（摄影测量与遥感专业论文）基于gis与地统计学的土壤重金属元素空间变异分析.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 地理信息系统具有区域综合能力和动态预测能力。克吕格 c k n g i n g ) 建模具有无偏、最优的性质，能给出待定点属性值数学期望 最好的近似。利用g i s 空间分析地统计学技术，参考土壤环境质量评 价方法和技术，对土壤重金属污染现状和趋势进行分析，对其空问分 布规律和原因进行探讨，是本论文的研究重点。主要内容如下： ( 1 ) 对研究区土壤表层重金属元素的采样数据进行统计学分 析。得出结论：土壤中c u 、z n 、c d 、c r 含量相对不高，而h g 和a s 含量相对较高。 ( 2 ) 对污染最严重的土壤重金属元素h g 进行空间分析。结果 表明：h g 数据经对数转换后呈正态分布，有空间相关，且存在东南 方向和西北方向的二价函数趋势，且具有明显的空间变异性。表现出 明显的块金效应，块金值为0 2 5 8 ，变量的空间变异以结构性变异为 主。小尺度上土壤h g 含量无明显变化规律，这表明人为活动对h g 含量的影响很大，从而削弱了空间自相关的作用。 ( 3 ) 生成了土壤n g 含量的空间分布等值线图。整个研究地区 内，h g 含量的分布较为连续，大致可分为几个大的高值区，在西北 一东南方向的斜线上集中分布着高含量区。其中，位于c 、d 区的高 值区受工业影响较大，位于a 区的高值区域受农业行为影响较大。 ( 4 ) 探讨了离析克吕格在土壤评价中的应用。 关键词g i s ，地统计学，空间变异，空间分析，克吕格插值，土壤重 金属 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ( g i s ) h a st h ea b i l i t i e so f r e g i o n a l s y n t h e s i sa n dd y n a m i cp r e d i c t i o n k r i g i n ga sam e t h o df o rm o d e l i n g ，t h e u n b i a s e da n do p t i m a lc h a r a c t e rc a ng i v et h ea t t r i b u t ed a t ao fe s t i m a t e d p o i n t sab e s ta p p r o x i m a t i o nt oi t sm a t h e m a t i c a le x p e c t a t i o n u s i n gg i s s p a t i a la n a l y s i sa n dg e o s t a t i s t i c st e c h n o l o g y a n dr e f e r r i n gt os o i l e n v i r o n m e n tq u a l i t ya s s e s s m e n tt e c h n o l o g ya n dm e t h o d o l o g y , t h i sp a p e r a n a l y z e dt h ea c t u a l i t ya n dt e n d e n c yo fs o i lh e a v ym e n t a lc o n t a m i n a t e s ， d i s c u s s e dt h er e g u l a r i t i e sa n dr e a s o no fs p a t i a ld i s t r i b u t i o n t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t a t i s t i ca n a l y s i ss h o wt h a tc u 、z n 、c d 、c rc o n t e n ta r e c o m p a r a t i v e l yn o th i g h ，b u th ga n d 舡b y c o n t r a r i e s ( 2 )u s i n gr e g i o n a l i z e dv a r i a b l et h e o r e t i ca n d s i m u l a t i v ee m p i r i c a l v a r i a t i o nf u n c t i o n ，w ec h o o s et h e o r e t i c a lf o r m u l at oa n a l y s i st h eh e a v y m e n t a li n i l h g m cc o n t a m i n a t e db a d l ym e n t a l 1 cr e s u l ts h o w s t h a tt h ec o n t e n to fh gw a sn o r m a ld i s t r i b u t i o na f t e r l o g a r i t h