xiàn)代的、基于標準的語言來支持公共模板設計、客戶端運行環(huán)境、編程模型、開發(fā)模型和高級數(shù)據(jù)服務。水質動態(tài)監(jiān)測主要功能是連接Geoprocessing服務，接受Geoprocessing服務的運算接果并顯示在用戶界面上。核心代碼如下所示：

系統(tǒng)運行后，相應的功能界面如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 6月份動態(tài)監(jiān)測結果

圖3 7月份動態(tài)監(jiān)測結果

圖4 8月份動態(tài)監(jiān)測結果

5 結語

IDW是一種優(yōu)秀的空間插值算法，主要應用于DEM生成、DEM坡度、坡向計算以及地區(qū)人口、地區(qū)GDP專題圖生成等GIS地學分析、自然地理、人文地理領域。在“江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（‘1831’項目）”的研發(fā)過程中，本文作者將其應用到環(huán)保監(jiān)測方面，具有一定的創(chuàng)新意義。

“江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（‘1831’項目）”還將不斷完善，并大力推廣和應用。在這個過程中，將發(fā)掘更多的行業(yè)需求，我們也將根據(jù)需要應用更多科學計算模型，充分利用信息化手段為環(huán)境保護工作服務。

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