Surfer和MapGIS軟件在污染場地地下水調(diào)查中的應(yīng)用

吳穎慧

中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101

MapGIS是中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院武漢中地信息工程有限公司自行研制開發(fā)的大型基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)軟件平臺[1]，現(xiàn)廣泛用于數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)勘查測繪、土地管理、環(huán)境評價、場地調(diào)查等領(lǐng)域。伴隨著地勘單位向環(huán)境影響評價、場地環(huán)境調(diào)查項目的業(yè)務(wù)拓展，MapGIS在其相關(guān)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用也越來越廣。Surfer軟件是美國Golden Software公司開發(fā)的數(shù)字化圖形應(yīng)用軟件，具有操作簡單、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、界面友好、功能多樣等特點，有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和多樣的插值方法，是用來處理X、Y、Z數(shù)據(jù)的首選軟件[2]。Surfer可以輕松制作數(shù)據(jù)點位圖、等值線圖、趨勢圖、矢量圖等；此外，軟件提供了12種插值方法，幾乎包含所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法；提供多種與其他GIS相關(guān)軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式，使軟件間能夠很好地完成數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換，并且具有一定的圖形編輯功能[3]。

然而，MapGIS軟件和Surfer軟件也存在著一定的局限性。在污染場地地下水調(diào)查項目中，涉及很多對水井點位、水位標(biāo)高等離散數(shù)據(jù)的處理，MapGIS軟件提供離散數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化的數(shù)學(xué)模型較少，僅4種：距離冪函數(shù)反比加權(quán)網(wǎng)格化，Kriging-泛克里格法，稠密數(shù)據(jù)中值選取法，稠密數(shù)據(jù)高斯距離權(quán)法。MapGIS數(shù)據(jù)處理能力不足，操作界面不是很簡潔，繪制的地下水等水位線采用距離冪函數(shù)反比加權(quán)網(wǎng)格化法，效率較高，曲線圓滑，但在局部區(qū)域出現(xiàn)了等值線缺失現(xiàn)象和疏密分布不均勻現(xiàn)象[4]。Surfer軟件圖形繪制和展示能力有限，軟件內(nèi)部所集成的各類坐標(biāo)系統(tǒng)與我國相關(guān)坐標(biāo)系統(tǒng)并未完全兼容，在完成圖件修飾操作過程時明顯不足，例如添加圖例、比例尺等，有必要結(jié)合像MapGIS這類軟件進(jìn)行補(bǔ)充應(yīng)用。筆者通過收集整理天津市東麗區(qū)某污染場地資料，發(fā)揮Surfer和MapGIS軟件各自的優(yōu)點，對各項數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，制作相關(guān)圖件，為編制污染場地報告提供一種簡單、易操作的過程和方法。

1 項目基本概況

調(diào)查區(qū)位于天津市東麗區(qū)程林莊工業(yè)區(qū)，登州路與程環(huán)道交匯處，交通便利。本次項目在收集研究區(qū)周邊區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上[5]，通過水文地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)鉆探、水位統(tǒng)測等工作手段，初步查明了該調(diào)查區(qū)潛水含水層的水文地質(zhì)條件。調(diào)查區(qū)內(nèi)共布設(shè)水文地質(zhì)勘察和水位監(jiān)測孔11個，勘察深度均為6m，分別為S1、S6、S9、S10、S12、S14、S15、S16、S20、S21、S25。

在污水場地地下水調(diào)查過程中，主要收集測繪和監(jiān)測數(shù)據(jù)等，其中測繪數(shù)據(jù)2包括調(diào)查區(qū)邊界拐點坐標(biāo)、地下水監(jiān)測井點位坐標(biāo)、地下水監(jiān)測井地面和管口高程、地下水穩(wěn)定水位等。為了解研究區(qū)內(nèi)潛水流場特征，保證水位測量的精度，采用水位計對本次施工的11個水位監(jiān)測孔進(jìn)行水位統(tǒng)測工作，合計完成11點次。獲得井口標(biāo)高、水位埋深及水位標(biāo)高數(shù)據(jù)（表1）。

