地表水環境質量可視化系統的研究與應用

陳軍，張俊萍，王振興，樊娟，瞿白露

地表水環境質量可視化系統的研究與應用

陳軍1，張俊萍2，王振興3，樊娟4，瞿白露1

（1.長沙市環境監測中心站，湖南 長沙 410001；2.長沙市公安局，湖南 長沙 410005；3.環境保護部華南環境科學研究所，廣東 廣州 510655；4.湖南省環境監測中心站，湖南 長沙 410083）

為增強水質評價結果的直觀性，以湖南省地表水為研究對象，根據地表水水體形狀的特點和地表水水質監測斷面設置的情況，用ArcGIS Engine對空間數據進行讀取和展現，用GDI+技術對河流型水質實現連續漸變的可視化，用反距離插值法實現湖庫型水質的可視化。在Visual Stdio.Net平臺上，將GIS技術、GDI+技術和地統計插值技術等有機融合，建立了地表水水質可視化系統，實現了在電子地圖上對各地表水水質監測斷面綜合評價結果的可視化表征。該系統具有操作簡單、運行效率較高的特點，顯著增強了水環境質量表征的直觀性，為水環境質量管理和污染防控提供了最直接的科學依據。

地表水；水質；可視化系統；ArcGIS Engine

從“十三五”開始，環保部將全面啟動實施環境質量達標改善行動，持續精準改善城鄉環境質量[1]。將環境質量改善提升到一個新的高度，是廣大民眾和各級政府關注的焦點。而地表水環境質量又是其中的重點之一，主要是通過布設一定監測斷面，按照《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）進行監測，客觀反應水質狀況。目前，各地主要以文字表格的形式來報送地表水的水質狀況，不太直觀。雖然有些地方使用了GIS技術來制作一些專題圖，但當相鄰斷面水質類別不同時色彩表征會跳躍變化，而且大多采用手工形式，操作步驟比較煩瑣。有部分學者研究采樣水質模型與GIS相結合表征水質狀況[2-9]，然而水質模型參數獲取的工作量較大，且往往只針對單個的指標，難以整體反應河流的水質情況，主要用于表征某種污染物的擴散。本文根據水體的特點和水質監測斷面的設置情況，將水體分為線性漸變的線狀河流、可插值的面狀湖庫和不可插值的面狀湖庫，分別進行可視化表征后整合成一張完整的地表水水質情況分布圖。在地圖上既可直觀看到各斷面的水質級別狀況，又可以看到流域的水質變化情況，顯著提高了環境管理的效率。

1 數據處理

1.1 河流離散線性化

河面較寬的河流在GIS里一般以面的形式來表達，而河流是有方向的，因此，需要將多邊形的面狀河流線性化。在計算機圖形學里，線段具有寬度屬性，因而可以在河流的屬性表中添加一個河寬的字段用來區分干流和支流。河流的線性化即河流中心線的提取可在ArcGIS平臺上將河流柵格化后二值化，然后通過ArcScan工具欄里的“Generate Features Inside Area”工具來實現[10]。一段河流的水質情況一般由兩個監測斷面來控制，因而需要對河流按照水質監測斷面的具體設置位置進行離散化。一段河流在GIS中作為一個要素表達，其屬性包括上游監測斷面和下游監測斷面的名稱。此外，該河段（線要素）的方向必須與水流方向一致。河流線要素的屬性表結構設計如表1所示。

表1 河流線要素的屬性表結構

代碼名稱類型長度 name河段名稱字符型50 stpt上游斷面名稱字符型50 edpt下游斷面名稱字符型50 width河流寬度短整型4

1.2 監測結果規范化

對地表水各監測斷面進行監測獲得監測結果，按國家標準進行評價后，可獲得該斷面的水質類別。為了使程序能識別監測斷面的水質類別，因而需要對輸入系統的監測結果進行規范化存儲。Excel是目前使用最為廣泛的電子表格，操作簡便，且可用OleDB驅動程序當作數據庫進行處理，讀寫速度較快[11]。因此，選用Excel作為數據交換的存儲格式，將監測結果放到一張Excel表格中，第一行為表頭，第二起為數據，中間不能有空行。該表格中必須包含監測斷面名稱和水質類別兩列數據，且監測斷面名稱必須與線性離散化河流屬性表中的監測斷面名稱一致；水質類別類型約定為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類6種類型進行描述。

