地表水環(huán)境質(zhì)量可視化系統(tǒng)的研究與應用

陳軍，張俊萍，王振興，樊娟，瞿白露

地表水環(huán)境質(zhì)量可視化系統(tǒng)的研究與應用

陳軍1，張俊萍2，王振興3，樊娟4，瞿白露1

（1.長沙市環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南 長沙 410001；2.長沙市公安局，湖南 長沙 410005；3.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州 510655；4.湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南 長沙 410083）

為增強水質(zhì)評價結(jié)果的直觀性，以湖南省地表水為研究對象，根據(jù)地表水水體形狀的特點和地表水水質(zhì)監(jiān)測斷面設置的情況，用ArcGIS Engine對空間數(shù)據(jù)進行讀取和展現(xiàn)，用GDI+技術對河流型水質(zhì)實現(xiàn)連續(xù)漸變的可視化，用反距離插值法實現(xiàn)湖庫型水質(zhì)的可視化。在Visual Stdio.Net平臺上，將GIS技術、GDI+技術和地統(tǒng)計插值技術等有機融合，建立了地表水水質(zhì)可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了在電子地圖上對各地表水水質(zhì)監(jiān)測斷面綜合評價結(jié)果的可視化表征。該系統(tǒng)具有操作簡單、運行效率較高的特點，顯著增強了水環(huán)境質(zhì)量表征的直觀性，為水環(huán)境質(zhì)量管理和污染防控提供了最直接的科學依據(jù)。

地表水；水質(zhì)；可視化系統(tǒng)；ArcGIS Engine

從“十三五”開始，環(huán)保部將全面啟動實施環(huán)境質(zhì)量達標改善行動，持續(xù)精準改善城鄉(xiāng)環(huán)境質(zhì)量[1]。將環(huán)境質(zhì)量改善提升到一個新的高度，是廣大民眾和各級政府關注的焦點。而地表水環(huán)境質(zhì)量又是其中的重點之一，主要是通過布設一定監(jiān)測斷面，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）進行監(jiān)測，客觀反應水質(zhì)狀況。目前，各地主要以文字表格的形式來報送地表水的水質(zhì)狀況，不太直觀。雖然有些地方使用了GIS技術來制作一些專題圖，但當相鄰斷面水質(zhì)類別不同時色彩表征會跳躍變化，而且大多采用手工形式，操作步驟比較煩瑣。有部分學者研究采樣水質(zhì)模型與GIS相結(jié)合表征水質(zhì)狀況[2-9]，然而水質(zhì)模型參數(shù)獲取的工作量較大，且往往只針對單個的指標，難以整體反應河流的水質(zhì)情況，主要用于表征某種污染物的擴散。本文根據(jù)水體的特點和水質(zhì)監(jiān)測斷面的設置情況，將水體分為線性漸變的線狀河流、可插值的面狀湖庫和不可插值的面狀湖庫，分別進行可視化表征后整合成一張完整的地表水水質(zhì)情況分布圖。在地圖上既可直觀看到各斷面的水質(zhì)級別狀況，又可以看到流域的水質(zhì)變化情況，顯著提高了環(huán)境管理的效率。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 河流離散線性化

河面較寬的河流在GIS里一般以面的形式來表達，而河流是有方向的，因此，需要將多邊形的面狀河流線性化。在計算機圖形學里，線段具有寬度屬性，因而可以在河流的屬性表中添加一個河寬的字段用來區(qū)分干流和支流。河流的線性化即河流中心線的提取可在ArcGIS平臺上將河流柵格化后二值化，然后通過ArcScan工具欄里的“Generate Features Inside Area”工具來實現(xiàn)[10]。一段河流的水質(zhì)情況一般由兩個監(jiān)測斷面來控制，因而需要對河流按照水質(zhì)監(jiān)測斷面的具體設置位置進行離散化。一段河流在GIS中作為一個要素表達，其屬性包括上游監(jiān)測斷面和下游監(jiān)測斷面的名稱。此外，該河段（線要素）的方向必須與水流方向一致。河流線要素的屬性表結(jié)構(gòu)設計如表1所示。

表1 河流線要素的屬性表結(jié)構(gòu)

代碼名稱類型長度 name河段名稱字符型50 stpt上游斷面名稱字符型50 edpt下游斷面名稱字符型50 width河流寬度短整型4

1.2 監(jiān)測結(jié)果規(guī)范化

對地表水各監(jiān)測斷面進行監(jiān)測獲得監(jiān)測結(jié)果，按國家標準進行評價后，可獲得該斷面的水質(zhì)類別。為了使程序能識別監(jiān)測斷面的水質(zhì)類別，因而需要對輸入系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果進行規(guī)范化存儲。Excel是目前使用最為廣泛的電子表格，操作簡便，且可用OleDB驅(qū)動程序當作數(shù)據(jù)庫進行處理，讀寫速度較快[11]。因此，選用Excel作為數(shù)據(jù)交換的存儲格式，將監(jiān)測結(jié)果放到一張Excel表格中，第一行為表頭，第二起為數(shù)據(jù)，中間不能有空行。該表格中必須包含監(jiān)測斷面名稱和水質(zhì)類別兩列數(shù)據(jù)，且監(jiān)測斷面名稱必須與線性離散化河流屬性表中的監(jiān)測斷面名稱一致；水質(zhì)類別類型約定為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類6種類型進行描述。