m i c t r a n s f o r m a t i o na n dh a se v i d e n ts p a t i a lc o r r e l a t i o n ；t h ec o n t e n to f r i ge x i s t t h es o u t h e a s ta n dn o r t h w e s td i r e e t i o nt r e n do f s e c o n do r d e rf u n c t i o na n d h a se v i d e n ts p a t i a lv a r i a b i l i t y a l s oa no b v i o u sn u g g e te f f e c ti sf o u n di n t h ec o n t e n to fh ga n dn u g g e tv a l u ei s0 2 5 8 ，a n dt h es t r u c t u r a lv a r i a t i o n o fv a r i a b l ea c c o u n t sf o rm a j o r 1 1 圮c o n t e n to fh gd o n th a ss i g n i f i c a n t c h a n g el a w si ns m a l l - s c a l e ，t h es p a t i a lv a r i a b i l i t yw a se f f e c t e dm o s t l yb y h u m a nf a c t o r s ，s u c ha s ：f e r t i l i z a t i o n 、c r o p sa n dm a n a g e m e n tl e v e l ，b u t t h e r ei ss o m eg r a d e dd i s t r i b u t i o nl a wi nm i d d l es c a l e i ti n d i c a t e st h a t m a n - m a d ea c t i v i t i e sa f f e c th gc o n t e n td e e p l ya n dw e a k e nt h ef u n c t i o no f s p a c ea u t o c o r r e l a t i o n ( 3 ) w em a d et h es p a c ed i s t r i b u t i o ni s o l i n em a p o f r i g b y t h em a p w ek n o wt h a ti t sc o n t e n to n l yb e h a v e sc o n t i n u o u sd i s t r i b u t i o nl o c a l l y i n t h ew h o l er e s e a r c ha r e a , t h ed i s t r i b u t i o ni sr e l a t i v e l yc o n t i n u o u sa n dc a l l b ep l o to u tt ob es e v e r a lh i g h - v a l u es o e t i o n s a p p r o x i m a t e l y , w h i c h c e n t r a l i z ei nan o r t h w e s t - s o u t h e a s tz o n a lr e g i o n 啊托h i g h - v a l u e 剐x ：t i o u s i nca n dda l g aa f f e c t e dm a i n l yb yi n d u s t r ya n dt h o s ei naa r e am a i n l yb y a g r i c u l t u r e n 中南大学硕七学位论文a b s t r a c t ( 4 ) d i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o no f d i s j u n c t i v ek r i g i n g k ) k e y w o r d s g i s ，g e o s t a t i s t i c s ，s p a t i a lv a r i a b i l i t y ，s p a t i a la n a l y s i s ， k r i g i n gi n t e r p o l a t i o n ，s o i lh e a v ym e n t a l - 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：日期：丑年查目三生日 i 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储张幽啦师签名龇睨卑丝月丝日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 改革开放以来，随着经济的高速发展，环境污染问题也随之而来，其中水污 染和大气污染问题已引起高度重视。