基于GIS的海洋生态环境监测数据分析评价系统研究＊

卜志国，高晓慧，李忠强

（1.中国海洋大学，山东青岛266100；2.国家海洋局北海环境监测中心，山东青岛266033）

基于GIS的海洋生态环境监测数据分析评价系统研究＊

卜志国1，2，高晓慧2，李忠强2

（1.中国海洋大学，山东青岛266100；2.国家海洋局北海环境监测中心，山东青岛266033）

根据应用服务的实际需求，对适用于海洋环境特点的时空分析模式和相关评价模型进行了探讨研究，对适用于系统建设的监测数据的时间分析和空间分析以及相关评价技术进行了应用分析研究，选用GIS技术作为系统基础，构建了基于GIS的海洋监测数据分析评价应用系统，实现了监测数据的自动分析与评价等功能。

GIS；监测数据；分析评价；系统

1 GIS及在海洋领域的应用

1.1 GIS的综述

地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS）是集地理学、信息学、测绘科学、计算机科学、空间科学、地球科学和管理科学等多学科为一体的新兴边缘学科。它是研究计算机技术与空间地理分布数据的结合，通过一系列空间操作和分析，为地理科学、环境科学和工程设计，乃至为国民经济的发展、城市建设及企业经营提供规划、管理和决策支持信息［1］。

1.2 GIS在海洋领域的应用

GIS技术在海洋领域可用于对空间环境数据进行管理、查询、分析，并且利用GIS的统计制图功能形象地展示出各种环境专题内容、环境数据空间分布与数量统计规律，以满足环境保护实际需要，为资源开发、环境保护能够提供比较完善的技术支持，有助于海洋资源与环境的可持续发展。借助GIS等技术可建立现代化海洋实时立体监测管理系统，实现信息更新、信息共享，并通过图形方式对管理与决策前景进行动态模拟，为海洋资源开发、海洋环境和气候的监测、海洋防灾减灾以及维护国家海洋权益服务［2］。

2 海洋生态环境监测数据分析评价模型

要掌握海洋环境的状况必须对海洋环境监测数据进行分析评价，分析评价需要利用各种模型，目前在实际业务工作中应用的分析评价模型主要有监测数据的时空分析模型和海洋环境质量的分析评价模型。

2.1 监测数据时间和空间分析模型

因海水具有动态性特点，而且海洋环境总是处于不断变化的时空之中，因此研究海洋环境动态也必须同时考虑时间和空间这2个方面。对海洋环境监测数据进行时间和空间分析，可以在时间和空间上把握海洋环境要素的分布与变化情况，发现海洋环境的变化规律，同时也可为决策者提供重要支持信息。

监测数据时间分析就是估算和研究某一时间序列监测要素变化过程中所存在的统计规律性，实际上就是以时间为主线来体现监测要素的变化过程，是体现监测要素的变化轨迹。根据监测要素特性和信息分析理论，监测要素时间分析可以分为基于时间跨度的时间分析模式和基于变动因素的时间分析模式［3］。

监测数据空间分析结果以地图的形式表现出来。描述的是空间过程，揭示监测数据的空间分布规律［4］。根据监测要素特性，空间分析分为空间统计分析模式和空间等值线分析模式。

2.2 海洋环境质量分析评价模型

海洋环境是支撑海洋生态系统最基本的要素之一，海洋环境的好坏决定着许多海洋生物的生存和生长，在维护海洋生态系健康中具有重要的地位，所以海洋环境的质量将直接影响到整个海洋生态系统和人类健康，因此对海洋环境质量的评价是海洋监测数据分析研究的重要任务。

目前，在海洋环境监测与评价业务体系及业务工作中，主要是选择比较成熟的水质单因子评价法、污染物分类评价（综合指数法）以及污染点源的分析评价模型进行海洋环境质量的评价。

2.2.1 单因子评价 该方法通过将各因子的监测值与评价标准进行比对，计算相应的标准指数，根据标准指数的大小，确定海水、沉积物和生物体的主要污染因子和影响因子，表征海域的污染状况，标准指数基本公式［5］如下：

式中Pi为评价因子i的标准指数；Ci为评价因子i的实测浓度＊；Csi为评价因子i的评价标准。

2.2.2 污染物分类评价 污染物类可以分为几大类，如：重金属、营养盐等，通过分类评价反映海域受各类污染物综合污染的状况，污染物分类评价多采用综合指数法。目前文献中列举了多种求算综合指数的方法。如：平均综合指数、加权综合指数、内梅罗指数等，各有特点，但没有1种计算方法得到普遍认可。本研究论文选用内梅罗指数法求算综合指数，即充分考虑该类别因子中的综合效应和具有最大标准指数的因子的特殊性［6］。公式如下：

