溫長洲

(廣東省汕尾生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 汕尾 516600)

1 引言

地表水作為地球水資源系統的重要組分之一，其不僅在水、汽循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，而且是連接植被、土壤和大氣的關鍵指標。目前，隨著全球氣溫逐步升高，地表水、植被、土壤水分蒸散加劇，導致區(qū)域性干旱現象頻發(fā)[1]。在此基礎上，合理地監(jiān)測區(qū)域范圍地表水變化特征，對干旱防治和地表水遷移分析具有重要意義。

傳統地表水變化特征監(jiān)測中多采用野外水資源勘測和代表性樣點選取方法，雖然勘測精度高，但很難將測定結果應用于大尺度地表水特征分析；相比較傳統監(jiān)測方法，地理信息系統(Geographic Information System，GIS)技術因具備特征因子篩選、數學模型預測分析、空間分析等能力[2]，使其能精準、及時地監(jiān)測地表水特征，如通過空間分析法將地表水代表特征樣點要素插值分析，將區(qū)域離散地表水特征點轉化為可視化(2D或三維模型)的連續(xù)性地表水監(jiān)測空間面數據，進而通過可視化分析直觀、科學地評估、預測和分析區(qū)域地表水特征規(guī)律變化[3，4]。本文通過對GIS關鍵技術特征因子選取、統計分析、協同克里格插值分析、可視化分析后，探討了影響區(qū)域地表水變化的特征主體驅動因子，并應用GIS技術科學且高效地管理區(qū)域地表水，以助推國內水文地質(地表水)資源可持續(xù)發(fā)展。

2 區(qū)域地表水監(jiān)測中GIS技術現狀分析

近年來，隨著區(qū)域尺度地表水特征監(jiān)測研究的開展，使GIS技術逐步成為地表水時空分布特征研究的關鍵點。如相關學者通過GIS技術完成對渭河下游區(qū)域地表水洪澇、干旱、沉降等環(huán)境風險評價[5]；以塔里木河下游地表水蒸發(fā)、入滲、地表溫度、風速等指標構建地表水資源承載力評價體系，對區(qū)域地表水水量變化、水質安全性評估分析，判定該區(qū)域內地表水變化趨勢和潛在因素風險性[6，7]。實踐表明GIS技術在水質污染、承載力分析、時空分布特征應用中均取得了一定成效；其次，GIS技術在區(qū)域地表水監(jiān)測中因基礎數據庫、專業(yè)數據庫內存儲的大量地理基礎信息、區(qū)域地表水分布特征信息、地理位置特征信息等，使GIS技術在水文地質領域中的應用更為關鍵。

3 GIS技術理論概述

3.1 監(jiān)測基礎原理分析

GIS監(jiān)測原理是實現所在區(qū)域監(jiān)測對象地理空間數據采集、存儲管理、統計分析、地理坐標投影編輯、插值預測制圖一體化分析和應用處理[8]，結果見圖1。通過圖1可知，GIS技術監(jiān)測分析區(qū)域地表水變化特征基礎以兩部分為主：一是以GIS技術分析地表水環(huán)境時空特征和風險等級，進而隨機篩選區(qū)域范圍中地表水監(jiān)測樣點以采集獲取實地調查地表水數據；二是通過地表水遷移、降沉、彌散、實地采集調查和遙感(RS)技術分析或篩選地表水特征因子，經克里金插值、模型驗證分析后，輸出模擬圖表、數據要素，實現可視化功能、以分析地表水時空變化特征及區(qū)域地表水擴散規(guī)律[9]。

圖1 GIS技術監(jiān)測地表水特征變化基礎原理

3.2 GIS技術主體特征

GIS技術主體由空間數據處理和空間數據管理共同構成，而空間數據獲取則通過GPRS定位獲取代表樣點地表水特征，以RS技術獲得區(qū)域地理影像基礎信息[10，11]。因此，GIS技術在監(jiān)測區(qū)域地表水變化時，其主體具備以下特征：①空間可視化；②空間思維。在空間可視化特征中，GIS技術依據RS技術、實地調查，分析空間區(qū)域代表點和維度特征，以全面掌握空間事物，同時GIS技術可以對地表水空間信息和屬性進行集中管理、關聯，提升監(jiān)測目標特征屬性可視化分析[12]。在空間思維中，通過獲取GIS數據庫信息資源，利用相關空間分析生產2D或3D可視化特征規(guī)律模型，提升GIS技術監(jiān)測工作效率。

4 GIS關鍵技術應用分析

4.1 地表水變化特征因子分析

4.1.1 相關性分析

地表水趨勢變動主要受特征因子影響所致，為此，本文以相關性分析衡量地表水特征變化與多變量因素間的關聯程度[13]。通過相關系數(Correlation coefficient，R)監(jiān)測反映各變量與地表水特征變化的密切程度，其公式如下：

(1)

式(1)中：Rab表示樣本相關系數:Rab表示樣本協方差;Ra表示a的樣本標準差;Rb表示b的樣本標準差。

其中，Sa樣本標準差計算公式如下：

(2)

4.1.2 因子篩選

為深入探索GIS技術下地表水變化特征，本文以典型西北某干旱地區(qū)地表水與其相關氣候因素降水、蒸發(fā)、地表溫度和植被水分變量(NDVI)進行相關分析，以篩選區(qū)域地表水變化特征因子，結果見表1所示。通過表1可知，2017～2020年，蒸發(fā)與NDVI與地表水變化R2較高，如2020年蒸發(fā)R2為0.59，NDVI為0.67，而與地表溫度相關變化較低，2020年R2僅為0.16，表明該區(qū)域屬于典型干旱或極端干旱區(qū)域，易造成地表水蒸發(fā)流失，而地表溫度變化對地表水變幅影響微弱。在此基礎上，本文選取降水、蒸發(fā)和NDVI因子作為GIS空間插值協變量因子，以較高精度的反映區(qū)域地表水時空分布特征規(guī)律。