由于土壤污染具有滞后性、隐蔽性和长期性， 土壤污染所带来的食物安全问题和生态安全问题往往未能引起人们足够的重视 m 土壤不仅是农业生产的基础，而且还是人类环境的重要组成部分，在生态系 统中有着独特和重要的空间地位。土壤污染不仅直接影响植物的生长，农产品的 产量和质量，通过食物链影响动物和人类的健康，还可以引起一系列的次生环境 问题，从而影响大气和水的环境质量。为了摸清我国典型区域土壤环境质量状况， 2 0 0 1 年国家计委批准国家环保总局典型区域土壤污染状况探查研究项目立项， 国家环保总局向各地发文( 环科函 ( 2 0 0 1 ) 2 9 号) ，要求各省市开展典型区域 土壤环境质量状况探查研究。 环境质量管理以监督、测量和评价环境质量为目的，主要包括污染源排放情 况监测与环境监测两部分内容。积累数据、观察分析环境质量的变化趋势等都要 靠各级环境监测站的例行监测。地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m ，简称g i s ) 是集计算机科学、地理学、几何学、测绘遥感学、环境科学、 空间科学等众多领域为一体的新兴边缘学科嘲它以地理空间数据库为基础，采 用地理模型分析方法，适时提供多种空间的、动态的地理信息为地理研究和决策 服务由于环境监测点在空间上的分布特征，g i s 为存储、处理和管理环境监测 数据提供了极大的方便。当前g t s 技术的发展已经走过了以空间数据为中心的应 用阶段，逐步进入以决策支持为特征的应用时期。g i s 的技术优势。不只局限于 空间数据采集、存储、管理、显示与输出一体的数据流程，更体现了其在信息综 合、空间分析、预测预报和辅助决策能力上。目前，一些城市已开发出基于g i s 的 环境质量管理信息系统，在区域环境质量现状评价过程中，利用g i s 技术的辅助， 实现对整个区域的环境质量进行客观地、全面地评价，以反映区域中受污染的程 度以及空间分布状态。 土壤是我国重要的自然资源和农业生产资料，也是人类赖以生存和发展的物 质基础。随着人口的增加和入均耕地面积的减少，合理利用和充分开发土壤资源 显得尤为重要。如何合理地利用土壤资源，提高其利用率和生产率。都需要应用 土壤资源信息的研究成果。建设基于g i s 的土壤资源信息管理或预测系统就是将 土壤资源信息与地理信息系统有机地结合起来，建立大型的空间属性数据库，利 用计算机对具有地理特征的土壤资源信息进行查询、检索和统计等操作，可对土 中南大学硕士学位论文第一章绪论 壤特性进行分析和适宜性评价，为农业生产者和决策者提供实时服务，提高土地 管理行政部门的工作效率和农业技术推广的现代化水平。 土壤作为历史自然体，受气候、生物、母质、地形、成土时间等成土因素的 影响，具有复杂性和时空变异性，其随空间位置发生的变化，被称为土壤的空间 变异。1 。土壤空间变异包括土壤性质随平面分布的变异和随土壤垂直剖面的变异 两个方面，对农业土壤而言，土壤空间变异一般是指土壤性质随平面位置不同而 发生的变化。土壤重金属空间变异的研究是对土壤中重金属元素的起伏变化特征， 趋势走向及不同方向的差异性等空间结构特征的探讨，它既是土壤化学特性空间 变异性的研究内容，又是土壤环境质量评价及重金属污染评价的基础。土壤重金 属元素空间变异性的研究方法大致有3 种：时间序列分析法、随机方程法及地统 计学法。其中地统计学法的应用在近年来得到了较大的发展，并逐渐成为一个热 门的研究方向“1 。将地统计学的分析方法与g i s 软件相结合，从而将地统计学方 法融合为g i s 的空间分析方法，在环境管理、环境规划、环境监测、环境影响评 价、环境工程及环境地球化学等领域拥有广泛的应用前景。 本论文中，笔者拟以南方某市的土壤采样数据为例，依托该市土壤污染状况 探查研究项目，利用g i s 空间分析方法，借助地统计学理论，从空间变异角度来 系统研究该市土壤重金属元素分布的空间结构，通过分析土壤中重金属的空间分 布特征并绘制其分布图，查明土壤环境质量在区域空间内的变异原因，预测其变 化趋势，并实现用地统计学进行土壤空间分析预测的相应程序，为研究土壤环境 的形成和发展、进行土壤环境区规划和制定土壤环境保护措施及土壤环境风险评 估提供相应的信息，也为土壤环境信息系统污染评价预测模块的开发研究做些探 讨。 1 2 国内外研究现状 ( 1 ) 土壤重金属介绍 重金属是指比重大于5 0 9 c m 3 的金属元素，包括铜( c u ) 、锌( z n ) 、镍( n i ) 、 铅( p b ) 、铬( c r ) 、镉( c d ) 、汞( h g ) 、砷( a s ) 、铁( f e ) 、锰( h 血) 、铝( m o ) 、 钻( c o ) 等，其中a s 是一种准会属，由于其化学性质和环境行为与重金属的相 似性而列入重金属范畴，f e 、m n 及m o 等也只有在特定条件下才表现毒害作用， 因而一般情况下对前8 种重金属所带来土壤污染的关注和研究相对较多。重金属 是构成地壳的元素，在地球上的水循环和生物地球化学循环等的作用下，广泛分 布于各个圈层介质中。