Arcgis與Surfer軟件在土壤調(diào)查、風險評估中的應用

商宏華，鄧明星，黃春敏，李文超，劉冰月

（杭州臻尚環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 311000）

2018年以來，土壤污染的問題備受關注，全國各省市啟動了“土壤調(diào)查-風險評估-土壤修復”系列工作。因為土壤的異質(zhì)性及土壤污染的隱蔽性，采用傳統(tǒng)的布點取樣檢測方法，工作量巨大且成本較高、工期長。為提高土壤污染范圍確定的精確度，土壤調(diào)查分析工作者常常借助 Arcgis、Surfer、Voxler、ArcMap等系統(tǒng)軟件，結(jié)合傳統(tǒng)的布點取樣檢測方法，提高土壤調(diào)查和相關工作的成效。其中，Arcgis是地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)軟件，Surfer、Voxler、ArcMap是模擬軟件，本文就應用最多的Arcgis和Surfer進行闡述。

1 Arcgis在場地調(diào)查中的應用

Arcgis軟件是Esri公司集40多年地理信息系統(tǒng)咨詢和研發(fā)經(jīng)驗，提供給用戶的一套完整的GIS平臺。它具有強大的地圖制作、數(shù)據(jù)管理、空間分析及空間信息整合、發(fā)布與共享等功能[1]。Arcgis在土壤調(diào)查、分析中已有比較廣泛的研究和應用：

自然資源部大地測量數(shù)據(jù)處理中心的趙輝等[2]針對不同轉(zhuǎn)換模型分析了 Arcgis坐標轉(zhuǎn)換的適用性與精度。通過4參數(shù)法、7參數(shù)法、Molodensky法和簡化Molodensky法，進行了80個重合點位坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度分析，分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換殘差分布以±5 cm范圍內(nèi)為主，標準差優(yōu)于3 cm。為了驗證數(shù)字線劃圖轉(zhuǎn)換適用性，進行了試驗范圍內(nèi)點、線、面三種要素類數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換精度、完整性和一致性均可以滿足要求，這就說明Arcgis具有進行坐標轉(zhuǎn)換的適用性。

南京農(nóng)業(yè)大學的楊婧怡[3]把Arcgis應用于地籍調(diào)查生產(chǎn)過程中，實現(xiàn)了快速且準確地提取出宗地四至；江西省國土空間調(diào)查規(guī)劃研究院的劉建華[4]以Arcgis平臺為基礎，以C#為開發(fā)環(huán)境，基于GeoProcessing開發(fā)的多線程分鄉(xiāng)鎮(zhèn)賦值算法快速高效，實現(xiàn)了耕地坡度級別賦值。在江西省第三次國土調(diào)查時，縣級數(shù)據(jù)庫建設和應用中，平均每個縣級單元地類圖的賦值時間僅需15分鐘，錯誤率為零，為全省第三次國土調(diào)查工作起到了積極推動作用。

來自河南省地質(zhì)科學研究所的王傳先[5]，基于Arcgis的第三次全國國土調(diào)查地類流量計算方法研究，實現(xiàn)了地塊變化數(shù)量和位置的統(tǒng)一、高效管理。

廣東省國土資源測繪院的董正國[6]，利用以Arcgis結(jié)合ArcServer進行聯(lián)合使用的方法，將本底影像和監(jiān)測影像發(fā)布、提供給生產(chǎn)人員使用，從而提高監(jiān)測更新效率，確保不會用錯影像，該方法在 2019 年度廣東省基礎性地理國情監(jiān)測項目中被推廣應用。

根據(jù)《浙江省生態(tài)環(huán)境廳辦公室關于開展污染地塊安全利用現(xiàn)場檢查的通知》，對系統(tǒng)中屬于原環(huán)境保護部第42號令或浙環(huán)發(fā)[2018]7號文適用范圍內(nèi)，需要補充地塊空間信息。浙江省針對浙江省土壤環(huán)境，搭建“浙江省土壤環(huán)境信息化管理系統(tǒng)”網(wǎng)絡平臺，相關部門需將地塊空間信息文件上傳至該平臺。就此以杭州市某公司地塊”為例，進行說明Arcgis在場地調(diào)查中的應用：