表1 潛水地下水位統(tǒng)測結(jié)果一覽表 Table 1 List of test results of diving groundwater level

由地下水水位統(tǒng)測結(jié)果可知，水位標(biāo)高為1.648～1.914m，平均水位標(biāo)高為1.764m。

獲得地下水井水位數(shù)據(jù)后，通過Surfer軟件制作地下水水位等值線圖、地下水流向圖、地下水流場圖等，輸出獲得MapGIS軟件可使用的格式文件，再由MapGIS軟件進(jìn)行修飾，最終完成各項數(shù)據(jù)的分析和圖件的制作。旨在為污染研究區(qū)地下水調(diào)查項目提供一種方便、實用、可操作性強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和制圖方法。

2 數(shù)據(jù)的整理與轉(zhuǎn)換

2.1 txt數(shù)據(jù)

txt數(shù)據(jù)為surfer軟件處理的主要數(shù)據(jù)格式。首先完成數(shù)據(jù)采集，將整理過的數(shù)據(jù)輸入Excel中或直接將數(shù)據(jù)粘貼入記事本，另存為txt格式。處理數(shù)據(jù)一般為四列，包括點位名稱、點位坐標(biāo)（X值、Y值）、點位賦值等。

在污水場地地下水調(diào)查過程中，點位的賦值為水位標(biāo)高，可根據(jù)研究區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)直接獲得，即水位標(biāo)高=井口標(biāo)高-水位埋深。點位圖、流場圖、矢量圖等圖件的數(shù)據(jù)主要為水井的點位坐標(biāo)和水位標(biāo)高。獲得的數(shù)據(jù)也應(yīng)保存為txt格式（圖2）。

圖2 txt導(dǎo)入Surfer軟件示意圖 Fig 2 Import txt files to the Surfer software interface

2.2 Data數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)柵格化是分析處理點位數(shù)據(jù)的前提，通過surfer軟件中的Grid實現(xiàn)。

(1)打開surfer菜單欄中的Grid選項，選擇Data（圖3）。

圖3 Data選擇示意圖 Fig 3 Data selection schematic interface

(2)打開水井的水位標(biāo)高txt格式文件，點選Data Columns下的X、Y和Z，對應(yīng)水井點位坐標(biāo)和水位標(biāo)高賦值。Gridding Method下拉菜單中選擇Kriging，其它均設(shè)定為默認(rèn)值保存（圖4）。

圖4 Gridding Method的選擇 Fig 4 Gridding method selection interface

（3）Kriging的選擇

Surfer軟件提供了10余種插值方法：距離倒數(shù)(Inverse distance to a power)、克里格(Kriging)、最小曲率(Minimum Curvature)等。場地調(diào)查地下水的實際工作中，一般利用有限的點位坐標(biāo)和地下水水位標(biāo)高數(shù)據(jù)，通過空間插值模擬，對地下水的變化趨勢進(jìn)行呈現(xiàn)。

克里格(Kriging)法又稱空間局部插值法，是地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的主要內(nèi)容之一，在1951年克里格（D.G.Krig）首次應(yīng)用于南非金礦，隨后法國統(tǒng)計學(xué)家G.Matheron在研究地質(zhì)學(xué)現(xiàn)象的空間結(jié)構(gòu)和進(jìn)行空間估值的基礎(chǔ)上，將克里格法理論化、系統(tǒng)化[6]?？死锔穹ㄊ歉鶕?jù)待插值點與臨近實測水位控制點的空間位置，對待插值點的水位標(biāo)高值進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計，通過生成一個關(guān)于水位標(biāo)高的克里格插值圖來表達(dá)研究區(qū)地下水的賦存狀態(tài)[7]。

