基于GIS的土壤重金屬污染分析與模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 建，戴秀清，劉曉鳳，李 燦，任安晶，李功權(quán)*

（1.長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100）

土壤重金屬污染具有不可逆性、難治理性等特點(diǎn)，將導(dǎo)致有害物質(zhì)在土壤、農(nóng)作物中大量積累[1]。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)土壤環(huán)境總體狀況堪憂，土壤中重金屬含量不斷增加，部分地區(qū)污染較嚴(yán)重，主要為砷、汞、鉛、鎘、鉻、銅、鋅、鎳等重金屬污染[2]，給生態(tài)環(huán)境和食品安全帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅[3]，不利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。本文通過(guò)對(duì)已有的重金屬污染源進(jìn)行科學(xué)管理，結(jié)合GIS的空間分析能力，將空間數(shù)據(jù)與土壤重金屬污染相結(jié)合；再利用重金屬污染二維模擬算法對(duì)重金屬污染進(jìn)行模擬和分析，從而預(yù)測(cè)重金屬污染的空間分布；然后結(jié)合GIS的多種可視化手段，更加直觀地表示重金屬污染源的相關(guān)信息和模擬結(jié)果，方便有關(guān)環(huán)保部門對(duì)重金屬污染源進(jìn)行查詢和管理，有利于環(huán)保部門及時(shí)解決、改善和管理重金屬污染問(wèn)題。因此，開發(fā)土壤重金屬污染分析與模擬系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 需求分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

土壤重金屬污染分析與模擬系統(tǒng)的主要任務(wù)是在組織和管理重金屬污染源的基礎(chǔ)上，對(duì)重金屬污染進(jìn)行模擬，并利用多種空間分析方法對(duì)其進(jìn)行分析，為相關(guān)部門及時(shí)解決重金屬污染問(wèn)題提供決策依據(jù)。根據(jù)用戶權(quán)限，系統(tǒng)將用戶分為管理員用戶和普通用戶兩類。普通用戶可實(shí)現(xiàn)屬性查圖、圖查屬性，可通過(guò)繪制區(qū)域查詢多元數(shù)據(jù)，也可查詢不同數(shù)據(jù)集之間的樣本點(diǎn)信息。系統(tǒng)需提供多樣化的方式對(duì)重金屬污染源進(jìn)行展示，如柱狀圖等，從而幫助用戶在數(shù)據(jù)源過(guò)多的情況下，更加直觀地掌握重金屬污染源的相關(guān)信息。當(dāng)選定重金屬污染源時(shí)，該污染源可高亮顯示，并可對(duì)其進(jìn)行模擬，直觀展示模擬結(jié)果，以便對(duì)土壤重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。管理員用戶除普通用戶的需求外，還需要數(shù)據(jù)輸入輸出功能。多樣化的空間分析方法（如表面等值線等）可以幫助用戶了解當(dāng)?shù)氐奈廴厩闆r，對(duì)污染源的擴(kuò)散、周圍土壤的被污染情況等進(jìn)行分析，從而為污染修復(fù)工作提供參考依據(jù)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

土壤重金屬污染分析與模擬系統(tǒng)的總體架構(gòu)主要分為請(qǐng)求處理層、業(yè)務(wù)邏輯層、通用處理層和數(shù)據(jù)持久層4層（圖1）。開放接口主要采用SuperMap的IClient、Openlayers和Jquery等實(shí)現(xiàn)；業(yè)務(wù)邏輯層由Tomcat進(jìn)行服務(wù)發(fā)布，業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)持久層之間利用Java的SSM架構(gòu)進(jìn)行溝通管理；通用處理層與外部接口之間由SuperMap的IServer進(jìn)行管理；數(shù)據(jù)源為MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖1 土壤重金屬污染分析與模擬系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