Pk为第k类污染物的综合指数；maxPki为第k类污染物中各因子的标准指数最大值；avePki为第k类污染物中各因子的标准指数平均值。

2.2.3 污染点源分析评价模型 这里的污染点源评价具体是指入海排污口的污染评价，主要采用“等标排放法”模型，即根据各污染物和各污染源的等标排放量大小及相应的累积百分比大小，确定主要污染物和主要污染源。

等标排放量的基本计算公式［7］如下：

式中P为等标排放量；M为污染物入海量（t／a）；S为污染物的排放标准（mg／L）。

3 基于GIS的监测数据分析评价系统设计

基于GIS的海洋生态环境监测数据分析评价是指通过人机交互的方式，对基于多种监测手段获取的水文、气象、化学、生物等海洋环境监测要素数据进行时间序列变化趋势分析、空间分布及变化趋势分析、海洋环境评价分析并结合GIS技术动态显示，以友好的图形化界面表现出来，并把产品返回产品库，最后能够进行产品发布和输出。进行监测数据分析评价系统设计主要是指进行系统的总体结构设计、数据库结构设计以及数据模型设计等。

3.1 系统总体结构设计

根据监测业务需求，对系统的结构和主要功能进行合理设计，对用户界面进行友好性、方便性统一设计，系统主要设计包含登录子系统、输入输出子系统、监测数据检索查询子系统、海洋环境分析评价子系统、海洋环境质量评价子系统等，可以实现系统的登录、数据检索、分析、评价以及管理等，借助这些系统的可以从某种程度上反映海洋环境质量状况和变化规律。

系统总体结构设计图如图1所示。

图1 总体结构图Fig.1 The structure of the system

3.2 数据库结构设计

由于监测系统数据类型复杂、数据量大、时空特性较强，数据的来源也是多手段、多参数的。根据业务化工作的要求，除需建设海洋环境监测数据库之外，还需要建设基础地理信息数据库、信息产品数据库、用户管理数据库等。

基础地理信息数据库实现地理信息数据的存储与管理，为数据查询、信息产品与地理信息的叠加显示提供空间数据支持；针对数据进行分析、处理产品建立产品库，实现信息产品的存储与管理；建立用户管理数据库，实现对用户信息与系统安装的管理。数据库结构设计见图2。

图2 数据库结构图Fig.2 The structure of the database

3.3 数据模型设计

整个数据库数据模型设计为星型结构，以监测数据为中心，可以索引到与该监测数据相关的时空信息和背景信息，同时由于采用了一致的基础代码，使得数据具有了一致的语义表示。其中监测数据包括主表和从表，通过外键的迁移，建立了主从结构。主表保存了对时空信息和背景信息的引用，同时也直接存储了采样信息（采样层和深度）。从表存储了对监测要素的引用，并直接存储了相应要素的实测数据。时空信息由时空序列和监测站位构成，时空序列存储了监测数据的采样时间和空间位置（经纬度），并与监测站位相关联。这样的存储结构为基于GIS的空间分析提供了可能。背景信息主要包括多源监测设备信息，这些信息可作为数据提取的依据，便于进一步的数据分析和比对工作。数据模型结构见图3。

图3 数据模型结构图Fig.3 The structure of the database model

4 监测数据分析评价系统实现

4.1 监测要素时间分析模块

监测要素时间分析模块包括基于时间跨度的时间分析和变动因素的时间分析，主要是利用监测系统获取的环境单要素数据，选用ArcGIS作为开发平台，实现带有具体地理空间信息的海域环境要素的时间变化的动态显示图，对海域环境要素随时间变化进行直观反应并分析其趋势。

4.1.1 基于时间跨度的时间分析 实现对某一时间内同一站点某个监测要素监测值的比较，并以折线图的形式直观地显示，如图4是渤海某监测航次磷酸盐在一时间段的时间分析图。

4.1.2 基于变动因素的时间分析 实现对某一监测要素监测值的周期性的变化，如年际变化，并以折线图的形式直观地显示，如图5是渤海某监测航次硫化物在2000—2004年之间的年际变化分析图。

图4 基于时间跨度的时间分析图Fig.4 Figure of analysis based on time span

图5 基于年际变化分析图Fig.5 Figure of analysis based on yearly change

4.2 监测要素空间分析模块

4.2.1 空间统计分析 空间统计分析是基于空间类比分析模型，以GIS为平台，实现某一监测要素在同一区域同一时间的类比分析，目的是在空间地理信息基础上对指定海域在一段时间内的监测数据进行统计分析，得出在某一海域的最大值、最小值、平均值以及最值的动态显示，以反映海洋环境污染敏感区。图6中显示的渤海某监测航次中全部监测站点的海水中pH含量的统计分析结果，包括最大值、最小值、平均值、监测要素的站点以及最大值、最小值所在的站位显示。

图6 监测要素的统计分析图Fig.6 Figure of statistical analysis

4.2.2 空间等值线分布 空间等值线分析的目的是在空间地理信息基础上对指定海域的监测数据进行分析，按它们分布的强度或密度，把监测值相同的点用线连接起来，形成等值线，然后分析总结其随空间的变化规律。图7中显示的是2001年某监测航次COD空间等值线分布图。