土壤重金属污染是由于人类活动将重金属带入到土壤中， 致使土壤中重金属含量明显高于自然背景含量、并造成生态破坏和环境质量恶化 的现象。因而主要是人为污染，其污染来源主要有污灌、固体废弃物处置( 污泥 中南大学硕士学位论文第一章绪论 和垃圾等) 、矿山开采与冶炼、农药和肥料施用以及大气沉降等几个途径”1 。且 对于不同的重金属而言，其在地壳中的丰度和人为来源又有差异( 见表1 ) 。 表卜1 土壤重金属及其污染来源“1 种类地壳中的丰度人为来源 c u5 5 冶炼、铜制品生产等废水、废渣和污泥，含铜农药 z n7 0 冶炼、镀锌、纺织等工业废水和污泥、废渣、含锌农药、 n i8 0 冶炼、电镀、炼油、染料等工业废水和污泥 p b1 2 5 颜料、冶炼等工业废水、汽油防爆燃烧捧气、农药 c r1 1 0 冶炼、电镀、制革、印染等工业废水和污泥 c d0 2冶炼、电镀、染料等工业废水、污泥和废气、肥料杂质 h g 0 0 8 制烧碱、汞化物生产等工业废水和污泥、含汞农药、汞蒸 a s1 7 硫酸、化肥、农药、医药、玻璃等工业废水、废气、农药 大量研究已经证实，土壤重金属污染不但影响作物产量与品质，而且涉及大 气和水环境质量，并可通过食物链危害人类的健康和生命，发生在日本的“骨痛 病”和“水俣病”事件就是典型例证。1 。此外，土壤重金属污染具有明显的滞后 性和累积性，土壤一旦受到严重污染，则需要较长的治理周期和较高的投资成本， 其危害也比其他污染更难消除。因此，土壤重金属污染的有效控制已成为环境保 护工作中十分重要的内容。 ( 2 ) 土壤重金属空间变异的影响因素、形成机制的研究 土壤特性的空间变异性是普遍存在的，其变异来源包括系统变异和随机变异 两种。土壤特性的系统变异由母质、气候、水文、生物、时间、人类活动等差异 引起，而随机变异是由取样、分析等误差引起。一些研究结果表明，土壤中大量 和微量元素的空间变异性，取决于土壤母质的性质和地形位置，并与气候、大气 沉降、降雨和农业措施等有关“。s t o l t 等的研究发现，母质差异在解释土壤空间 变异性时较地形位置更为重要“。 气候是影响土壤特性空间变异的基本因素“4 。气候支配着成土过程的水热条 件，直接和简接地影响着土壤形成过程的方向和强度，丽土壤特性空间变异程度 决定于土壤形成过程以及其在空间和时间上的平衡，因而气候的差异会对土壤特 性空间变异产生强烈的影响。 地形与土壤特性变异有直接的关系“。地形影响水热条件和成土物质的再分 配，因而不同地形位置有着不同的土壤特性。 人类活动对土壤特性变异也有较大的影响“”。农业生产中的施肥、作物品种、 灌溉及其它的些生产管理措施都是使土壤特性变异增加的因素。作物对养分的 吸收、养分本身在土壤剖面中的淋洗及土壤酸碱调节剂的应用都会引起土壤特性 的空间变异。 我国土壤重金属大多数或在相当大程度上随土壤类型由南向北、由东向西分 布而分异，具有一定的地带性分异特征“”。重金属在土壤中有迁移和累积作用。 土壤中的重金属可能借助于植物根或土壤微生物随液体和悬浮液迁移。可溶性金 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 属化合物可能在土壤溶液中扩散，也可能随液体流动。淋洗粘土和有机质可促使 所有与之结合的金属迁移。植物根对离子的吸收可使离子从土壤下层向上层富集， 这种过程可称为土壤上层的生物学过程。土壤中重金属的移动除受土壤导水率、 水分含量和该离子浓度影响外，主要制约于土壤胶体吸附量的大小。因此，凡是 影响土壤吸附量的诸多土壤理化性质均能影响重金属在土体中的迁移，如土壤质 地、有机质和p h 、土壤交换吸附性能和交换性离子及化学吸收等条件。 土壤中重金属的积累与其形态有很大的关系。土壤中重金属元素在介质中的 存在形态是衡量其环境效应的关键参数。土壤中重金属对环境危害的大小更大程 度上取决于其形态分布。重金属的不同形态表现出不同的生物毒性和环境行为。 重金属在土壤中各种形态存在的数量比例，直接影响重金属在土壤中的迁移、转 化以及对植物的毒性。重金属的形态和分配比例不同，其活化迁移能力和生物有 效性不同，对环境的效应也不同“”。 综上所述，土壤并非一个匀质体，丽是一个时空连续的变异体，具有高度的 空间异质性“。土壤性质空间变异包括土壤水分特征及状态参数、物理性质、化 学性质、土壤重金属及其它元素等性质的变异。由于人类活动( 工业、农业生产) 或者自然变化( 土壤母质矿化) 而引起的土壤重金属时空变化，这些变化均能导 致土壤重金属时空属性数据的复杂化，而且土壤中不同重金属之间的相互关系也 在空间上表现出复杂的相关性与变异性n 耐。 ( 3 ) 土壤重金属空间结构分析的研究 由于土壤中不同重金属之间的相互关系在空问上表现出复杂的相关性与变异 性，对土壤重金属的空间分布及空间相关性和依赖性作定量化的描述相当困难。 土壤重金属的空间变异研究是对土壤中重金属元素的起伏变化特征，趋势走向及 不同方向的差异性等空间结构特征的探讨，它既是土壤化学特性空间变异性的研 究内容，又是土壤环境质量评价及重金属污染评价的基础。土壤重金属元素空间 变异性的研究方法大致有3 种：时间序列分析法、随机方程法及地统计学法。 2 0 世纪7 0 年代地统计学引入到土壤研究中来后，克服了应用经典的统计方 法在研究土壤性质空间变异性规律方面的不足，同时也大大推动了区域土壤重金 属研究的进展，并逐渐成为一个热门的研究方向嘲。