基于IDW内插算法生成太湖水质动态监测图的研究

黎 刚，陈年松，王 勇

（1.江苏省生态环境监控中心，江苏南京 20036；2.江苏省测绘工程院，江苏南京 210003）

0 引言

由于环境信息与空间位置有着密切的关系，而地理信息系统又是处理空间信息的有效工具，因此，在地理信息系统的支持下，开发与应用太湖基础空间数据库建设不仅可以方便地获取、存储、管理和显示各种太湖流域信息，而且可以对太湖流域环境进行有效的地图展示、查询、分析、统计。

在“江苏省生态环境监控系统（‘1831’项目）”的研发中，需要解决太湖水质的动态监测问题。即在太湖水域监测点的位置和各个测点每个月的监测数据都已经入库的前提下，怎样利用已有的离散成果，通过某种数学插值算法，生成连续的趋势面，以形成生动直观的图形结果，达到环保行业辅助决策的目的。当前，各类空间数据插值算法名目繁多，各自具有相应特点和差异。经过对比和优选，我们采用反距离权重插值（IDW）模型来构建我们的系统功能。

1 反距离权重插值（IDW）原理

IDW（Inverse Distance Weighted）是一种常用而简便的空间插值方法，它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。设平面上分布一系列离散点，已知其坐标和值为Xi，Yi，Zi（i=1，2，…，n），根据周围离散点的值，通过距离加权值求Z点值，则

其中，Z0为点0的估计值；Zi为控制点i的值；di为控制点i与点0间的距离；n为在估计中用到的控制点的数目；k为指定的幂。

IDW通过对邻近区域的每个采样点值平均运算获得内插单元值。IDW是一个均分过程，这一方法要求离散点均匀分布，并且密集程度足以满足在分析中反映局部表面变化。反距离权重插值方法是一种局部插值方法，它假设未知值的点受较近控制点的影响比较远控制点的影响更大。影响的权重用点之间距离乘方的倒数表示。乘方为1意味着点之间数值变化率为恒定，该方法称为线性插值法。乘方为2或更高则意味着越靠近已知点，数值的变化率越大，远离已知点趋于平稳。因此，当取样点足够密时，相比较其他的空间插值算法模型，IDW对局部变化具有更好的效果。

2 Geoprocessing建模

Geoprocessing是ArcGIS的处理工具，也是GIS的基本功能之一。使用Geoprocessing可以通过对数据的操作而得出新的信息。对信息的提取或其他任何关于数据的操作都需要使用Geoprocessing工具，例如，不同格式数据之间的相互转换。在Geoprocessing中，可以对数据进行合并、剪贴、分割图幅以及使用各种空间分析工具。

“江苏省生态环境监控系统（‘1831’项目）”中，太湖湖体监测点的空间数据采用Oracle 11g+ArcSDE方式实现存储管理，属性监测数据按月实时更新，以Sql Server数据库实现存储。空间、属性数据之间依据站点的stationcode字段实现关联。在ArcGIS软件的Geoprocessing工具中，也提供了IDW插值分析工具。因此，在ArcGIS的modelBuilder建模环境里利用IDW插值分析工具以及其他的用于数学计算、数据处理的工具，建立Geoprocessing模型如图1所示。

图1 modelBuilder中的IDW的Geoprocessing模型

其中，IDW插值分析工具用于湖体监测值的插值运算，得到栅格格式的IDW空间插值图。Int工具用于空间插值图栅格转矢量前的数据取整工作，Raster to Polygon工具用于将空间插值图由栅格格式转为矢量格式。Clip工具将生成的矢量格式空间插值图按太湖区域的范围进行裁剪，使其和影像地图重合。最后，设置outputMap为参数，让它作为参数输出，保存模型。

3 Geoprocessing服务发布

ArcGIS提供了Geoprocessing类型的服务，允许将设计好的Geoprocessing模型发布为Geoprocessing服务。发布Geoprocessing服务可使用两种资源类型：Geoprocessing工具；包含结果图层的MXD文档。其中包含结果图层的MXD文档发布成Geoprocessing服务时又有两种选择：一种只发布为Geoprocessing服务；另一种发布成MapService和Geoprocessing服务。第二种方式可预先在MXD文档中对结果图层渲染，这样可简化客户端的可视化工作。因此，我们使用第二种Geoprocessing服务，这样通过客户端调用GP就能直接给我们返回一个resultMapLayer然后直接加到前端的Map控件中。它的好处是生成的等值面可以在发布服务的时候就设置好外观样式，而不用在客户端来手动设置。

4 功能模块设计与实现

“江苏省生态环境监控系统（‘1831’项目）”客户端采用Flex技术架构。Flex是Adobe公司推出的一系列工具和技术，使开发人员可以开发和部署可升级的富互联网应用程序（RIA）。Flex提供了一种现代的、基于标准的语言来支持公共模板设计、客户端运行环境、编程模型、开发模型和高级数据服务。水质动态监测主要功能是连接Geoprocessing服务，接受Geoprocessing服务的运算接果并显示在用户界面上。核心代码如下所示：

系统运行后，相应的功能界面如图2、图3、图4所示。

图2 6月份动态监测结果

图3 7月份动态监测结果

图4 8月份动态监测结果

5 结语

IDW是一种优秀的空间插值算法，主要应用于DEM生成、DEM坡度、坡向计算以及地区人口、地区GDP专题图生成等GIS地学分析、自然地理、人文地理领域。在“江苏省生态环境监控系统（‘1831’项目）”的研发过程中，本文作者将其应用到环保监测方面，具有一定的创新意义。

“江苏省生态环境监控系统（‘1831’项目）”还将不断完善，并大力推广和应用。在这个过程中，将发掘更多的行业需求，我们也将根据需要应用更多科学计算模型，充分利用信息化手段为环境保护工作服务。

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