地理信息系統(tǒng)技術在土壤污染狀況調查工作中的應用

闕 華

（寧德市環(huán)境信息中心，寧德 352100）

前言

土壤是重要的環(huán)境要素和自然資源，是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎。土壤環(huán)境質量不僅影響整個生態(tài)環(huán)境的質量，而且影響農產品的產量和質量，從而直接或間接影響食物安全和人體健康。為進一步摸清全國土壤污染的狀況，環(huán)境保護部在“十一五”期間開展全國土壤污染狀況調查工作。

1. 研究區(qū)概況

寧德市位于福建東北部、東經118°32'～120°44'、北緯26°18'～27°4'之間，南連福州，北接浙江，西鄰南平，東面與臺灣地區(qū)隔海相望。全區(qū)現(xiàn)轄寧德、福安、福鼎三市和霞浦、柘榮、壽寧、古田、屏南、周寧六縣。土地面積1.34萬平方公里。 地形以丘陵山地兼沿海小平原相結合為特點，屬中亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫13.4℃～20.2℃， 年平均降雨量為1250 ～2350毫米。

2. 數(shù)據(jù)基礎與應用方法

2.1 基礎數(shù)據(jù)準備

寧德市1:250000基礎地形數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫主要是以Shape格式數(shù)據(jù)為主，按照存儲類型主要分為三種：

一是點圖層：居民點（設市、縣城和建制鎮(zhèn)）、土壤背景值點；二是線圖層：公路交通（ 高速公路、國道、省道）、等高線；三是面圖層：政區(qū)（省界、市界、縣界等）、水系（含單線河、雙線河、主要湖泊、水庫）、自然保護區(qū)、土地利用現(xiàn)狀和類型等。這些圖層均采用美國ESRI公司的ArcGis 9軟件進行數(shù)據(jù)錄入、編輯和投影轉換、建立拓撲關系等。

2.2 調查點位布設

2.2.1 布點原則

根據(jù)國家點位布設全面性、可行性、經濟性、連續(xù)性、相對一致性原則的要求，進行寧德市土壤污染狀況調查的布點工作。

2.2.2 布點范圍和要求

布點范圍是寧德市行政轄區(qū)范圍內的全部陸地國土。根據(jù)《全國土壤污染狀況調查技術規(guī)定》中布點要求和《福建省土壤污染狀況調查實施方案》的要求進行布點，以上述基礎地形數(shù)據(jù)庫為底圖依據(jù)，按照8km×8km網格的密度進行布點，林地網格取16km×16km，未利用土地主要是沿全省海岸線近岸灘涂均勻布設。以市、縣為基本單位進行匯總統(tǒng)計，制定采樣點位表格。寧德市土壤環(huán)境質量狀況普查點位布設分布見表1。

表1 不同土地利用類型普查布點網格密度

2.3 數(shù)據(jù)編輯

在arcgis軟件中，將寧德市1:250000基礎地形數(shù)據(jù)庫中的點、縣、面圖層進行疊加顯示，形成底圖。在此基礎上分別制作8km×8km網格和16km×16km網格覆蓋在底圖上。最后將寧德市全部采樣點位均標注在1:250000的數(shù)字地圖的底圖上。

2.4 成果輸出

在arcgis軟件中使用“l(fā)ayout”功能制作寧德市土壤污染狀況調查采樣點布置圖，在完善地圖要素（如：圖例、經緯網、比例尺、指北針等）后輸出成果圖。

2.5 現(xiàn)場定位與采樣

2.5.1 技術準備

采樣點位分布圖：電子底圖應包括行政區(qū)劃（縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)）、水系、公路交通、土地利用現(xiàn)狀、地形地貌、土壤類型等基本資料；采樣點位表：包括點位編碼、經緯度、土壤類型、土地利用類型等基本要求；原來土壤背景值調查點位情況表：包括土壤類型、母質母巖、土壤利用方式、植被等基本情況。