图7 空间等值线分布图Fig.7 Figure of space－time contour line

4.3 海洋环境质量评价模块

4.3.1 单因子评价 单因子评价模块利用条件查询在地图上绘制出满足条件的站点，根据标准指数计算公式，计算出该监测要素的标准指数，将各因子的监测值与评价标准进行比对，采用柱状图方式在地图上加以可视化表示，从而确定海水、沉积物和生物体的主要污染因子和影响因子。图8为某监测航、COD监测值与标准值进行对比的柱状图。

图8 评价分析图Fig.8 Figure of analysis and evaluation

4.3.2 综合指数评价 综合指数评价模块利用条件查询在地图上绘制出满足条件的站点，根据内梅罗指数计算公式计算出各个站点的污染指数，并采用柱状图方式在地图上加以可视化表现，从而清晰的表现各站位间污染程度的相对大小。图9为某监测航次镉在各个站位的污染指数柱状图和污染指数平面分布图。

图9污染指数柱状图Fig.9 Figure of Pollution exponentia

4.3.3 排污口评价模块 排污口评价模块基于陆源污染排污口点源调查资料，采用“等标排放法”评价方法，开发相应软件，实现数据的自动提取、评价产品的制作和显示，以了解和掌握排污口分布及排海污染物等状况，确定主要污染物和主要污染源。

排污口污染点源评价 点源评价主要是利用条件查询在地图上绘制出满足条件的站点，根据用户选择，选用污染点源评价即按照等标排放量计算，计算结果以饼状图形式表达，可清晰地辨别出某一排污口的重点污染物等信息。图10为某一排污口的评价分析图。

图10 污染点源分析图Fig.10 Figure of pollution site analyzing

图11 污染区域分析图Fig.11 Figure of pollution areas analyzing

排污口污染区域评价 排污口污染区域评价利用条件查询在地图上绘制出满足条件的站点，根据用户选择，选用污染区域评价即按照各点源等标排放量和各污染物等标排放量来计算，计算结果以饼状图形式表达，可清晰地辨别出某区域内的重点污染源等信息。图11为某区域排污口的评价分析图。

5 结语

海洋生态环境监测数据分析评价系统建设的目的就是满足海洋环境监测业务和海洋管理的需要，实现对海洋数据的分析和评价、海洋灾害的预警预测等功能。本文根据海洋环境监测数据的特点和应用服务的实际需求，对适用于海洋环境监测数据分析评价系统建设的时空分析模式和相关评价模型进行了探讨研究，选用GIS技术作为系统基础，构建了基于GIS的海洋监测数据分析评价应用系统，实现了监测数据的自动分析与评价等功能。通过较完整的基于GIS的海洋生态环境监测系统数据分析评价系统的建设和应用，可以为我国建立新型海洋生态环境监测系统和体系提供技术研究基础和应用示范。

［1］ 崔晓东.基于RS／GIS的黄河三角洲湿地信息提取及景观变化研究［D］.泰安：山东农业大学，2008.

［2］ 黄杏元，汤勤.地理信息系统概论［M］.北京：高等教育出版社，1989：40－51.

［3］ 苏奋振，周成虎，杨晓梅，等.海洋地理信息系统理论基础及其关键技术研究［J］.海洋学报，2004，26（6）：22－28.

［4］ 袁中智.基于GIS的近岸海域水环境时空分析一一以珠江河口及其邻近海域为例［D］.武汉：武汉大学，2004.

［5］ 赵玲，赵东至，张丰收.基于GSI的海域环境质量评价模型研究［J］.遥感技术与应用，1998，13（3）：36－38.

［6］ 陈加兵，罗源湾海洋环境信息系统设计及其水环境评价［D］.福州：福建师范大学，2002.

［7］ 翁立达，叶闽，杨国胜.一种GSI支持下的点源污染数值模型［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2003，7（31）：29－31.

Research on Marine Environment Monitoring Data Analysis and Evaluation System Based GIS

BU Zhi－Guo1，2，GAO Xiao－Hui2，LI Zhong－Qiang2
（1.Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.North China Sea Environment Monitoring Center，SOA，Qingdao 266033，China）

According to the application service actual demand for the marine environment，we studied the space－time analysis models and related evaluation model and applied them to the monitoring system for the time and space analysis of data analysis and evaluation techniques，Using the GIS technology as a system，a GIS－based data analysis and evaluation system of marine monitoring applications has constructed to achieve automatic monitoring data analysis and evaluation functions.

GIS；monitoring data；analysis and evaluation；system

X834

A

1672－5174（2012）1－2－036－05

国家高新技术计划项目（2007AA092104）资助

2010－08－31；

2010－12－21

卜志国（1974－），男，高级工程师，博士。E－mail：buzhg＠163.com

责任编辑 庞 旻