表1 某區(qū)域地表水特征與各因子之間相關系數分析

4.2 模型預測分析

4.2.1 協同克里金插值分析

基于地表水特征因子相關性及篩選分析后，可采用協同克里金插值法預測插值模型估算精度和效率。首先，通過區(qū)域變量與地表水相關性特征構建交叉變異函數模型，其次，控制變量，實現局部地表水變化估計和特征插值研究[13]。

采用協同克里金插值模型預測時，以地表水變化特征值為主變量，模擬篩選降水、蒸發(fā)和NDVI指標因子為次變量，進而預測各變量自相關和變量間交叉相關性，其中，協同克里金插值模型實現基礎步驟如式(3)～(5)所示：

(3)

式(3)中：{Zak,ak=1,2,…nk}表示地表水特征值數據；X0表示中心點。

在插值預估基礎上，地表水特征數據估計量是K個協同區(qū)域化變量的全部有效數值的線性組合，如式(4)所示：

(4)

(5)

式(5)中：ai(i=1,2,…,n)；bj(j=1,2,…,n)表示協同克里金權重系數，u0^、u0分別表示無偏最優(yōu)線性估計量和實際量。

4.2.2 GIS技術協同插值分析

由于GIS技術具備存儲、管理分析、處理及直觀可視化的功能，因而，通過GIS技術能有效實現數值形式結果展示，或以二維或三維圖像以數字化處理監(jiān)測模型直觀呈現(圖2)。通過圖2可知，GIS空間屬性數據庫輸入/輸出區(qū)域內地表水特征基礎數據、驅動影響數據，通過GIS空間分析數據庫進行多源數據管理，進而以協同插值法對地表水變化特征實現模型模擬計算，反映區(qū)域范圍中地表水可視化時空分布特征、統計特征等[14]。最終通過GIS協同插值空間可視化工具和采集調查數據運算生成區(qū)域地表水特征趨勢模擬結果分布圖。

4.3 統計分析

在插值協變量因子2D或3D分析地表水特征后，為進一步探索區(qū)域地表水分布規(guī)律，本文通過GIS中空間分析功能進行統計分析(像素統計、面積統計、地表水總量統計等)。則當區(qū)域面積大，且地表水分布不均時，以等值面積加權法統計分析區(qū)域內平均地表水資源總量，如式(6)所示：

(6)

圖2 GIS與數學監(jiān)測模型結合方式

4.4 區(qū)域地表水時空特征可視化監(jiān)測分析

傳統水文地質數據多為地表水時空變化定性研究(如時序分析法等)，難以直觀地了解或掌握該區(qū)域范圍地表水變化特征[15]。相比較，GIS技術、RS技術、GPRS技術的發(fā)展，使野外測量隨機離散型數據可以有效結合，實現離散型特征數據可視化、特征變化要素可視化監(jiān)測。即隨機實現區(qū)域野外地表水特征數據的收集，并依據相關性分析、篩選影響地表水特征變化的因子，進而通過協同克里金插值法獲取區(qū)域內地表水時空特征趨勢和可視化監(jiān)測圖像。

5 區(qū)域地表水變化特征驅動因素探索

5.1 自然驅動因素

由于區(qū)域地表水所處環(huán)境、位置不同，因而造成了地表水時空分布差異性等問題，如國內地表水呈現南多北少、東多西少等特征。而造成地表水此類時空分布特征趨勢是由于受到氣候、溫度、數字高程(DEM)、土壤分布特征、水資源水分特征等自然驅動因素影響，如西北地區(qū)多處于干旱或極端干旱區(qū)域，年積溫高，蒸發(fā)量大但降雨量小，且水資源貧乏，土壤資源多呈現砂礫土，同時西北部地形多呈現山區(qū)、丘陵。因而上述自然驅動因素在GIS技術監(jiān)測模擬區(qū)域地表水過程中，對地表水模擬特征分布結果造成一定偏差[16]。為此，在進行地表水時空分布趨勢監(jiān)測過程中，需實地考察，以最大限度地選取同類型自然驅動因素環(huán)境進行模擬分析，提升GIS技術監(jiān)測準確性。

5.2 人為驅動因素

近年來，由于人為活動、社會經濟發(fā)展、工業(yè)化進度加快、區(qū)域農業(yè)灌溉等人為驅動因素影響，干擾了區(qū)域地表水特征結果分布。如區(qū)域內人工開發(fā)渠道、變更河道走向、侵占地表水分布區(qū)域等，不僅造成GIS技術調查模擬地表水時空分布趨勢困難，而且人為驅動因素無序開發(fā)導致區(qū)域地表水斷流現象越發(fā)嚴重，為此，為實現GIS技術高精度、合理監(jiān)測地表水分布趨勢，需及時控制、降低人為干擾所產生的誤差。

6 結論

本文應用GIS關鍵技術監(jiān)測區(qū)域內地表水變化特征，并深入討論、分析地表水特征分布的驅動因素，為水文資源區(qū)域地表水特征監(jiān)測提供科學理論依據，其相關結論如下：①通過隨機監(jiān)測點分布和地表水特征數據采集，能以GIS技術實現區(qū)域地表水時空分布特征和風險等級評估。②協同克里金插值法模擬特征數據插值，以圖像或二維、三維模型可視化分析，對地表水特征直觀分析和區(qū)域地表水管理和利用效率提升極為關鍵。③實地調查協同GIS技術能有效地判定影響地表水變化特征的人為因素和驅動因素，同時隨著GIS技術深入研究，驅動因素引起的可視化監(jiān)測精度不足問題將得到及時解決。