2.5.2 物質準備

《全國土壤采樣技術規(guī)定》中所列樣品采集需要的器具。手持式GPS，應有足夠的容量和備用電池。將要采樣的點位經緯度輸入可導航的GPS上。

2.5.3 點位確定和采樣

將要采樣的點位路線在地圖上進行確定。野外正式工作前，需對GPS初始化，采樣期間GPS不得關機，使手持式GPS隨時保持航跡自動輸入狀態(tài)；到達采樣點位時，待GPS接收信號穩(wěn)定后讀數(shù)并在現(xiàn)場記錄表中做相應經緯度記錄，并存入GPS定位儀內存中；采樣結束后，將GPS中存儲的采樣點信息（編號、日期和時間）和航跡傳入計算機中。航跡信息由專人管理（下載的采樣點和航跡原始數(shù)據(jù)刻錄光盤并保存歸檔）。采集回來的土壤樣品送到實驗室進行一系列的分析監(jiān)測，得出監(jiān)測結果。

3. 調查成果應用

通過此次土壤污染狀況調查工作，獲得了寧德市比較全面的土壤狀況數(shù)據(jù)資料，這些數(shù)據(jù)資料均按照國家數(shù)據(jù)采集錄入規(guī)范存儲到全國土壤污染狀況調查系統(tǒng)中，該系統(tǒng)以表格的形式讀取和存儲，功能單一。在“十二五”期間，如何利用這次調查得來的數(shù)據(jù)開展深層次的分析，準確、快速、直觀地反映全市土壤污染狀況，為土壤污染防治工作提供決策依據(jù)，成為一個亟待解決的問題。

3.1地理信息系統(tǒng)簡介

地理信息地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）在計算機硬件、軟件系統(tǒng)的支持下，以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，采集、儲存、管理、分析和描述與空間和地理分布有關的數(shù)據(jù), 為地理研究和地理決策服務的空間信息系統(tǒng)。近年來，GIS技術已在環(huán)境保護工作中得到普遍應用，為飲用水源保護、項目審批、海域管理等工作提供現(xiàn)代化的管理手段和有效的輔助決策工具。

3.2 系統(tǒng)的建立

土壤污染狀況調查管理系統(tǒng)建立的目標是以地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫為開發(fā)平臺，面向環(huán)境管理、可視化、動態(tài)的信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠對土壤采樣監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和空間關系表達，并將地理關系和屬性數(shù)據(jù)緊密結合，圖文并茂地表達土壤污染狀況評價結果。從而為環(huán)保行政管理部門提供一套完善的土壤信息管理方法，為土壤污染防治工作提供決策依據(jù)。

3.3 系統(tǒng)的設計

寧德市土壤污染狀況調查管理系統(tǒng)基于GIS平臺，能夠將上述章節(jié)（3.1小節(jié)基礎數(shù)據(jù)準備）中涉及的數(shù)據(jù)庫（圖層）進行疊加顯示，進而實現(xiàn)土壤污染狀況監(jiān)測信息的錄入、查詢、輸出等功能。（總體設計見圖1）

圖 1 系統(tǒng)總體設計

3.4 系統(tǒng)的功能

寧德市土壤污染狀況調查管理系統(tǒng)的功能按照實際運用可分為野外操作、內業(yè)管理兩個功能。

3.4.1 野外操作功能

野外操作功能通過現(xiàn)場采樣管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集客戶端子系統(tǒng)來實現(xiàn)。該功能為將來土壤污染狀況數(shù)據(jù)更新調查奠定工作基礎。

現(xiàn)場采樣管理子系統(tǒng)可實現(xiàn)對采樣任務的管理，如錄入上傳采樣點信息、GPS移動軌跡信息、現(xiàn)場照片等；數(shù)據(jù)采集客戶端子系統(tǒng)主要是在現(xiàn)場采樣管理子系統(tǒng)與內業(yè)人員互聯(lián)網絡不通的情況下，將現(xiàn)場采樣管理子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)生成打包文件（可加密），通過移動存儲設備帶回實驗室中，再由內業(yè)人員手動導入現(xiàn)場采樣管理子系統(tǒng)。

