基于GIS技術(shù)的區(qū)域地表水變化特征監(jiān)測分析

溫長洲

(廣東省汕尾生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 汕尾 516600)

1 引言

地表水作為地球水資源系統(tǒng)的重要組分之一，其不僅在水、汽循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，而且是連接植被、土壤和大氣的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，隨著全球氣溫逐步升高，地表水、植被、土壤水分蒸散加劇，導(dǎo)致區(qū)域性干旱現(xiàn)象頻發(fā)[1]。在此基礎(chǔ)上，合理地監(jiān)測區(qū)域范圍地表水變化特征，對干旱防治和地表水遷移分析具有重要意義。

傳統(tǒng)地表水變化特征監(jiān)測中多采用野外水資源勘測和代表性樣點選取方法，雖然勘測精度高，但很難將測定結(jié)果應(yīng)用于大尺度地表水特征分析；相比較傳統(tǒng)監(jiān)測方法，地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)技術(shù)因具備特征因子篩選、數(shù)學(xué)模型預(yù)測分析、空間分析等能力[2]，使其能精準(zhǔn)、及時地監(jiān)測地表水特征，如通過空間分析法將地表水代表特征樣點要素插值分析，將區(qū)域離散地表水特征點轉(zhuǎn)化為可視化(2D或三維模型)的連續(xù)性地表水監(jiān)測空間面數(shù)據(jù)，進而通過可視化分析直觀、科學(xué)地評估、預(yù)測和分析區(qū)域地表水特征規(guī)律變化[3，4]。本文通過對GIS關(guān)鍵技術(shù)特征因子選取、統(tǒng)計分析、協(xié)同克里格插值分析、可視化分析后，探討了影響區(qū)域地表水變化的特征主體驅(qū)動因子，并應(yīng)用GIS技術(shù)科學(xué)且高效地管理區(qū)域地表水，以助推國內(nèi)水文地質(zhì)(地表水)資源可持續(xù)發(fā)展。

2 區(qū)域地表水監(jiān)測中GIS技術(shù)現(xiàn)狀分析

近年來，隨著區(qū)域尺度地表水特征監(jiān)測研究的開展，使GIS技術(shù)逐步成為地表水時空分布特征研究的關(guān)鍵點。如相關(guān)學(xué)者通過GIS技術(shù)完成對渭河下游區(qū)域地表水洪澇、干旱、沉降等環(huán)境風(fēng)險評價[5]；以塔里木河下游地表水蒸發(fā)、入滲、地表溫度、風(fēng)速等指標(biāo)構(gòu)建地表水資源承載力評價體系，對區(qū)域地表水水量變化、水質(zhì)安全性評估分析，判定該區(qū)域內(nèi)地表水變化趨勢和潛在因素風(fēng)險性[6，7]。實踐表明GIS技術(shù)在水質(zhì)污染、承載力分析、時空分布特征應(yīng)用中均取得了一定成效；其次，GIS技術(shù)在區(qū)域地表水監(jiān)測中因基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、專業(yè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲的大量地理基礎(chǔ)信息、區(qū)域地表水分布特征信息、地理位置特征信息等，使GIS技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用更為關(guān)鍵。

3 GIS技術(shù)理論概述

3.1 監(jiān)測基礎(chǔ)原理分析

GIS監(jiān)測原理是實現(xiàn)所在區(qū)域監(jiān)測對象地理空間數(shù)據(jù)采集、存儲管理、統(tǒng)計分析、地理坐標(biāo)投影編輯、插值預(yù)測制圖一體化分析和應(yīng)用處理[8]，結(jié)果見圖1。通過圖1可知，GIS技術(shù)監(jiān)測分析區(qū)域地表水變化特征基礎(chǔ)以兩部分為主：一是以GIS技術(shù)分析地表水環(huán)境時空特征和風(fēng)險等級，進而隨機篩選區(qū)域范圍中地表水監(jiān)測樣點以采集獲取實地調(diào)查地表水?dāng)?shù)據(jù)；二是通過地表水遷移、降沉、彌散、實地采集調(diào)查和遙感(RS)技術(shù)分析或篩選地表水特征因子，經(jīng)克里金插值、模型驗證分析后，輸出模擬圖表、數(shù)據(jù)要素，實現(xiàn)可視化功能、以分析地表水時空變化特征及區(qū)域地表水?dāng)U散規(guī)律[9]。