近些年，國內(nèi)從事地下水位插值研究的同行們也通過各類項目的實施，研究對比克里格(Kriging)法在類似項目的優(yōu)勢。應(yīng)用于地下水插值時，克里格法比趨勢面法更為精確[8]，它在模擬區(qū)域地下水位估值時線性漂移取得了良好的效果[9]，在賦權(quán)時，綜合考慮距離、方位的影響[10-11]。理論上，克里格插值較其他方法更好，在趨勢變化圖中，克里格插值結(jié)果與實際相符，表面也較光滑[12-13]。綜上，當(dāng)數(shù)據(jù)的空間連續(xù)性變化的屬性非常不規(guī)則時，克里格法能較好地表示隱含在數(shù)據(jù)中的趨勢，尤其適用于污染場地地下水調(diào)查時采樣點分散、無規(guī)律情形下的數(shù)據(jù)處理和分析。收集的點位數(shù)據(jù)越多，生成的地下水水位等值線圖越準(zhǔn)確。

3 等值線圖的繪制

在對場地地下水流向模擬過程中，需要顯示調(diào)查范圍、地下水監(jiān)測井的點位、地下水等值線、地下水流向等，需要將點位圖、等值線圖、矢量圖進(jìn)行疊加分析，完成對地下水流場的研究。

（1）surfer軟件讀取數(shù)據(jù)對話框，注意X、Y、Z要選對。其中X、Y為坐標(biāo)值，Z為水井的水位標(biāo)高，單位為m。X-Direction和Y-Direction中“Minimum，Maximum”值的設(shè)置應(yīng)根據(jù)調(diào)查區(qū)的拐點坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整（圖5），從而完成對整個區(qū)域的插值，以做到流場圖的等值線包含整個調(diào)查范圍。點擊確定創(chuàng)建Grid格式文件。

（2）利用坐標(biāo)和水位標(biāo)高數(shù)據(jù)（單位為m）進(jìn)行等值線圖的制作。點擊Surfer軟件菜單欄中的“Map→New→Contour Map”（圖6），打開上一步生成的Grid文件，單擊“OK”，得到一幅等值線圖（圖7）。

圖6 Contour Map 的設(shè)置 Fig 6 Setting interface of contour map

圖7 水位標(biāo)高等值線圖（單位為m） Fig 7 Water level elevation contour map

（3）在左側(cè)菜單中設(shè)置等值線的起始值、終止值和等高距，以及成圖比例等參數(shù)。如在等值線圖X、Y坐標(biāo)軸上雙擊鼠標(biāo)或單擊右鍵選中“Properties”設(shè)置等值線的各種屬性（圖8）。

圖8 等值線圖的參數(shù)設(shè)置 Fig 8 Parameter setting interface of contour map

雙擊左側(cè)Object Manager中Contours或雙擊剛生成的等值線圖，完成對Contours Properties的設(shè)置，可對等值線進(jìn)行著色和修飾。

（4）添加點位圖

Surfer軟件菜單欄中的“Map→New→Post Map”，Post輸入時為.txt格式。打開需要投入等值線圖中的點位txt文件，單擊“OK”，添加點位圖（圖9）。其中，生成的點位盡量小，這樣生成圖片格式后便于在MapGIS中修改。

圖9 點位圖的生成 Fig 9 Generation of the point map

將點位圖Post左鍵拖動至Map Contours中，雙擊Post，設(shè)置Map：Post Properties的各類參數(shù)，如顏色、子圖、透明度和大小等（圖10）。

圖1 調(diào)查區(qū)地下水井平面布置圖 Fig 1 Layout plan of the groundwater well in the survey area

圖10 點位圖的參數(shù)設(shè)置 Fig 10 Parameter setting for the point map

（5）Grid Vector Map矢量圖

為制作地下水流場圖，通過矢量分析可判斷地下水的流向。Surfer軟件菜單欄中的“Map→New→Grid Vector Map”，選擇生成的Grid文件，成圖（圖11）。