土壤重金屬污染分析與模擬系統(tǒng)以空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依托數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和SuperMap桌面版，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)科學(xué)高效地組織與管理；利用GIS的空間分析和專題圖制作等功能對(duì)重金屬污染進(jìn)行分析和展示；并結(jié)合點(diǎn)狀重金屬污染源二維擴(kuò)散算法進(jìn)行重金屬的二維污染模擬和熱力圖展示。根據(jù)上述需求分析，基于GIS的土壤重金屬污染分析與模擬系統(tǒng)主要分為地圖瀏覽與基本操作、查詢、空間分析、展示、重金屬污染模擬5個(gè)模塊（圖2），其中地圖瀏覽與基本操作模塊包括地圖瀏覽、圖層切換、圖層縮放、增添數(shù)據(jù)和用戶登錄注冊(cè)5個(gè)功能；查詢模塊包括點(diǎn)擊查詢、SQL查詢、繪制查詢和數(shù)據(jù)集4個(gè)功能；空間分析模塊包括緩沖區(qū)分析、泰森多邊形和表面等值線3種空間分析方法；展示模塊具有多種專題圖展示功能；重金屬污染模擬模塊包括二維模擬和熱力圖顯示兩個(gè)功能。

圖2 土壤重金屬污染分析與模擬系統(tǒng)總體功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 重金屬污染模擬模塊

通過(guò)研究對(duì)流—彌散模型的穩(wěn)定流擴(kuò)散，本文將影響土壤重金屬污染的主要傳播途徑歸為隨流擴(kuò)散[4]。重金屬污染源二維擴(kuò)散算法主要是將隨流作用與分子擴(kuò)散作用相結(jié)合，由于分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)符合Fick擴(kuò)散定律[5]，則有：

對(duì)其求解可得重金屬二維污染模擬，即

式中，C為濃度；Dx、Dy分別為x和y方向的擴(kuò)散系數(shù)；(x0,y0)為點(diǎn)污染源所在位置；(x,y)為污染到某一點(diǎn)的坐標(biāo)；M為瞬時(shí)污染強(qiáng)度；ux、uy分別為x和y方向的水流擴(kuò)散速度。

根據(jù)不同的重金屬類型，用戶在前端將該重金屬對(duì)應(yīng)的污染元素值傳送到后端，后端據(jù)此查詢?cè)擖c(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)、擴(kuò)散系數(shù)等相關(guān)信息；再將相關(guān)數(shù)據(jù)代入重金屬污染源二維擴(kuò)散模型中求解，得到該處對(duì)應(yīng)的重金屬污染濃度；然后以污染源為中心，通過(guò)雙層循環(huán)遍歷一個(gè)N×N的矩形，可以得到矩形中每個(gè)(x,y)處對(duì)應(yīng)的濃度，當(dāng)計(jì)算值小于某一特定值時(shí)，將其剔除，從而減少不必要的數(shù)據(jù)量和提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，若是多點(diǎn)源覆蓋的情況，則將值進(jìn)行疊加；最后將數(shù)據(jù)返回給前端，前端接收數(shù)據(jù)后，結(jié)合Echarts和IClient提供的熱力圖接口對(duì)污染模擬進(jìn)行動(dòng)態(tài)效果展示[6]，從而讓重金屬污染擴(kuò)散的可視化效果更加直觀。

2.2 空間分析模塊

該模塊利用表面等值線、泰森多邊形等多種分析方式，對(duì)污染源的擴(kuò)散、周圍土壤的被污染情況進(jìn)行分析，為污染修復(fù)工作提供參考。

泰森多邊形將相鄰的重金屬污染源點(diǎn)連接成三角形，并作其各邊的垂直平分線；再將每條垂直平分線的交點(diǎn)連接起來(lái)，即可得到一個(gè)多邊形，稱為泰森多邊形。重金屬污染濃度異常值包括全局異常值和局部異常值兩種，其中全局異常值是指相對(duì)于某種重金屬污染濃度數(shù)據(jù)集的所有值而言具有非常高值或非常低值；局部異常值是指雖然處于某種重金屬污染濃度的正常范圍內(nèi)，但其值與周圍點(diǎn)相比顯得異常高或異常低。 因此，可通過(guò)構(gòu)建泰森多邊形后檢查某個(gè)多邊形附近是否存在符號(hào)色彩差異很大的多邊形來(lái)確定是否存在異常值。表面等值線是將某種重金屬污染值通過(guò)內(nèi)插法插值后繪制而成的等值線。根據(jù)等值線的疏密變化和空間變化趨勢(shì)可直觀了解土壤重金屬污染源的分布與變化規(guī)律，為土壤重金屬污染防護(hù)與修復(fù)工作提供參考依據(jù)。緩沖區(qū)分析以點(diǎn)、線、面實(shí)體為基礎(chǔ)，自動(dòng)建立所選要素周圍一定寬度范圍內(nèi)的緩沖區(qū)多邊形圖層。通過(guò)重金屬污染源二維擴(kuò)散算法可得到點(diǎn)污染源的最大可擴(kuò)散距離，以最遠(yuǎn)距離為最遠(yuǎn)范圍，即可在系統(tǒng)中分析重金屬污染源擴(kuò)散危及的范圍，從而為有關(guān)部門的土地作物選擇提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 展示模塊