w h i t e 等对美国土壤锌的含量 分布进行了半方差分析，发现其空间的自相关距离为4 7 0 k i n ，虽然模型的拟合程 度不高，但仍可用k r i g i n g 插值作出美国土壤锌的分布图“”。陶澍等研究了深圳地 区土壤汞在不同土类中的含量的分布及污染状况，用经典的统计方法和地统计学 方法研究了汞在不同土类中的含量差异、空间结构特征及沿剖面的纵向分异，并 据此讨论了深圳地区土壤中汞含量和分布特征的形成原因，对该地区的土壤汞污 染状况进行了分析和评价，指出深圳地区土壤表土含汞量的空间结构特征表现为 中南大学硕士学位论文第一章绪论 复杂化和无方向性。王学军等运用地统计学方法对北京东郊土壤表层的重金属 含量进行了分析。对结果进行了k r i g i l l g 插值并在此基础上作出了污染评价。结果 表明，运用此方法可使土壤污染评价更为准确、深入、细致，能充分反应污染物 的二维的分布变化“】。此外。太原污灌区土壤重金属的空间变异特征的研究也表 明，采用k r i g i n g 内插法估值可以很好的反映其空间分布特征嗍。郑海龙等为揭示 城市边缘带强烈人为活动对土壤环境质量的影响，以上海梅山钢铁集团附近1 4 k m 2 区域为研究区，应用地统计学普通克吕格插值方法，对研究区内表层土壤污 染的空间变异特征进行了分析，并讨论了土壤污染重点空间区域潜在污染源及其 污染途径，进行了城市边缘带土壤重金属空间变异及其污染评价研究瞰1 。 利用地统计学来绘制土壤环境质量图，直观地反映土壤重金属的空间变异特 征，在国内外已经得到了广泛的应用。 c o n s t c i g d 等对瑞士东北部的w e i n f e l d e n 附近5 0 k m 2 土壤中的铜、锌、镉、铅进行了研究，并利用离散克吕格法( d i s j u n c t i v e k r i g i n g ) 绘制了其在土壤中的分布图。研究发现：铜、锌、镉、铅四种重金属在 土壤中的分布模式非常相似，并且可能具有相同的来源。i m p e r a t o 等。j 1 9 9 9 年对 意大利n a p l e s 市的表层土壤中的重金属铜、锌、镉、铅含量及其形态进行了研究， 并利用克吕格法绘制了等值线图来描述铜、锌、镉、铅在表层土壤中的空间分布 特征。 国内学者在这方面也做了大量的工作。t a o 咖利用地统计学中的变量分析与克 吕格方法对深圳地区土壤中的微量元素的含量空间分布特征进行了详细的研究， 研究表明该地区土壤中微量元素的分布模式主要是受土壤母质的控制x u 与 1 铀嘲还对内蒙古表层土壤中的重金属的空间分布特征进行了类似的研究。张乃明 嘲等应用地统计学方法分析了面积为2 ，7 万h m 2 太原污灌区耕层土壤中的重金属 r i g 、c x l 、p b 、盐分、氯离子含量及p h 数据的统计特征值和结构特征，并用克吕 格法绘制了等值线图。研究发现，h g 、c d 的空问分布有相似的趋势，p b 与氯离 子的分布特征相似，这与实际情况比较吻合。赵永存卸等对吉林公主岭土壤中的 砷、铬和锌含量的空间变异性及分布规律进行了类似的研究郑袁明等嗍对北京 市进行了系统的大尺度上的土壤c r 、n i 含量的空间分布与污染评价的研究，通 过地统计学方法分析并揭示了北京市土壤q 、n i 的空间结构与分布特征，并利 用普通克吕格法( o r d i n a r y r s i g i n s ) 绘制了q 、n i 的含量分布图结果表明，土 壤d 、n i 含量的空间结构具有较好的可迁性特点；指数模型模拟效果较好，变 程分别为1 7 4 6k m 和1 5k m ；半变异函数的方向性分析表明土壤中的o 、n i 具 有中等程度的空间自相关性；北京市土壤中的臼、n i 含量目前仍主要受成土母 质的影响。 ( 4 ) g i s 在土壤重金属空间结构分析中的应用发展 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 地理信息系统( g i s ) 是一种采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球 表面、空间和地理分布有关的数据的空间信息系统，是分析和处理海量地理数据 的通用技术。g i s 可以将大量的各类空间存贮管理并处理，可以将不同来源，不 同格式、结构和不同影像或分辨率的空间数据融合起来；同时在数据的统计分析、 模型的建立和制图方面都具有强大的功能，这对地统计学的空间结构分析与模拟 是一种很好的辅助工具，因为g i s 甚至可以直观地反映土壤重金属的空间变异特 征应用g i s 地统计学模块来分析并模拟土壤重金属的空间分布模式与结构，并 进行空间插值，能非常容易地使插值图可视化。在土壤重金属污染研究过程中， 土壤、环境学家们还可以利用g i s 将地统计学得来的空问插值图与地形图、土地 利用方式专题图等融合起来，发现更多的隐藏信息。 g i s 空间分析结合地统计学理论开发的地统计学扩展模块研究土壤重金属空 间结构主要用于两个方面；l 、土壤重金属分布空问结构分析及制作土壤环境质量 专题图；2 、土壤重金属含量空间插值与对土壤重金属污染及其来源进行预测与评 估。 