基于黑龙江省地下水超采区划分中ArcGIS空间分析的应用

2011-06-08贺中润

黑龙江水利科技 2011年5期

关键词：空间数据栅格插值

郑佳，贺中润

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

基于黑龙江省地下水超采区划分中ArcGIS空间分析的应用

郑佳，贺中润

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

ArcGIS软件的空间分析功能可以高效的处理地下水观测数据，为超采区评价提供直观准确的基础分析数据，文章结合地下水超采区的工程实例论述了该方法在数值分析上的应用。

空间分析;数据分类;栅格化;地下水超采区;综合评价

自2003年开展黑龙江省地下水水资源论证及黑龙江省若干城市地下水开采分析以来，应用先进高效的地理信息系统进行辅助分析及制图就成为了不可缺少的技术手段，可以将以往的人工分析过程用计算机来完成，提高了效率与精度，将技术人员从枯燥的数据分析中解放出来。其中：ESRI公司的ArcGIS软件在数据分析方面具有较强的能力，成为了地下水评价工作的首选分析工具。下面就该软件涉及的相关概念及实际应用作几点论述。

1 空间分析的主要内容

地下水评价工作中对于地下水相关数据的分析主要应用基础就是空间分析理论，空间分析是 GIS的主要特征，空间分析是从空间物体的空间位置、联系等方面去研究空间事物，以对空间事物做出定量的描述。空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术。空间分析方法必然要受到空间数据表示形式的制约和影响，空间数据通常分为栅格模型和矢量模型两种基本的表示模型。此外矢量栅格一体化、三维数据模型、时空数据模型等由于自身的特点，代表数据模型发展的方向。

空间统计分析主要用于空间数据的分类与综合评价。为了将空间实体的某些属性进行横向或纵向比较，往往将实体的属性进行统计以便进行直观的综合评价。常用的地学统计分析方法多样，包括相关性分析、回归分析、时间序列分析、系统聚类分析、主成分分析、趋势面分析、马尔可夫预测以及克里格估计法等等。

空间统计分析除了能分析数据的整体态势外，还可以分析空间数据采样的合理性，空间数据往往是根据自己要求所获取的采样点观测值，对于诸如地面高程、地下水位等。这些点的分布一般是不规则、不连续的，在用户感兴趣或模型复杂区域可能采样点多，反之则少。

对于研究区域某空间因子采样的个数是有限的，不可能布满整个研究区域。当用户对需要对未采样点的数值需要准确的了解时，可根据已知采样点的信息对附近未知点的属性进行预测或估计，如运用内插值或外插值方法。插值方法大都是基于矢量点数据的，目前也有学者提出线插值和面插值的概念和方法，但还不成熟和完善，有待于进一步的研究和讨论。

图1 差值法生成表面图

内插目的是为了根据已知点的属性合理推断和预测附近未知点的属性值，有点数据内插形成表面，得到面上任意点的值(以样条插值为例)。内插的方法有若干种，各自有自己特点和不足，常用的有反距离权插值、样条插值和克力格插值。根据具体问题的特征，选择适当的插值方法进行插值，才可能对未知点的属性得到较为准确的预测和反映，图1是跟据点数据的高程值以样条插值方法为例进行插值得到的高程表面。

2 ArcGIS9的模块分析

强大的空间分析功能是 ArcGIS9的特点与核心之一。ArcGIS9的空间分析模块功能的实现主要是基于栅格数据进行的，其可以完成常用的数据转换、分析、统计、分类和显示等功能。ArcGIS9的空间分析功能主要包括于空间分析模块、3D分析模块、地统计分析模块、网络分析模块、跟踪分析模块等之中。对于空间分析功能的实现，各模块具有各自的特点和优势。这里重点对栅格数据空间分析模块(Spatial Analyst)进行分析。

栅格数据结构简单、直观，非常利于计算机操作和处理，是GIS常用的空间基础数据格式。基于栅格数据的空间分析是GIS空间分析的基础，也是ArcGIS的空间分析模块的核心内容。栅格数据的空间分析主要包括：距离制图、密度制图、表面生成与分析、单元统计、领域统计、分类区统计、重分类、栅格计算等功能。

在地下水超采区分析中一般情况下采集到的数据都是以离散点的形式存在的，只有在这些采样点上才有准确的数值，而其它未采样点上都没有数值。然而，在实际应用中却很可能需要用到某些未采样点的值，这个时候就需要通过已采样点的数值来推算未采样点值。这样的一个过程也就是栅格插值过程。插值结果将生成一个连续的表面，在这个连续表面上可以得到每一点的值。

在ArcGIS9栅格分析模块中，通过栅格插值运算生成表面主要有三种实现方式：反距离权重插值，样条函数插值和克里格插值。等值线分布的疏密一定程度上表明了表面值的变化情况。

3 地下水超采区的分析

以哈尔滨市区为例，对地下水超采区的分析主要由以下3步来完成：

3.1 地下水数据整理及录入

进行地下水超采分析的数据主要以地下水观测井的数据组成，其主要格式见表1。

表1 哈尔滨市市区部分观测井基本数据一览表

然后通过ArcGIS的数据导入功能将井点空间数据导入地理信息系统，作为后续工作的基础数据。

3.2 地下水数据的空间分析处理

遵循地理信息系统空间处理的原则及ArcGIS9的操作要求，将地下水常观数据进行栅格化与插值分析，按照相应年份进行绘制，生成地下水水位等值线图，经过修正成图，其形式见图2。

图2 哈尔滨市城区枯水期地下水等水位(水头)线图

图中包括哈尔滨市区的地理数据底图，其中重点表现了哈尔滨城区地下水超采区界线及限制地下水水位界线，相关观测井也能够清晰准确的在图面上予以表现，因地理信息系统的数据录入完全坐标化，所以井点位置的精度较高，数据分析可靠性强，保证了基础技术成果的准确性，为下一步工作提供了保障。

3.3 哈尔滨市城区地下水超采状况分析

根据区内松花江段浅层地下水区开采期间地下水位分析结果，除个别年份个别点地下水位短期低于地下水开采的“临界地下水水位”外，一般都高于“临界地下水水位”。因此，浅层地下水区目前尚未出现地下水超采区。

区内第四系高平原深层孔隙承压水-层间水区内，新发镇(M96井)～前兴隆沟(M44井)～正黄五屯(M53井)一线以北水位(头)已经下降至含水层顶板以下，水力性质发生改变，形成一定范围的无压层间水区，此区可划定为地下水超采区。北部地下水开采漏斗中心区高平原深层孔隙承压水-层间水水位已经下降至地下水开采的“限制地下水水位”以下，出现了地下水严重超采区。