該模塊通過(guò)點(diǎn)聚合顯示、餅狀圖、柱狀圖等多種可視化手段，將各類重金屬元素的污染情況展示在地圖上。用戶可以根據(jù)自己的需求，選擇可視化的具體方式。

1）點(diǎn)聚合顯示。當(dāng)污染源點(diǎn)過(guò)多時(shí)，需采用點(diǎn)聚合效果，從而解決大量污染源點(diǎn)相互壓蓋、底圖加載卡頓等問(wèn)題。通過(guò)聚合顯示，能更加直觀地展示區(qū)域污染源點(diǎn)的密度。

2）單值柱狀圖專題圖。選擇指定種類的污染源，生成單值柱狀圖專題圖。柱狀高度越高，表示該污染源的污染程度越嚴(yán)重。

3）柱狀圖專題圖。選擇一種或多種污染源，生成分組式柱狀圖專題圖，可直觀顯示各種污染源在同一區(qū)域的污染程度，便于提出針對(duì)污染種類的防護(hù)措施。

4）餅狀圖專題圖。選擇指定污染源種類或多種污染源生成餅狀圖專題圖，可直觀顯示各類土壤重金屬數(shù)量與各種污染源數(shù)量總和的比例。

5）玫瑰圖專題圖。選擇指定污染源種類或多種污染源生成玫瑰圖專題圖，點(diǎn)狀符號(hào)作為特定區(qū)域污染源總數(shù)量，通過(guò)配合顏色、方向等多種變量，產(chǎn)生多變的圖形擴(kuò)展，將各類重金屬含量顯示在圖上，可重點(diǎn)突出污染嚴(yán)重的重金屬種類。

2.4 查詢模塊

該模塊提供了點(diǎn)擊查詢、繪制查詢、SQL查詢和數(shù)據(jù)集等功能。通過(guò)多種查詢方式，查詢不同重金屬污染采樣點(diǎn)的各種重金屬濃度。點(diǎn)擊查詢是通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊采樣點(diǎn)，將該點(diǎn)放入數(shù)據(jù)集中，被選對(duì)象高亮顯示，以餅狀圖和漏斗圖顯示各種重金屬濃度。繪制查詢是通過(guò)繪制多邊形，獲取多邊形覆蓋的點(diǎn)集合，被選點(diǎn)集合高亮顯示，以餅狀圖和漏斗圖顯示點(diǎn)集合中采樣點(diǎn)的各種重金屬濃度。SQL查詢是指在客戶端合成查詢SQL語(yǔ)句，再向服務(wù)器提交，進(jìn)行SQL查詢；通過(guò)選擇重金屬的種類和濃度等級(jí)，顯示查詢得到的點(diǎn)集合，查詢結(jié)果在圖形顯示窗口中高亮顯示，其屬性以餅狀圖和漏斗圖顯示。數(shù)據(jù)集可保存當(dāng)前查詢到的樣本信息，并可通過(guò)點(diǎn)擊上一點(diǎn)或下一點(diǎn)查詢數(shù)據(jù)集中樣本點(diǎn)的信息。

2.5 地圖瀏覽與基本操作模塊

系統(tǒng)提供用戶登錄注冊(cè)、地圖瀏覽、圖層切換、圖層縮放等基本功能的同時(shí)，還提供了選擇高亮顯示功能，即選擇特定污染源種類后，將在地圖上形成高亮區(qū)域進(jìn)行顯示；支持多種導(dǎo)入數(shù)據(jù)格式的輸入輸出，如Excel格式重金屬污染源數(shù)據(jù)的輸入輸出，也可在系統(tǒng)中直接錄入污染源數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與功能實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)現(xiàn)采用條件