在进行区域环境调查和研究时，常常采用制图方法来表示各种环境现象的空 间分布特征和数量质量指标。通过分析土壤中重金属的空间分布特征并绘制其分 布图，有助于查明土壤环境质量在区域空间内的变异原因、结果和趋势，对研究 土壤环境的形成和发展、进行土壤环境区规划和制定土壤环境保护措施及土壤环 境风险评估具有很大的作用。 土壤环境质量评价可以为土地合理利用、环境管理、环境规划和土壤污染的 综合防治提供科学依据。g i s 空间分析中的克吕格插值可以根据一个待测地块邻 域内的若干样品的数据，样品的相互位置关系、数据的变差函数模型所提供的结 构信息，对每个样品值分别赋予一定的权系数，然后进行加权平均来估计各点的 污染物含量。克吕格法可以对地块的实测数据作出线性、无偏、最小估计方差的 估计。将g i s 空间分析方法应用于土壤环境质量评价可充分反映土壤二维甚至三 维的污染物分布变化并使评价结果更加精确，为土壤环境质量评价与决策者提供 有用信息如k o r r e 将统计学、地统计学与g i s 技术结合起来对希腊l a v r i o 旧 矿区土壤中的重金属污染进行了研究与评估。研究表明，将地统计学方法与g i s 工具结合起来，能有效地对土壤重金属污染及其来源进行预测与评估。 随着土壤资源信息化的发展，建设基于g i s 的土壤资源信息系统可充分发挥 地图表达和地图处理功能，有效解决空间数据的可视化问题和数据的使用效率， 实现大量图层信息的快速查询，为土壤的合理利用、因地制宜以及土壤改良等提 供基础资料。根据不同土壤资源特点和土地利用情况进行适宜性评价和合理布局， 宜农则农、宜林则林、宜牧则牧土壤资源信息系统可为农业生产提供指导和技 中南大学硕士学位论文第一章绪论 术服务。在土壤预测信息系统中，关于怎样将地统计学与g i s 及遥感图像等结合 是需要进一步的研究的问题。 1 3 研究的目的和意义 目前，将地统计学和g i s 相结合对土壤重金属元素的空间变异性研究相当少。 以南方某市的土壤采样数据为例( 论文研究区) ，还没有研究者采用此种方法进 行空间变异性和空间分布的研究，以往的环境质量研究只是单纯的数字统计。本 论文中，笔者拟以该研究区的土壤采样数据为研究对象，将地统计学和g i s 相结 合的方法应用到南方某市土壤重金属形态的空问变异性研究中，依托该市土壤污 染状况探查研究项目，利用g i s 空间分析方法，借助地统计学理论，从空间变异 角度来系统研究该市土壤重金属元素分布的空间结构，通过分析土壤中重金属的 空间分布特征并绘制其分布图，查明土壤环境质量在区域空间内的变异原因、结 果，预测其变化趋势，并实现用地统计学进行土壤空间分析预测的相应程序，为 研究土壤环境的形成和发展、进行土壤环境区规划和制定土壤环境保护措施及土 壤环境风险评估提供相应的信息，也为土壤环境污染评价预测信息系统的研究做 些探讨。 利用g i s 空问分析技术，参考土壤环境质量评价方法和技术，结合当地的实 际情况，对土壤重金属污染现状和趋势进行分析，对其空问分布规律和原因进行 探讨，有利于讨论社会发展人类活动对土壤重金属积累与分布的影响 1 4 研究的思路和内容 1 4 1 研究思路 本文以南方某市土壤污染状况探查研究监测点资料为基础，建立土壤监测点 的空问数据库，并对土壤空间数据进行g i s 空间数据探索性分析，通过k 啦；i n g 空间插值获得该市典型污染重金属分布等值线图。在此基础上，揭示该市土壤重 金属元素的空间结构变异及其演变趋势，从空间上识别重金属元素突变区域，分 析其形成原因，探讨其可能的发展趋势，提出可行的土壤重金属污染预测方法。 具体研究技术路线如图1 - 1 ： 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 土壤重金属空闻结构分析及其污染预测研究技术路线图 1 4 2 研究内容 本文以南方某地级市为研究区，以该市土壤重金属含量采样数据为研究对象， 针对土壤重金属元素空间结构及其演变趋势问题，在系统分析其理论基础、背景 分布模式的基础上，采用g i s 空间分析技术，建立污染等值线图，研究污染重金 属元素的空间结构及其演变趋势，并以此为基础探讨土壤微量元素污染预测、土 壤污染控制的方法。论文研究内容主要包括以下方面： 土壤空间结构变异研究的理论基础： 基于g i s 技术的该市土壤重金属污染元素等值线图的制作； 基于空间变异理论的土壤重金属元素空间结构分析； 基于空间变异理论的土壤重金属元素发展趋势及其影响因素分析； 基于空间分析探索土壤污染预测和控制方法 中南大学硕士学位论文第二章研究的理论基础及工具 第二章研究的理论基础及工具 2 1 地理信息系统 2 i 1 地理信息系统的定义 地理信息系统简称g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。它是六十年代开 始迅速发展起来的地理学研究技术，是多种学科交叉的产物。