常用的衛(wèi)星圖軟件主要為Google earth、奧維衛(wèi)星圖、91地圖等，下載的地塊衛(wèi)星圖為WGS 1984坐標系，無法直接生成Shapefile文件-2000國家大地坐標系，需要借助Arcgis軟件對底圖進行坐標系轉(zhuǎn)換。在ArcMap的ArcToolbox中，能夠轉(zhuǎn)換柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的坐標[7]。大致方法為：打開“地理處理”→ArcToolbox→投影和變換→投影。底圖取自“奧維衛(wèi)星圖”軟件，下載地塊衛(wèi)星圖（WGS1984，tif格式）。將底圖導入arcgis軟件，轉(zhuǎn)化為Shape file格式文件。然后按照上述方法，將輸出投影坐標系選用CGCS 2000 3 Degree GK CM 120E坐標系（本項目地塊位于杭州，選用120E坐標系，其余地區(qū)需要結(jié)合項目實際位置進行調(diào)整），導出地圖即為CGCS 2000 坐標Shape file格式。

2 Surfer在地下水分析中的應用

Surfer軟件是美國Golden Softwant公司生產(chǎn)的制作等高線圖和三維立體圖的軟件，它能提供11種數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法，包含了目前幾乎所有主流的數(shù)據(jù)統(tǒng)計及計算方法，可提供各種圖形、圖像的輸入輸出接口，方便文件及數(shù)據(jù)的交流?？梢哉f，Surfer軟件提供了一種方便、實用、可操作性強的數(shù)據(jù)處理和制圖方法。

Surfer 軟件內(nèi)置多種空間插值模型，通過建模自動生成接近污染物空間分布的特征函數(shù)方程。插值的精準度，主要取決于對污染物空間變異性的反映程度。Surfer 軟件通過對已有點位數(shù)據(jù)進行空間插值，從而獲得點陣數(shù)據(jù)，并以此來進行圖件繪制。Surfer軟件是場地調(diào)查環(huán)節(jié)必備的專業(yè)軟件之一，在場調(diào)過程中，常用surfer軟件完成地下水流向圖的繪制，在缺少場地特征參數(shù)的情況下，Surfer軟件也可以粗略繪制地下水污染羽，模擬地下水的遷移范圍，為場地調(diào)查階段地下水點位的布設提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。Voxl、ArcMap也具有類似功能。

Surfer軟件可提供10余種插值方法：距離倒數(shù)、克里格、最小曲率等?？死锔穹ㄒ卜Q空間局部插值法，它根據(jù)待插值點與臨近實測水位控制點的空間相對位置，對待插值點的水位標高進行線性無偏最優(yōu)估計，從而生成一個水標高的克里格插值圖，用于表達研究區(qū)域地下水的賦存狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，應用克里格法進行地下水插值比其它方法更為精確，尤其當數(shù)據(jù)的空間連續(xù)性變化的屬性非常不規(guī)律時，克里格法能更好地表達隱含在數(shù)據(jù)中的趨勢，因此克里格法特別適用于場地調(diào)查時地下水時采樣點分散、無規(guī)律的情況下的數(shù)據(jù)處理和分析。

根據(jù)《建設用地土壤污染風險管控和修復監(jiān)測技術導則》（HJ 25.2-2019）文件：地塊內(nèi)若需地下水監(jiān)測，則地下水監(jiān)測點位應沿著地下水流方向布設，可分別布設在地下水流向的上游、地下水可能污染較嚴重區(qū)域和（或）地下水流向的下游。故而，地塊地下水流向的確定對于土壤調(diào)查工作尤為重要。

Surfer軟件可以借助地塊地下水井數(shù)據(jù)生成等值線及矢量線，借此生成地塊地下水流向圖。具體方法為：

（1）在場地土壤地下水調(diào)查過程中，收集測繪資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)。包括但不限于調(diào)查區(qū)域邊界拐點坐標、地下水的監(jiān)測井井點坐標、各地下水監(jiān)測井高程、地下水的穩(wěn)定水位等數(shù)據(jù)，病形成Excel文件。

