基于IDW內插算法生成太湖水質動態監測圖的研究

黎 剛，陳年松，王 勇

（1.江蘇省生態環境監控中心，江蘇南京 20036；2.江蘇省測繪工程院，江蘇南京 210003）

0 引言

由于環境信息與空間位置有著密切的關系，而地理信息系統又是處理空間信息的有效工具，因此，在地理信息系統的支持下，開發與應用太湖基礎空間數據庫建設不僅可以方便地獲取、存儲、管理和顯示各種太湖流域信息，而且可以對太湖流域環境進行有效的地圖展示、查詢、分析、統計。

在“江蘇省生態環境監控系統（‘1831’項目）”的研發中，需要解決太湖水質的動態監測問題。即在太湖水域監測點的位置和各個測點每個月的監測數據都已經入庫的前提下，怎樣利用已有的離散成果，通過某種數學插值算法，生成連續的趨勢面，以形成生動直觀的圖形結果，達到環保行業輔助決策的目的。當前，各類空間數據插值算法名目繁多，各自具有相應特點和差異。經過對比和優選，我們采用反距離權重插值（IDW）模型來構建我們的系統功能。

1 反距離權重插值（IDW）原理

IDW（Inverse Distance Weighted）是一種常用而簡便的空間插值方法，它以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣本點賦予的權重越大。設平面上分布一系列離散點，已知其坐標和值為Xi，Yi，Zi（i=1，2，…，n），根據周圍離散點的值，通過距離加權值求Z點值，則

其中，Z0為點0的估計值；Zi為控制點i的值；di為控制點i與點0間的距離；n為在估計中用到的控制點的數目；k為指定的冪。

IDW通過對鄰近區域的每個采樣點值平均運算獲得內插單元值。IDW是一個均分過程，這一方法要求離散點均勻分布，并且密集程度足以滿足在分析中反映局部表面變化。反距離權重插值方法是一種局部插值方法，它假設未知值的點受較近控制點的影響比較遠控制點的影響更大。影響的權重用點之間距離乘方的倒數表示。乘方為1意味著點之間數值變化率為恒定，該方法稱為線性插值法。乘方為2或更高則意味著越靠近已知點，數值的變化率越大，遠離已知點趨于平穩。因此，當取樣點足夠密時，相比較其他的空間插值算法模型，IDW對局部變化具有更好的效果。

2 Geoprocessing建模

Geoprocessing是ArcGIS的處理工具，也是GIS的基本功能之一。使用Geoprocessing可以通過對數據的操作而得出新的信息。對信息的提取或其他任何關于數據的操作都需要使用Geoprocessing工具，例如，不同格式數據之間的相互轉換。在Geoprocessing中，可以對數據進行合并、剪貼、分割圖幅以及使用各種空間分析工具。

“江蘇省生態環境監控系統（‘1831’項目）”中，太湖湖體監測點的空間數據采用Oracle 11g+ArcSDE方式實現存儲管理，屬性監測數據按月實時更新，以Sql Server數據庫實現存儲。空間、屬性數據之間依據站點的stationcode字段實現關聯。在ArcGIS軟件的Geoprocessing工具中，也提供了IDW插值分析工具。因此，在ArcGIS的modelBuilder建模環境里利用IDW插值分析工具以及其他的用于數學計算、數據處理的工具，建立Geoprocessing模型如圖1所示。

圖1 modelBuilder中的IDW的Geoprocessing模型

其中，IDW插值分析工具用于湖體監測值的插值運算，得到柵格格式的IDW空間插值圖。Int工具用于空間插值圖柵格轉矢量前的數據取整工作，Raster to Polygon工具用于將空間插值圖由柵格格式轉為矢量格式。Clip工具將生成的矢量格式空間插值圖按太湖區域的范圍進行裁剪，使其和影像地圖重合。最后，設置outputMap為參數，讓它作為參數輸出，保存模型。

3 Geoprocessing服務發布

ArcGIS提供了Geoprocessing類型的服務，允許將設計好的Geoprocessing模型發布為Geoprocessing服務。發布Geoprocessing服務可使用兩種資源類型：Geoprocessing工具；包含結果圖層的MXD文檔。其中包含結果圖層的MXD文檔發布成Geoprocessing服務時又有兩種選擇：一種只發布為Geoprocessing服務；另一種發布成MapService和Geoprocessing服務。第二種方式可預先在MXD文檔中對結果圖層渲染，這樣可簡化客戶端的可視化工作。因此，我們使用第二種Geoprocessing服務，這樣通過客戶端調用GP就能直接給我們返回一個resultMapLayer然后直接加到前端的Map控件中。它的好處是生成的等值面可以在發布服務的時候就設置好外觀樣式，而不用在客戶端來手動設置。

4 功能模塊設計與實現

“江蘇省生態環境監控系統（‘1831’項目）”客戶端采用Flex技術架構。Flex是Adobe公司推出的一系列工具和技術，使開發人員可以開發和部署可升級的富互聯網應用程序（RIA）。Flex提供了一種現代的、基于標準的語言來支持公共模板設計、客戶端運行環境、編程模型、開發模型和高級數據服務。水質動態監測主要功能是連接Geoprocessing服務，接受Geoprocessing服務的運算接果并顯示在用戶界面上。核心代碼如下所示：

系統運行后，相應的功能界面如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 6月份動態監測結果

圖3 7月份動態監測結果

圖4 8月份動態監測結果

5 結語

IDW是一種優秀的空間插值算法，主要應用于DEM生成、DEM坡度、坡向計算以及地區人口、地區GDP專題圖生成等GIS地學分析、自然地理、人文地理領域。在“江蘇省生態環境監控系統（‘1831’項目）”的研發過程中，本文作者將其應用到環保監測方面，具有一定的創新意義。

“江蘇省生態環境監控系統（‘1831’項目）”還將不斷完善，并大力推廣和應用。在這個過程中，將發掘更多的行業需求，我們也將根據需要應用更多科學計算模型，充分利用信息化手段為環境保護工作服務。

［1］吳秀芹.ArcGIS 9地理信息系統應用與實踐［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［2］湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程［M］.北京：科學出版社，2006.

［3］賈旖旎，湯國安，劉學軍.高程內插方法對所提取坡度、坡向精度的影響［J］.地球信息科學學報，2009（2）.

［4］陽文銳，王如松，黃錦樓，等.反距離加權插值法在污染場地評價中的應用［J］.應用生態學報，2007（9）.