地理信息系统是以 地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的 地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统，具有以下三个方面的 特征： l 、具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动 态性； 2 、以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分 析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息： 3 ，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或 专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任 务地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统：而其内涵是由计算 机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的，高度信息 化的地理系统 2 1 2g 1 8 引入环境科学与工程的必要 环境保护离不开环境信息的采集和处理，而环境信息8 5 以上与空间位置 有关。所以地理信息系统( g i s ) 就自然成为环境保护的有力工具利用g i s 可 以方便地获取、存储，管理和显示各种环境信息，可以对环境进行有效地监测、 模拟、分析和评价，从而为环境保护提供全面、及时、准确和客观的信息服务和 技术支持。 环境信息的处理与获取一般具有如下特点： i 、空间性：8 5 以上的环境信息都与空间位置有关 2 、 复杂性：环境信息处理背景复杂、任务繁多、涉及面广 3 、分析性：要进行环境信息的大量分析工作，不仅需要定性和静态分 析，而且需要定量、定位和动态的综合分析及评价 4 ， 实效性：环境信息通常是海量的，需要高效、迅速和准确的处理。 文多源性：环境信息来源多，一般包括监测数据、统计数据、遥感数 据或不同数据的组合。 中南大学硕士学位论文第二章研究的理论基础及工具 6 、直观性：环境信息处理结果应具有较高的可视化程度和良好的显示 性。 g i s 的主要功能是查询、检索、处理和显示图形、图像及属性数据；也可以 按一定的格式读入数据，查询和识别其相应的属性并且在相应的特定空间条件下 显示这些信息。由于很多环境要素都直接或间接的和某些地理要素相关，因此 g i s 基于地理位置及与该位置有关的地物属性的空间分析等功能对于环境科学 与工程就有着极为重要的作用。此外，g i s 还十分适合环境信息的获取与处理o “ 基于此，g i s 在制作环境专题图，建立各种环境地理信息系统、环境监测、 自然生态现状分析、环境模拟预报、交通建设项目环境影响后评价等方面均有很 大的应用空间。 2 2 空间统计分析方法 空间分析( s p a t i a la n a l y s i s ) 是地理科学研究空间分布和空间变异的一种方 法。有学者将空间分析研究工作归结为空间统计与格局、空间过程模拟、空间相 互作用、空间运筹与规划、其它等5 大类彻，它们构成了广义空间分析的具体内 容。 目前，空间分析( s a ) 和g i s 在应用上既有交叉，但又不等同。g i s 可利用 s a 中的分析模型和算法，丰富和发展自身的空问分析功能。与此同时，s a 软 件也可以借助g i s 控件，改善对现实世界的数据抽象、虚拟与表达。 空间分析的概念可以从广义和狭义两个角度来理解，不同学科也有不同的认 识。本文从狭义的角度来理解空间分析的概念，将空间分析等同于空间统计分析。 由于空间现象间存在不同方向、不同距离成分等相互作用，使得传统的数理 统计方法无法很好地解决空间样本点的选取、空间估值和两组以上空间数据的关 系等问题，因此，空间统计分析方法应运而生。空间统计分析是以具有地理空间 信息特性的事物或现象的空间相互作用及变化规律为研究对象，以具有空间分布 特点的区域化变量理论为基础的一门新学科，其主要理论由法国统计学家 m a t h c r o ng 创立，经过不断完善与改进，目前已成为具有坚实理论基础和实用价 值的数学工具，不仅可以研究空间分布数据的结构性和随机性、空间相关性与依 赖性、空间格局与变异，还可以对空间数据进行最优无偏内插，以及模拟空间数 据的离散性及波动性。空间统计分析方法由分析空间变异与结构的半变异函数 ( 或称半方差函数) 和利用以空问局部估计的克吕格插值法两个主要部分组成， 是g i s 空间分析的一个重要技术手段 2 2 1 空间统计分析的概念 2 0 世纪6 睥代，在法国统计学家m a t h e l o ng 的大量理论研究基础上，形成了 中南大学硕士学位论文第二章研究的理论基础及工具 一门新的统计学分支，即空间统计学( 地统计学) 它是以区域化变量理论为基 础，以半变异函数为工具，研究具有地理空间信息特性的事物或现象的空间相互 作用及变化规律的科学嘲。当研究空间分布数据的结构性和随机性，或空间相关 性和依赖性，或空间格局与变异，并对这些数据进行最优无偏内插估计，或模拟 这些数据的离散性、波动性时，均可应用空间统计学的理论及相应方法。空间统 计学研究的内容主要包括：克吕格空间估计、变异函数理论、区域化变量空间变 异结构分析以及随后发展起来的随机模拟。其中变异函数理论和区域化变量的空 间变异结构分析等重要内容是进行克吕格空间估计的基础和前提，可视为克吕格 的组成部分。 