（2）將帶有點位坐標、地下水水位高程的Excel文件導入到Surfer軟件中（Excel數(shù)據(jù)不少于3組），點擊工作框中“網(wǎng)格數(shù)據(jù)”選項，對Excel文件進行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，然后點擊“等值線”，即可生成地下水水位高程等值線圖；再點擊“矢量圖”，即可生成地下水流向圖。Surfer軟件中也可以生成地下水流向圖、地下水流場圖等。

（3）根據(jù)需要疊加地塊底圖，需要先導入地塊底圖（tif格式），后對底圖進行白化。也可以通過輸出獲得 Mapgis等系統(tǒng)軟件可使用的格式文件，再由 這些系統(tǒng)軟件進一步修飾，完成最終數(shù)據(jù)的分析，形成最終的圖件。

圖1是將杭州市某香料有限公司地塊數(shù)據(jù)導入surfer軟件，后經(jīng)過加工得出地塊地下水流向圖。

圖1 地下水流向圖

3 Arcgis在風險評估中的應用

在風險評估階段，需計算出污染場地的修復目標值及其修復范圍，前期的檢測數(shù)據(jù)僅能確定大致污染區(qū)域，要準確確定范圍需借助Arcgis軟件，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行分析，然后確認精確的污染范圍。

在很多修復項目中，用Arcgis插值的方法估算污染土方量，得到了廣泛應用，國內(nèi)外亦有大量關于此類方法的研究數(shù)據(jù)及文獻資料[8]。杭州市某生物公司地塊修復范圍的確定，采用了空間加權反距離插值法相結(jié)合的方法進行劃定，并采用插值與清潔點連線相結(jié)合的方法對污染土方量進行估算。

反距離插值法原理：反距離插值法（Inverse Distance to a Power）的原理是，假設在平面上分布一系列的離散點，已知離散點坐標（xi，yi）和屬性值zi（i=1，2，…，n），p（x，y）均為任一網(wǎng)格點，根據(jù)離散點的自身屬性值，采用距離加權的插值方法，求p點屬性值。該方法綜合了泰森多邊形的鄰近點法、多元回歸法的漸變方法等方法的優(yōu)點，離散點的屬性值，是在特定范圍內(nèi)所有數(shù)據(jù)點位的距離加權平均值，該方法可以進行確切（或圓滑的）方式插值。其相關步驟如下：

（1）計算某一任意未知點到所有任意點的距離；

（2）分別計算每個點的權重，該點權重是距離的倒數(shù)的函數(shù)。

插值分析借助Arcgis軟件執(zhí)行。具體操作步驟：將帶有地塊坐標信息、污染物濃度的Excel文件導入到Arcmap中，選擇“地理處理-ArcToolbox工具箱”，再選擇“插值分析-反距離權重法”，調(diào)整好插值權重、搜索半徑、象元大小等參數(shù)，即可生成相關區(qū)域的面積及拐點。反距離插值法示意圖見圖2。

圖2 反距離插值法示意圖

通過加密布設監(jiān)測點位，通過監(jiān)測點位超標樣品和不超標樣品點分析，來判斷最終的修復邊界，結(jié)合專業(yè)判斷方式確定最終的修復范圍。

本文以杭州某生物公司為例，根據(jù)給定的修復目標值，即可在Arcgis中生成污染范圍圖，如圖3。

圖3 某生物公司苯污染分布圖

4 結(jié)語

本文依托土壤技術導則，借用項目實例從信息統(tǒng)計、地下水分析、污染范圍確定等功能，闡述了Arcgis、Surfer軟件在土壤調(diào)查、風險評估中的運用。Arcgis、Surfer屬于具有強大功能的地圖編輯及空間分析軟件，借助傳統(tǒng)的布點檢測，結(jié)合軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)分析，高效得出精確的結(jié)論。隨著AutoCAD、Arcgis、Surfer、Voxler、ArcMap等軟件的研發(fā)、更新和應用研究，它們將越來越多的應用于場地調(diào)查、土壤地下水風險評估，乃至后續(xù)的土壤地下水修復、土地開發(fā)利用之中，不僅可以大大提升工作效率，還可為后續(xù)查清土壤質(zhì)量、監(jiān)控土壤和地下水環(huán)境質(zhì)量提供有力支持。