1.3 電子地圖模板化

地表水水質表征的模式一旦確定，就很少有大的變更。因此，采用地圖模板的形式可以很好地適應這一常態，如果地圖有更新或變動，則只需修改地圖模板，甚至為滿足不同的需求可以制作多個模板。本系統基于ArcGIS Engine，利用ArcMap強大的制圖功能來制作各類地圖模板，然后在表征系統中調用。可視化方法與地圖模板的松耦合，可以最大程度上擴展系統的功能，以達到表征效果多樣化的目的。

2 河流水質表征

對河流按監測斷面進行離散線性化后，河流由河段組成，河段由線段組成，線段則由兩個結點構成。根據河段兩個端點的水質類別，則可根據一定的原則設定其顏色，用RGB值表示。如果河段兩端的水質類別相同，則只需用同一個顏色繪制該河段即可；如果河段兩端的水質類別不同，則需要將河段等分成水質類別差值的段數，然后再對每個子河段進行漸變渲染。子河段的各結點顏色采用線性內插法[12]獲得：

=×R+（1－）×R

=×G+（1－）×G

=×B+（1－）×B（1）

式（1）中：為起始顏色；為終止顏色；、、為顏色的三原色；為顏色比，區間為（0～1）。

河段中兩個結點組成的線段，利用GDI+技術擴展ArcGIS Engine中ILineSymbol與ISymbol接口的符號類，可以實現其漸變效果。具體流程如圖1所示。

3 湖庫水質表征

湖庫水質的表征分兩種情況：①當水域面積較小時，設置監測斷面數量小于9個湖庫，按照其水質類別，用單一的顏色來表征湖庫的水質；②當水域面積較大時，設置監測斷面數量大于或等于9的情況，采用以庫區為邊界條件，通過插值來獲得整個湖庫的水質情況。反距離加權插值法基于相似的原理，用與此區域內已知的樣點值來預測區域內除樣點外的任何位置的值，計算公式比較簡單，是一種精確性插值法[13]，故本文選用該插值法對湖庫的水質情況進行插值。

4 結果輸出

在完成河流和湖庫水質狀況的可視化表征后，需要將表征結果以圖片格式進行輸出，通過ArcGIS Engine中提供的IExport接口來實現。默認情況下，由于ArcGIS平臺輸出圖片時與GDI+繪制圖形所采用的度量單位不一致，導致在用ArcGIS顯示的地圖上用GDI+技術繪制漸變的河流時會出現錯位現象，因此，經反復分析與測試，在用GDI+繪制圖形時將其度量單位設置成像素，即g.PageUnit=GraphicsUnit.Pixel，可有效解決該問題。

5 系統構建與應用

在Visual Stdio.Net平臺上，基于C#語言，有機整合GIS、GDI+以及地統計學中的空間插值等技術，設計并開發了操作簡便、運行高效的可視化系統，如圖2所示。

通過該系統，用戶只需導入水質監測結果表，選擇地圖模板并配置有關參數，即可生成專題圖。在生成專題圖過程中，系統自動讀取水質監測結果文件，根據河流和湖庫的形狀和監測斷面設置，完成各類河流和湖庫的可視化計算與渲染表征，并將結果以JPG格式輸出。通過該系統生成的包括河流漸變表征、洞庭湖差值表征和其他湖庫單一值表征的DPI為1200的湖南省某年某月地表水水質狀況如圖3所示（水質類別數據非真實數據，僅供模擬用）。

圖1 河流漸變渲染流程圖

圖2 可視化表征系統界面

由圖3可以直觀看出，湖南省各主要干流水質整體較好，大部分屬于Ⅱ類或Ⅲ類。但洞庭湖水質相對較差，主要屬于Ⅳ類水體，局部水域屬于Ⅴ類。

圖3 湖南省地表水水質狀況圖

6 結束語

將GIS技術、GDI+技術和地統計插值技術等有機融合，建立了地表水水質可視化系統，實現了在電子地圖上對各地表水水質監測斷面綜合評價結果的可視化表征，該系統功能齊全、界面友好、操作簡便、計算快速，并成功地應用于湖南省地表水質監測的各類水質報告制作工作中，使地表水水質狀況能夠清晰、明了、直觀地表達。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.069

2095－6835（2019）13－0157－03

〔編輯：嚴麗琴〕