1.3 電子地圖模板化

地表水水質(zhì)表征的模式一旦確定，就很少有大的變更。因此，采用地圖模板的形式可以很好地適應這一常態(tài)，如果地圖有更新或變動，則只需修改地圖模板，甚至為滿足不同的需求可以制作多個模板。本系統(tǒng)基于ArcGIS Engine，利用ArcMap強大的制圖功能來制作各類地圖模板，然后在表征系統(tǒng)中調(diào)用?？梢暬椒ㄅc地圖模板的松耦合，可以最大程度上擴展系統(tǒng)的功能，以達到表征效果多樣化的目的。

2 河流水質(zhì)表征

對河流按監(jiān)測斷面進行離散線性化后，河流由河段組成，河段由線段組成，線段則由兩個結(jié)點構(gòu)成。根據(jù)河段兩個端點的水質(zhì)類別，則可根據(jù)一定的原則設定其顏色，用RGB值表示。如果河段兩端的水質(zhì)類別相同，則只需用同一個顏色繪制該河段即可；如果河段兩端的水質(zhì)類別不同，則需要將河段等分成水質(zhì)類別差值的段數(shù)，然后再對每個子河段進行漸變渲染。子河段的各結(jié)點顏色采用線性內(nèi)插法[12]獲得：

=×R+（1－）×R

=×G+（1－）×G

=×B+（1－）×B（1）

式（1）中：為起始顏色；為終止顏色；、、為顏色的三原色；為顏色比，區(qū)間為（0～1）。

河段中兩個結(jié)點組成的線段，利用GDI+技術擴展ArcGIS Engine中ILineSymbol與ISymbol接口的符號類，可以實現(xiàn)其漸變效果。具體流程如圖1所示。

3 湖庫水質(zhì)表征

湖庫水質(zhì)的表征分兩種情況：①當水域面積較小時，設置監(jiān)測斷面數(shù)量小于9個湖庫，按照其水質(zhì)類別，用單一的顏色來表征湖庫的水質(zhì)；②當水域面積較大時，設置監(jiān)測斷面數(shù)量大于或等于9的情況，采用以庫區(qū)為邊界條件，通過插值來獲得整個湖庫的水質(zhì)情況。反距離加權插值法基于相似的原理，用與此區(qū)域內(nèi)已知的樣點值來預測區(qū)域內(nèi)除樣點外的任何位置的值，計算公式比較簡單，是一種精確性插值法[13]，故本文選用該插值法對湖庫的水質(zhì)情況進行插值。

4 結(jié)果輸出

在完成河流和湖庫水質(zhì)狀況的可視化表征后，需要將表征結(jié)果以圖片格式進行輸出，通過ArcGIS Engine中提供的IExport接口來實現(xiàn)。默認情況下，由于ArcGIS平臺輸出圖片時與GDI+繪制圖形所采用的度量單位不一致，導致在用ArcGIS顯示的地圖上用GDI+技術繪制漸變的河流時會出現(xiàn)錯位現(xiàn)象，因此，經(jīng)反復分析與測試，在用GDI+繪制圖形時將其度量單位設置成像素，即g.PageUnit=GraphicsUnit.Pixel，可有效解決該問題。

5 系統(tǒng)構(gòu)建與應用

在Visual Stdio.Net平臺上，基于C#語言，有機整合GIS、GDI+以及地統(tǒng)計學中的空間插值等技術，設計并開發(fā)了操作簡便、運行高效的可視化系統(tǒng)，如圖2所示。

通過該系統(tǒng)，用戶只需導入水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表，選擇地圖模板并配置有關參數(shù)，即可生成專題圖。在生成專題圖過程中，系統(tǒng)自動讀取水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果文件，根據(jù)河流和湖庫的形狀和監(jiān)測斷面設置，完成各類河流和湖庫的可視化計算與渲染表征，并將結(jié)果以JPG格式輸出。通過該系統(tǒng)生成的包括河流漸變表征、洞庭湖差值表征和其他湖庫單一值表征的DPI為1200的湖南省某年某月地表水水質(zhì)狀況如圖3所示（水質(zhì)類別數(shù)據(jù)非真實數(shù)據(jù)，僅供模擬用）。

圖1 河流漸變渲染流程圖

圖2 可視化表征系統(tǒng)界面

由圖3可以直觀看出，湖南省各主要干流水質(zhì)整體較好，大部分屬于Ⅱ類或Ⅲ類。但洞庭湖水質(zhì)相對較差，主要屬于Ⅳ類水體，局部水域?qū)儆冖躅悺?/p>

圖3 湖南省地表水水質(zhì)狀況圖

6 結(jié)束語

將GIS技術、GDI+技術和地統(tǒng)計插值技術等有機融合，建立了地表水水質(zhì)可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了在電子地圖上對各地表水水質(zhì)監(jiān)測斷面綜合評價結(jié)果的可視化表征，該系統(tǒng)功能齊全、界面友好、操作簡便、計算快速，并成功地應用于湖南省地表水質(zhì)監(jiān)測的各類水質(zhì)報告制作工作中，使地表水水質(zhì)狀況能夠清晰、明了、直觀地表達。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.069

2095－6835（2019）13－0157－03

〔編輯：嚴麗琴〕