圖1 GIS技術(shù)監(jiān)測地表水特征變化基礎(chǔ)原理

3.2 GIS技術(shù)主體特征

GIS技術(shù)主體由空間數(shù)據(jù)處理和空間數(shù)據(jù)管理共同構(gòu)成，而空間數(shù)據(jù)獲取則通過GPRS定位獲取代表樣點地表水特征，以RS技術(shù)獲得區(qū)域地理影像基礎(chǔ)信息[10，11]。因此，GIS技術(shù)在監(jiān)測區(qū)域地表水變化時，其主體具備以下特征：①空間可視化；②空間思維。在空間可視化特征中，GIS技術(shù)依據(jù)RS技術(shù)、實地調(diào)查，分析空間區(qū)域代表點和維度特征，以全面掌握空間事物，同時GIS技術(shù)可以對地表水空間信息和屬性進行集中管理、關(guān)聯(lián)，提升監(jiān)測目標(biāo)特征屬性可視化分析[12]。在空間思維中，通過獲取GIS數(shù)據(jù)庫信息資源，利用相關(guān)空間分析生產(chǎn)2D或3D可視化特征規(guī)律模型，提升GIS技術(shù)監(jiān)測工作效率。

4 GIS關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析

4.1 地表水變化特征因子分析

4.1.1 相關(guān)性分析

地表水趨勢變動主要受特征因子影響所致，為此，本文以相關(guān)性分析衡量地表水特征變化與多變量因素間的關(guān)聯(lián)程度[13]。通過相關(guān)系數(shù)(Correlation coefficient，R)監(jiān)測反映各變量與地表水特征變化的密切程度，其公式如下：

(1)

式(1)中：Rab表示樣本相關(guān)系數(shù):Rab表示樣本協(xié)方差;Ra表示a的樣本標(biāo)準(zhǔn)差;Rb表示b的樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

其中，Sa樣本標(biāo)準(zhǔn)差計算公式如下：

(2)

4.1.2 因子篩選

為深入探索GIS技術(shù)下地表水變化特征，本文以典型西北某干旱地區(qū)地表水與其相關(guān)氣候因素降水、蒸發(fā)、地表溫度和植被水分變量(NDVI)進行相關(guān)分析，以篩選區(qū)域地表水變化特征因子，結(jié)果見表1所示。通過表1可知，2017～2020年，蒸發(fā)與NDVI與地表水變化R2較高，如2020年蒸發(fā)R2為0.59，NDVI為0.67，而與地表溫度相關(guān)變化較低，2020年R2僅為0.16，表明該區(qū)域?qū)儆诘湫透珊祷驑O端干旱區(qū)域，易造成地表水蒸發(fā)流失，而地表溫度變化對地表水變幅影響微弱。在此基礎(chǔ)上，本文選取降水、蒸發(fā)和NDVI因子作為GIS空間插值協(xié)變量因子，以較高精度的反映區(qū)域地表水時空分布特征規(guī)律。

表1 某區(qū)域地表水特征與各因子之間相關(guān)系數(shù)分析

4.2 模型預(yù)測分析

4.2.1 協(xié)同克里金插值分析

基于地表水特征因子相關(guān)性及篩選分析后，可采用協(xié)同克里金插值法預(yù)測插值模型估算精度和效率。首先，通過區(qū)域變量與地表水相關(guān)性特征構(gòu)建交叉變異函數(shù)模型，其次，控制變量，實現(xiàn)局部地表水變化估計和特征插值研究[13]。

采用協(xié)同克里金插值模型預(yù)測時，以地表水變化特征值為主變量，模擬篩選降水、蒸發(fā)和NDVI指標(biāo)因子為次變量，進而預(yù)測各變量自相關(guān)和變量間交叉相關(guān)性，其中，協(xié)同克里金插值模型實現(xiàn)基礎(chǔ)步驟如式(3)～(5)所示：

(3)

式(3)中：{Zak,ak=1,2,…nk}表示地表水特征值數(shù)據(jù)；X0表示中心點。

在插值預(yù)估基礎(chǔ)上，地表水特征數(shù)據(jù)估計量是K個協(xié)同區(qū)域化變量的全部有效數(shù)值的線性組合，如式(4)所示：

(4)

(5)

式(5)中：ai(i=1,2,…,n)；bj(j=1,2,…,n)表示協(xié)同克里金權(quán)重系數(shù)，u0^、u0分別表示無偏最優(yōu)線性估計量和實際量。

4.2.2 GIS技術(shù)協(xié)同插值分析

由于GIS技術(shù)具備存儲、管理分析、處理及直觀可視化的功能，因而，通過GIS技術(shù)能有效實現(xiàn)數(shù)值形式結(jié)果展示，或以二維或三維圖像以數(shù)字化處理監(jiān)測模型直觀呈現(xiàn)(圖2)。通過圖2可知，GIS空間屬性數(shù)據(jù)庫輸入/輸出區(qū)域內(nèi)地表水特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、驅(qū)動影響數(shù)據(jù)，通過GIS空間分析數(shù)據(jù)庫進行多源數(shù)據(jù)管理，進而以協(xié)同插值法對地表水變化特征實現(xiàn)模型模擬計算，反映區(qū)域范圍中地表水可視化時空分布特征、統(tǒng)計特征等[14]。最終通過GIS協(xié)同插值空間可視化工具和采集調(diào)查數(shù)據(jù)運算生成區(qū)域地表水特征趨勢模擬結(jié)果分布圖。