3.4.2 內業(yè)管理功能

內業(yè)管理功能通過數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、分析制圖子系統(tǒng)、信息查詢發(fā)布子系統(tǒng)來實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)擁有普通地理信息系統(tǒng)軟件的功能，對基礎空間數(shù)據(jù)和土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合管理，實現(xiàn)各種功能：如圖形的疊加顯示（放大、縮小、漫游、編輯等）、地理信息屬性查詢（長度、面積、屬性、距離等）、數(shù)據(jù)庫管理（相關數(shù)據(jù)庫的建立、增刪字段、記錄、數(shù)據(jù)修改、派生、刪除等）、統(tǒng)計圖制作（柱狀圖、散點圖、餅圖、曲線圖等）等功能。

分析制圖子系統(tǒng)是該系統(tǒng)的特色，在土壤環(huán)境背景值數(shù)據(jù)和土壤采樣點數(shù)據(jù)開展評價的基礎上，進行空間疊加、插值等分析，進而生成各類專題圖，如：土壤環(huán)境背景值專題圖、土壤普查點污染物單因子評價專題圖、土壤采樣點環(huán)境質量綜合評價專題圖及重點區(qū)域土壤污染評價專題圖等。

信息查詢發(fā)布子系統(tǒng)主要是借助ArcSDE實現(xiàn)該功能：包括服務器端和客戶端。在服務器端實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、分析制圖子系統(tǒng)的功能以及處理客戶請求，返回圖形顯示和查詢結果?？蛻舳酥饕腔跒g覽器的空間數(shù)據(jù)瀏覽和查詢等功能。

此外，為加強系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，需要增加系統(tǒng)管理子系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)功能主要是對不同等級的用戶設置不同的權限，并自動生成系統(tǒng)日志，時刻記錄各類用戶在系統(tǒng)中的相關操作，便于系統(tǒng)管理員的維護管理，保證系統(tǒng)安全運行。

4. 展望

目前，我國地理信息系統(tǒng)技術在土壤環(huán)境保護中的應用已經相當廣泛，應用GIS技術開展土壤污染狀況調查和開發(fā)寧德市土壤污染狀況調查管理系統(tǒng)都是成功的應用之一。根據(jù)土壤環(huán)境保護的需求，地理信息系統(tǒng)技術及其應用系統(tǒng)不僅實現(xiàn)對土壤相關數(shù)據(jù)信息的綜合管理和資源共享，而且也將成為土壤污染防治工作提供技術支持的重要手段。主要有以下兩個方面：

4.1 充分利用軟、硬件資源，推進環(huán)境信息化工作

將土壤污染狀況、背景值等信息資源、數(shù)據(jù)等通過信息發(fā)布查詢子系統(tǒng)實現(xiàn)在我局內網、外網上的資源共享，對我市土壤相關數(shù)據(jù)庫和電子地圖進行分級別、分圖層管理。使領導、業(yè)務人員可以在不同的授權范圍內享有數(shù)據(jù)的錄入、編輯、查詢、統(tǒng)計分析、制圖以及輸出等功能。從而為我市的環(huán)保決策提供迅速、準確、可靠的科學依據(jù)。

4.2 為加強土壤環(huán)境管理和控制土壤污染創(chuàng)造良好條件

GIS技術及其應用系統(tǒng)具有良好的移植性和可擴展性。通過GIS技術建立起來的土壤污染狀況調查管理系統(tǒng)留有數(shù)據(jù)庫接口，可以進行二次開發(fā)和升級，通過增加功能模塊來完善系統(tǒng)的綜合管理能力，如：土壤重金屬污染分析與評價子系統(tǒng)、土壤污染預警子系統(tǒng)、土壤突發(fā)性污染事故應急子系統(tǒng)等，從而進一步提高我市土壤環(huán)境的科學管理能力，從而將我市土壤污染防治工作推向一個更高的層次。

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