圖11 矢量圖的生成 Fig 11 Generation of vector map

通過分析矢量圖可知，調(diào)查區(qū)西北部個別水井中的潛水具有一定的承壓性，總體上能判斷區(qū)內(nèi)地下水的流向為：由西北流向東南。

（6）Surfer軟件圖形的輸出

通過File菜單下“Export”輸出圖片格式，jpg、tif格式均可。

4 MapGIS成圖

流場圖制作主要應(yīng)用Surfer軟件生成等值線圖，將Surfer軟件生成的等值線圖tif格式文件，以點的形式添加到MapGIS（圖12）。再通過點線面文件對圖形完成修飾，如添加圖例、比例尺等。其范圍、點位以及文字描述均在MapGIS中完成，方便后期的修改。

圖12 MapGIS添加點格式文件和Surfer生成圖片 Fig 12 MapGIS Add point format file and Surfer generate pictures

Surfer軟件閉合區(qū)域曲線，白化或鏤空法不能很好地保留生成圖件內(nèi)的標(biāo)識[14]。在MapGIS軟件中依據(jù)研究區(qū)范圍畫線，確定調(diào)查區(qū)邊界，再建區(qū)將范圍外的區(qū)域覆蓋，編輯點位、水流向、圖例、比例尺等最終成圖[1,15-18]（圖13），輸出圖片格式。

圖13 地下水流場圖 Fig 13 Groundwater flow field map

5 文件轉(zhuǎn)換應(yīng)注意的問題

污染場地地下水調(diào)查項目需要完成各項數(shù)據(jù)的處理、分析和圖件的制作。目前均是Surfer與MapGIS以及Surfer與AutoCAD的格式轉(zhuǎn)換。

5.1 Surfer轉(zhuǎn)MapGIS格式

通常是先將Surfer圖形文件輸出成dxf或mif格式，再轉(zhuǎn)換成MapGIS的點、線、面格式[19-20]。但在Surfer圖件轉(zhuǎn)換為MapGIS圖件時，其等值線標(biāo)注會有偏移，使圖件不標(biāo)準(zhǔn)也不美觀。再者兩軟件采用的單位不同，Surfer軟件和MapGIS的單位分別是cm和mm，轉(zhuǎn)換時要注意圖形比例不同[21]，生成的點、線、面混亂零散，甚至有些相互混入，修改的工作量太大，無法輕松完成工作。轉(zhuǎn)換后的字體、線型、線的參數(shù)等內(nèi)容也要重新調(diào)整。

5.2 對比Surfer軟件和AutoCAD在污染場地地下水調(diào)查項目中的應(yīng)用

Surfer軟件輸出文件類型選擇為“AutoCAD(*.dxf)”類型，再由AutoCAD導(dǎo)入、編輯[5,22-23]。在轉(zhuǎn)換過程中，雖相較于轉(zhuǎn)成MapGIS稍好，但地勘單位的技術(shù)人員應(yīng)用AutoCAD軟件較少，不能很好的操作。

6 結(jié)論

污染場地地下水調(diào)查中不但需要對項目獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、匯總與分析，還需要顯示調(diào)查區(qū)地下水監(jiān)測井的點位、地下水水位等值線圖、地下水流向、地下水流場圖等。通過Surfer和MapGIS軟件結(jié)合使用，發(fā)揮兩者的優(yōu)點，使用Surfer軟件能對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，且繪制出的圖形更加美觀且易于調(diào)整。利用Surfer軟件作圖并轉(zhuǎn)換成MapGIS格式圖件，既滿足了提交資料的要求，也更符合地質(zhì)工作者的使用要求。通過介紹兩種專業(yè)軟件聯(lián)用的使用方法和技巧，提供了一種簡單、易操作的過程和方法，為廣大地勘技術(shù)人員提供一定的借鑒。