空间统计分析方法假设研究区中所有的值都是非独立的，相互之间存在相关 性在空间或时间范畴内，这种相关性被称为自相关。根据空间数据的自相关性， 可以利用已知样点值对任意未知点进行预测。但事实上，在进行未知点预测之前 并不知道数据间的具体相关规律，因此揭示空间数据的相关规律是空间统计分析 的重要任务之一；而利用相关规律进行未知点预测是空间统计分析的另一个重要 任务。由于空间统计分析包含着两个显著任务，所以涉及两次使用样点数据，第 一次用于估计空间自相关，第二次用于预测位置点 2 2 2 空间统计分析中的理论假设 2 2 2 1 区域化变量 所谓区域化变量是指以空间点x 的三个直角坐标“，。t ) 为自变量的随机 场z “，t ) = z 当对其进行了一次观测后，就得到了它的一个实现z ， 它是一个普通的三元实值函数区域化变量的两重性表现在：观测前可将其看成 是随机场( 依赖于坐标( ，。t ) ) ，观测后又可将其看成一个点函数( 即在具体的 坐标上有一个具体数值) 区域化变量具有以下属性嘲： 1 空间局限性：区域化变量被限制于一定的空间范围，该空间范围称为区域 化变量的几何域，区域化变量是按几何支撑来定义的 2 连续性：不同的区域化变量具有不同程度的连续性，这种连续性是通过区 域化变量的变异函数来描述的 3 异向性：当区域化变量在各个方向上具有相同性质时称为各向同性，否则 称为各向异性 4 相关性：区域化变量在一定范围内呈现一定程度的空间相关，当超过这一 范围之后，相关性交弱直至消失 5 变异性的可叠加性：对于任一区域化变量而言，特殊的变异性可以叠加在 中南大学硕士学位论文 第二章研究的理论基础及工具 一般的规律之上。 2 2 2 2 协方差函数 在随机函数中，当只有一个自变量x 时称为随机过程，随机过程z o ) 在时间 ，处的随机变量z ( ) ，z ( t ) f f o - - g 心矩定义为随机过程的协方差函数，记 为c o v z ( t , ) ，z ( t o ，即 c b v z ( ) ，z ( t o = 目z ( ) 一e z ( ) 】【z ( 毛) 一e z ( f 2 ) 】 ( 2 - 1 ) 当随机函数依赖于多个自变量时，z ( = z ( x ，毛。t ) 称为随机场，而随机场 z 0 ) 在空间点x 和x + h 处的两个随机变量z ( 功和z ( x + h ) 的二阶混合中心矩定义 为随机场z ( x ) 的自协方差函数，即 c o v z ( x ) , z ( x + h ) = 研z ( 曲一点z ( x + ) 】【z ( 功一e z ( x + ) 】( 2 - 2 ) 随机场z ( 的自协方差函数亦称为协方差函数，一般地，协方差函数依赖于 空间点z 和 。当h = o 时，协方差函数变为 c b v 】x + o = 研z ( x ) 】2 一 e 【z ( x ) 】 2 ( 2 - 3 ) 2 2 2 3 平稳性假设及内蕴假设 + ( 1 ) 平稳性假设 当区域化变量满足下列两个条件时，称该区域化变量满足二阶平稳。 1 ) 在整个研究区内，区域化变量z ( x 1 的数学期望对任意x 存在且等于常数， 即 研z ( 瑚= m( 常数) v x 2 ) 在整个研究区内，区域化变量的空间协方差函数对任意x 和h 存在且平稳， 即 c o v z ( x ) , z ( x + h ) = 研z z ( x + h ) - m 2 = c ) ，v x ，v h ( 2 - 4 ) 当h = o 时，上式改写成 r n d z ( x ) 】= c ( o ) 坛( 2 - 5 ) 上述各式中c 却( ) 表示协方差，p 缸( ) 表示方差。协方差平稳意味着方差及 半变异函数平稳，从而有关系式 c ( ) = c ( o ) - 7 ( h ) ( 2 - 6 ) ( 2 ) 内蕴假设 在实际工作中，有时协方差函数不存在，因而没有有限先验方差，即不能 满足上述的二阶平稳假设，例如一些自然现象和随机函数，它们具有无限离散性， 即无协方差及先验方差，但有半变异函数，这时区域化变量z “) 的增量 【z ( x ) - z ( x + h ) 】满足下列两个条件时，就称该区域化变量满足内蕴假设： 1 ) 在整个研究区内，随机函数z ( 砷的增量【z 一z o + ) 】的数学期望为o ， 即 中南大学硕士学位论文第二章研究的理论基础及工具 e 【z ( 曲一z ( x + ) 】= o v x , v h ( 2 - 7 ) 2 ) 对于所有矢量的增量【z ( 对一z o + ) 】的方差函数存在且平稳 ，t 矿【z ( 力一z 0 + ) 】。研z ( 一z o + ) 】2 = 2 7 ( x , h ) = 2 r ( k ) v x , v h ( 2 8 ) 即要求z 的半变异函数，( ) 存在且平稳。 如果随机函数只在有限大小的邻域( 例如a 为半径的范围) 内是平稳的( 或 内蕴的) ，则称该随机函数服从准平稳( 或准内蕴) 假设，准平稳或准内蕴假设 是一种折中方案，它既考虑到某现象相似性的尺度，也顾及有效数据的多少。 2 2 2 a 变异函数 由于区域化变量能够同时反映变量的空间分布结构性与随机性，所以无论是