根據(jù)現(xiàn)有軟硬件資源和實(shí)際需要，基于GIS的土壤重金屬污染分析與模擬系統(tǒng)采用B/S體系結(jié)構(gòu)，在Windows 10操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，利用開源的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)組織和管理空間數(shù)據(jù)；前端采用具有解譯性、動(dòng)態(tài)性、跨平臺(tái)性等特點(diǎn)的Javascript語(yǔ)言[7]，后端采用具有面向?qū)ο蟆⒖缙脚_(tái)性、安全與健壯性的Java語(yǔ)言編寫；利用IDesktop對(duì)矢量圖層進(jìn)行編輯，對(duì)坐標(biāo)系和投影進(jìn)行設(shè)置；在IDesktop中將生成的數(shù)據(jù)發(fā)布到本地服務(wù)器的IServer中。

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 重金屬污染分析功能

以空間分析模塊中的表面等值線分析為例，在彈出的下拉選擇框中選擇不同重金屬元素，此處選擇As元素，后端將As點(diǎn)污染源二維擴(kuò)散算法計(jì)算后的值存放到相關(guān)的表中，并將信息傳送給前端，前端通過(guò)IClient提供的接口實(shí)現(xiàn)表面等值線分析。各區(qū)域土壤重金屬污染程度如圖3所示，線越密集，重金屬污染程度越嚴(yán)重；線越稀疏，重金屬污染程度越輕微，據(jù)此可提出合理且具有針對(duì)性的有效防治措施，順利開展工作。

圖3 表面等值線分析結(jié)果

3.2.2 重金屬污染模擬擴(kuò)散功能

在重金屬元素選擇欄中選擇元素類型，此處選擇Cd元素，將Cd元素污染模擬后的數(shù)值傳輸給IClient提供的熱力圖接口，并將模擬結(jié)果生成的熱力圖顯示在主界面，如圖4所示，其中深色區(qū)域?yàn)镃d元素污染嚴(yán)重區(qū)域，淺色區(qū)域?yàn)镃d元素污染輕微區(qū)域。該功能可幫助用戶更加直觀地了解點(diǎn)狀污染源模擬擴(kuò)散后在不同區(qū)域的污染嚴(yán)重程度。

圖4 污染模擬熱力圖結(jié)果顯示

3.2.3 專題顯示功能

在展示模塊中可選擇不同的顯示方式，均會(huì)直接生成對(duì)應(yīng)的專題圖顯示在主界面上，且結(jié)果圖均支持多種格式圖片的保存。以玫瑰圖展示為例，在功能選擇區(qū)選擇玫瑰圖展示，后端將每個(gè)點(diǎn)狀污染源的占比數(shù)據(jù)傳送給前端，前端通過(guò)IClient提供的接口實(shí)現(xiàn)玫瑰圖展示（圖5）。通過(guò)比較各金屬元素的含量，可以了解各重金屬的污染程度以及該地區(qū)哪種重金屬元素污染最嚴(yán)重等情況。

圖5 玫瑰圖顯示結(jié)果

3.2.4 重金屬元素查詢功能

在查詢模塊中可選擇不同查詢方式，查詢結(jié)果均在主界面和對(duì)話框中顯示。以繪制查詢?yōu)槔?，在該區(qū)域繪制多邊形，并將多邊形內(nèi)重金屬污染源點(diǎn)的ID值返回給后端，后端通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢得到相關(guān)信息并傳送給前端，前端以餅狀圖的形式將各重金屬的含量顯示在查詢對(duì)話框中（圖6）。

圖6 繪制查詢結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文將WebGIS技術(shù)與二維污染模擬算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了污染查詢、分析、模擬等功能。針對(duì)點(diǎn)污染源二維擴(kuò)散算法計(jì)算得到的空間數(shù)據(jù)難以組織、管理和可視化等問(wèn)題，本文利用SuperMap管理點(diǎn)污染源的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用ECharts實(shí)現(xiàn)了污染數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，以加強(qiáng)污染模擬擴(kuò)散的直觀性；且用戶可添加自定義污染源點(diǎn)，增加了程序的通用性和可操作性；結(jié)合多種空間分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而為后續(xù)環(huán)境治理提供技術(shù)支持。