地表水环境质量可视化系统的研究与应用

2019-08-12陈军张俊萍王振兴樊娟瞿白露

科技与创新 2019年13期

陈军，张俊萍，王振兴，樊娟，瞿白露

地表水环境质量可视化系统的研究与应用

陈军1，张俊萍2，王振兴3，樊娟4，瞿白露1

（1.长沙市环境监测中心站，湖南长沙 410001；2.长沙市公安局，湖南长沙 410005；3.环境保护部华南环境科学研究所，广东广州 510655；4.湖南省环境监测中心站，湖南长沙 410083）

为增强水质评价结果的直观性，以湖南省地表水为研究对象，根据地表水水体形状的特点和地表水水质监测断面设置的情况，用ArcGIS Engine对空间数据进行读取和展现，用GDI+技术对河流型水质实现连续渐变的可视化，用反距离插值法实现湖库型水质的可视化。在Visual Stdio.Net平台上，将GIS技术、GDI+技术和地统计插值技术等有机融合，建立了地表水水质可视化系统，实现了在电子地图上对各地表水水质监测断面综合评价结果的可视化表征。该系统具有操作简单、运行效率较高的特点，显著增强了水环境质量表征的直观性，为水环境质量管理和污染防控提供了最直接的科学依据。

地表水；水质；可视化系统；ArcGIS Engine

从“十三五”开始，环保部将全面启动实施环境质量达标改善行动，持续精准改善城乡环境质量[1]。将环境质量改善提升到一个新的高度，是广大民众和各级政府关注的焦点。而地表水环境质量又是其中的重点之一，主要是通过布设一定监测断面，按照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）进行监测，客观反应水质状况。目前，各地主要以文字表格的形式来报送地表水的水质状况，不太直观。虽然有些地方使用了GIS技术来制作一些专题图，但当相邻断面水质类别不同时色彩表征会跳跃变化，而且大多采用手工形式，操作步骤比较烦琐。有部分学者研究采样水质模型与GIS相结合表征水质状况[2-9]，然而水质模型参数获取的工作量较大，且往往只针对单个的指标，难以整体反应河流的水质情况，主要用于表征某种污染物的扩散。本文根据水体的特点和水质监测断面的设置情况，将水体分为线性渐变的线状河流、可插值的面状湖库和不可插值的面状湖库，分别进行可视化表征后整合成一张完整的地表水水质情况分布图。在地图上既可直观看到各断面的水质级别状况，又可以看到流域的水质变化情况，显著提高了环境管理的效率。

1 数据处理

1.1 河流离散线性化

河面较宽的河流在GIS里一般以面的形式来表达，而河流是有方向的，因此，需要将多边形的面状河流线性化。在计算机图形学里，线段具有宽度属性，因而可以在河流的属性表中添加一个河宽的字段用来区分干流和支流。河流的线性化即河流中心线的提取可在ArcGIS平台上将河流栅格化后二值化，然后通过ArcScan工具栏里的“Generate Features Inside Area”工具来实现[10]。一段河流的水质情况一般由两个监测断面来控制，因而需要对河流按照水质监测断面的具体设置位置进行离散化。一段河流在GIS中作为一个要素表达，其属性包括上游监测断面和下游监测断面的名称。此外，该河段（线要素）的方向必须与水流方向一致。河流线要素的属性表结构设计如表1所示。

表1 河流线要素的属性表结构

代码名称类型长度 name河段名称字符型50 stpt上游断面名称字符型50 edpt下游断面名称字符型50 width河流宽度短整型4

1.2 监测结果规范化

对地表水各监测断面进行监测获得监测结果，按国家标准进行评价后，可获得该断面的水质类别。为了使程序能识别监测断面的水质类别，因而需要对输入系统的监测结果进行规范化存储。Excel是目前使用最为广泛的电子表格，操作简便，且可用OleDB驱动程序当作数据库进行处理，读写速度较快[11]。因此，选用Excel作为数据交换的存储格式，将监测结果放到一张Excel表格中，第一行为表头，第二起为数据，中间不能有空行。该表格中必须包含监测断面名称和水质类别两列数据，且监测断面名称必须与线性离散化河流属性表中的监测断面名称一致；水质类别类型约定为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类、劣Ⅴ类6种类型进行描述。

1.3 电子地图模板化

地表水水质表征的模式一旦确定，就很少有大的变更。因此，采用地图模板的形式可以很好地适应这一常态，如果地图有更新或变动，则只需修改地图模板，甚至为满足不同的需求可以制作多个模板。本系统基于ArcGIS Engine，利用ArcMap强大的制图功能来制作各类地图模板，然后在表征系统中调用。可视化方法与地图模板的松耦合，可以最大程度上扩展系统的功能，以达到表征效果多样化的目的。

2 河流水质表征

对河流按监测断面进行离散线性化后，河流由河段组成，河段由线段组成，线段则由两个结点构成。根据河段两个端点的水质类别，则可根据一定的原则设定其颜色，用RGB值表示。如果河段两端的水质类别相同，则只需用同一个颜色绘制该河段即可；如果河段两端的水质类别不同，则需要将河段等分成水质类别差值的段数，然后再对每个子河段进行渐变渲染。子河段的各结点颜色采用线性内插法[12]获得：

=×R+（1－）×R

=×G+（1－）×G

=×B+（1－）×B（1）

式（1）中：为起始颜色；为终止颜色；、、为颜色的三原色；为颜色比，区间为（0～1）。

河段中两个结点组成的线段，利用GDI+技术扩展ArcGIS Engine中ILineSymbol与ISymbol接口的符号类，可以实现其渐变效果。具体流程如图1所示。

3 湖库水质表征

湖库水质的表征分两种情况：①当水域面积较小时，设置监测断面数量小于9个湖库，按照其水质类别，用单一的颜色来表征湖库的水质；②当水域面积较大时，设置监测断面数量大于或等于9的情况，采用以库区为边界条件，通过插值来获得整个湖库的水质情况。反距离加权插值法基于相似的原理，用与此区域内已知的样点值来预测区域内除样点外的任何位置的值，计算公式比较简单，是一种精确性插值法[13]，故本文选用该插值法对湖库的水质情况进行插值。

4 结果输出

在完成河流和湖库水质状况的可视化表征后，需要将表征结果以图片格式进行输出，通过ArcGIS Engine中提供的IExport接口来实现。默认情况下，由于ArcGIS平台输出图片时与GDI+绘制图形所采用的度量单位不一致，导致在用ArcGIS显示的地图上用GDI+技术绘制渐变的河流时会出现错位现象，因此，经反复分析与测试，在用GDI+绘制图形时将其度量单位设置成像素，即g.PageUnit=GraphicsUnit.Pixel，可有效解决该问题。

5 系统构建与应用

在Visual Stdio.Net平台上，基于C#语言，有机整合GIS、GDI+以及地统计学中的空间插值等技术，设计并开发了操作简便、运行高效的可视化系统，如图2所示。

通过该系统，用户只需导入水质监测结果表，选择地图模板并配置有关参数，即可生成专题图。在生成专题图过程中，系统自动读取水质监测结果文件，根据河流和湖库的形状和监测断面设置，完成各类河流和湖库的可视化计算与渲染表征，并将结果以JPG格式输出。通过该系统生成的包括河流渐变表征、洞庭湖差值表征和其他湖库单一值表征的DPI为1200的湖南省某年某月地表水水质状况如图3所示（水质类别数据非真实数据，仅供模拟用）。