基于ArcGis的大氣污染物中二氧化硫的空間插值方法比較研究

嚴 超

(寶山區(qū)環(huán)境監(jiān)測站,上海 201900)

1 緒論

二氧化硫是大氣主要污染物之一[1]，在大氣中，二氧化硫氧化形成硫酸鹽，硫酸鹽是環(huán)境酸化的前驅(qū)物。例如酸雨，酸雨可導致土壤酸化，誘發(fā)植物病蟲害，使農(nóng)作物產(chǎn)量減少，腐蝕森林。目前ArcGis的運用滲透各行各業(yè)，其中空間插值算法在地理學科、環(huán)境科學、大氣科學中已經(jīng)被廣泛的應用[2]，所以利用插值分析對大氣污染物進行估算是可以實現(xiàn)的。

2 實驗數(shù)據(jù)

本研究采用的大氣污染物數(shù)據(jù)是由寶山區(qū)監(jiān)測站自動監(jiān)測站點提供，在寶山區(qū)共有11個空氣質(zhì)量自動監(jiān)測點位。自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)具有精度較高，觀測時間固定，對極端、短時情況的采集。最能準確的標識該站點二氧化硫年均濃度值。但是在污染物的空間分析上，點位的設定不可能分布到每個平方，所以只能在已設立點位的基礎上上，假設污染物濃度與距離成反比關(guān)系進行分析。

3 空間插值方法的基本原理

在ArcGis中最常見的插值方法有反距離權(quán)重法(IDW)、克里金法(Kriging)、協(xié)同克里金(Co-Kriging)、泛克里金(Universal Kriging,UK)、析取克里金(Disjunctive Kriging,DK)等。后三種插值方法是當存在多變量、隨機場和指數(shù)之間存在非線性關(guān)系等情況時，由克里金法改進而來。所以進行二氧化硫濃度空間插值分析主要研究有反距離權(quán)重法(IDW)和克里金法(kriging)。

反距離權(quán)重法(IDW)和克里金法(kriging)兩種空間插值方法都是局部插值法，兩者都是通過已知點位的數(shù)據(jù)推算未知點位的數(shù)據(jù)，換而言之就是具有空間的相關(guān)性。離已知點位越近的點位其數(shù)據(jù)特征就更加相似，反之離得越遠數(shù)據(jù)之間相似程度就越低。所以進行空間插值分析，插值點位的數(shù)量越多，分布越均勻其最終分析結(jié)果越準確，與實際值的偏離程度就越低。

4 兩種插值方法的對比

4.1 克里金法

克里金插值在地統(tǒng)計學中也被成為空間最優(yōu)無偏估計器，即當已知點位數(shù)據(jù)成高斯分布(正太分布)時，克里金插值是無偏估計算法中最科學、準確的一種[3]?？死锝鸱ㄊ墙⒃谧儺惡瘮?shù)理論上，變異函數(shù)由學期望、隨機場內(nèi)特定點的數(shù)學期望、方差運算等組成。變異函數(shù)的類型分別有球狀、指數(shù)、高斯、冪函數(shù)和空洞效應這五種?？死锝鸩逯禃鶕?jù)所選的變異函數(shù)模型進行模擬，最終對估計點進行估計。

4.2 反距離權(quán)重法

反距離權(quán)重插值與克里金法相比更為簡單、直接。其主要特點就是快速、精確，離散點越少插值分析的速度就越快。反距離權(quán)重法主要依據(jù)是反距離冪值，冪參數(shù)可依據(jù)距離來控制已知點位對插值的影響[4]。定義較小的冪值可以提高離散點對遠距離點位數(shù)據(jù)的影響，在外觀上也顯得更加平順。反距離權(quán)重法在插值過程中首先假設每個已知點位的數(shù)據(jù)都有著局部影響力，并且這種影響與距離成反比，隨著距離的增大而減弱，甚至沒有影響[5]。

5 結(jié)果與分析

對2018年寶山區(qū)大氣污染物二氧化硫濃度進行了反距離權(quán)重法(IDW)插值如圖1和克里金法(kriging)插值如圖2。

圖1 二氧化硫年均濃度(克里金法)Fig.1 the annual concentration of SO2(Kriging)

圖2 二氧化硫年均濃度(反距離權(quán)重法)Fig.2 the annual concentration of SO2(IDW)

由于監(jiān)測點位較少無法使用交叉驗證，從兩圖中可以看出二氧化硫濃度均是由北向南降低，克里金法(Kriging)的成圖較為平順，數(shù)據(jù)標準差較小，但是在分析過程中對離散點和估計點位的數(shù)據(jù)重新進行了運算，改變了原來的數(shù)據(jù)，突出了異常值，不能保證數(shù)據(jù)的準確性。反距離權(quán)重法(IDW)其標準差較前者相比略大，未考慮自身相關(guān)性所以精度略差，成圖也在極端值附近成圓形，但是不改變原來的數(shù)據(jù)，在之后的圖例中可以更直觀的表達各地域的二氧化硫濃度，插值數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表 1。

表1 插值數(shù)據(jù)統(tǒng)計 Table.1 data statistics of Interpolation

寶山區(qū)二氧化硫濃度分布圖，是以點概面為主，在數(shù)據(jù)方面并非呈正太分布并且存在異常值，所以在分析過程中克里金法模型自身就會存在一定的缺陷。同時反距離權(quán)重法雖然精度略微差些，但是不改變數(shù)據(jù)，使成圖可以更為直接的表達濃度的分布情況。

綜上，在環(huán)境監(jiān)測中，監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)是不容改變的，只有這樣才能保持監(jiān)測結(jié)論的高精度，所以最終采取反距離權(quán)重法。但是在數(shù)據(jù)上確實存在一個極端值，與其他數(shù)據(jù)相差較大，這樣會導致全區(qū)二氧化硫濃度評價結(jié)果偏高。