4.3 統(tǒng)計分析

在插值協(xié)變量因子2D或3D分析地表水特征后，為進一步探索區(qū)域地表水分布規(guī)律，本文通過GIS中空間分析功能進行統(tǒng)計分析(像素統(tǒng)計、面積統(tǒng)計、地表水總量統(tǒng)計等)。則當(dāng)區(qū)域面積大，且地表水分布不均時，以等值面積加權(quán)法統(tǒng)計分析區(qū)域內(nèi)平均地表水資源總量，如式(6)所示：

(6)

圖2 GIS與數(shù)學(xué)監(jiān)測模型結(jié)合方式

4.4 區(qū)域地表水時空特征可視化監(jiān)測分析

傳統(tǒng)水文地質(zhì)數(shù)據(jù)多為地表水時空變化定性研究(如時序分析法等)，難以直觀地了解或掌握該區(qū)域范圍地表水變化特征[15]。相比較，GIS技術(shù)、RS技術(shù)、GPRS技術(shù)的發(fā)展，使野外測量隨機離散型數(shù)據(jù)可以有效結(jié)合，實現(xiàn)離散型特征數(shù)據(jù)可視化、特征變化要素可視化監(jiān)測。即隨機實現(xiàn)區(qū)域野外地表水特征數(shù)據(jù)的收集，并依據(jù)相關(guān)性分析、篩選影響地表水特征變化的因子，進而通過協(xié)同克里金插值法獲取區(qū)域內(nèi)地表水時空特征趨勢和可視化監(jiān)測圖像。

5 區(qū)域地表水變化特征驅(qū)動因素探索

5.1 自然驅(qū)動因素

由于區(qū)域地表水所處環(huán)境、位置不同，因而造成了地表水時空分布差異性等問題，如國內(nèi)地表水呈現(xiàn)南多北少、東多西少等特征。而造成地表水此類時空分布特征趨勢是由于受到氣候、溫度、數(shù)字高程(DEM)、土壤分布特征、水資源水分特征等自然驅(qū)動因素影響，如西北地區(qū)多處于干旱或極端干旱區(qū)域，年積溫高，蒸發(fā)量大但降雨量小，且水資源貧乏，土壤資源多呈現(xiàn)砂礫土，同時西北部地形多呈現(xiàn)山區(qū)、丘陵。因而上述自然驅(qū)動因素在GIS技術(shù)監(jiān)測模擬區(qū)域地表水過程中，對地表水模擬特征分布結(jié)果造成一定偏差[16]。為此，在進行地表水時空分布趨勢監(jiān)測過程中，需實地考察，以最大限度地選取同類型自然驅(qū)動因素環(huán)境進行模擬分析，提升GIS技術(shù)監(jiān)測準(zhǔn)確性。

5.2 人為驅(qū)動因素

近年來，由于人為活動、社會經(jīng)濟發(fā)展、工業(yè)化進度加快、區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉等人為驅(qū)動因素影響，干擾了區(qū)域地表水特征結(jié)果分布。如區(qū)域內(nèi)人工開發(fā)渠道、變更河道走向、侵占地表水分布區(qū)域等，不僅造成GIS技術(shù)調(diào)查模擬地表水時空分布趨勢困難，而且人為驅(qū)動因素?zé)o序開發(fā)導(dǎo)致區(qū)域地表水?dāng)嗔鳜F(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，為此，為實現(xiàn)GIS技術(shù)高精度、合理監(jiān)測地表水分布趨勢，需及時控制、降低人為干擾所產(chǎn)生的誤差。

6 結(jié)論

本文應(yīng)用GIS關(guān)鍵技術(shù)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地表水變化特征，并深入討論、分析地表水特征分布的驅(qū)動因素，為水文資源區(qū)域地表水特征監(jiān)測提供科學(xué)理論依據(jù)，其相關(guān)結(jié)論如下：①通過隨機監(jiān)測點分布和地表水特征數(shù)據(jù)采集，能以GIS技術(shù)實現(xiàn)區(qū)域地表水時空分布特征和風(fēng)險等級評估。②協(xié)同克里金插值法模擬特征數(shù)據(jù)插值，以圖像或二維、三維模型可視化分析，對地表水特征直觀分析和區(qū)域地表水管理和利用效率提升極為關(guān)鍵。③實地調(diào)查協(xié)同GIS技術(shù)能有效地判定影響地表水變化特征的人為因素和驅(qū)動因素，同時隨著GIS技術(shù)深入研究，驅(qū)動因素引起的可視化監(jiān)測精度不足問題將得到及時解決。