一种基于泰森多边形的土壤污染物浓度空间分布制图方法及系统

技术领域

本发明属于环境地理领域，特别涉及一种基于泰森多边形的土壤污染物浓度空间分布制图方法及系统。

背景技术

目前土壤数据检测手段主要是以样点分析为主的空间布点采样方法，但是由于我国复杂的地形地貌特点以及高昂的检测费用，难以直接获取到全域的土壤原始数据。此外，土壤环境的评价分析阶段多基于数学理论进行统计学分析，并未考虑到土壤属性的空间异质性，无法直观、全面地表达土壤污染的空间差异性。基于部分样点数据以及环境变量的空间分析技术较好地解决了这一难题。采用地统计学相关原理能够通过构建空间统计模型，对区域土壤数据进行空间全覆盖分析，克服了土壤采样的困难又节省了部分样本分析的成本，能够为土壤污染问题的空间监测提供较为直观精确的数据与决策支撑。在此基础上开展的土壤污染制图能够依据有限的采样点数量挖掘土壤污染风险的空间异质性，是开展土壤污染风险评估、污染监测和修复治理的基础与关键。国内外有关土壤污染制图大多涉及污染空间分布展示和风险评价地图，多是利用地统计学方法与GIS技术相结合分析局部典型区域和土壤表层污染情况或风险情况，并进行空间分布特征表征。插值分析(如Kriging插值、IDW插值和最近邻点插值法)是实现土壤污染空间分布由点及面过程常用的地统计学方法。然而，插值分析易受采样点数量和分布情况的影响，不同插值方法和不同参数的设定会生成不同的空间分布结果。基于采样点的土壤污染物浓度及其他属性(如健康风险)空间分布的统一制图方法还有待进一步探究。随着工业化、城市化进程的加快，土壤环境问题日益突出，土壤污染物浓度的空间可视化是实现土壤污染精准防治工作的有力支撑。因此，在土壤污染物时空特征分析和时空建模基础上，开展土壤污染物浓度空间分布制图研究具有较强的科学研究意义和应用实践价值。

发明内容

本发明的目的在于针对上述不足，研究一种基于泰森多边形的土壤污染健康风险制图方法。

基于上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于泰森多边形的土壤污染健康风险制图方法，包括以下步骤：

步骤1：对土壤采样点土壤污染属性值数据进行预处理；

步骤2：依据土壤采样点位置数据生成泰森多边形；

步骤3：采用研究区矢量边界对步骤2中生成的泰森多边形进行边界裁剪；

步骤4：根据经过步骤1预处理后的土壤采样点土壤污染属性值数据，赋值给该点所在经过边界裁剪的多边形，得到土壤污染属性值空间分布图。

进一步地，所述步骤1中对土壤采样点土壤污染属性值数据进行预处理的过程具体为：首先对数据进行异常值剔除，根据制图要求保留对应的采样点属性数据，依据采样点的位置数据即经纬度坐标对土壤采样点进行可视化操作。

进一步地，所述土壤污染属性值包括土壤污染物浓度或土壤污染健康风险测算值，及在此基础上评定的土壤污染健康风险等级水平。

进一步地，所述步骤2中生成泰森多边形的具体过程为：

将所有相邻土壤采样点连成三角形，作这些三角形各边的垂直平分线，由此在每个土壤采样点周围若干垂直平分线便围城一个多边形，用该多边形内所包含的唯一一个采样点的土壤污染属性值来表示这个多边形区域内的土壤污染属性值。

进一步地，所述步骤3中对步骤2中生成的泰森多边形进行边界裁剪，是根据采样范围的矢量边界对生成的泰森多边形进行裁剪，即将土壤采样的边界范围叠加至所生成的泰森多边形上，对两者的重叠区域进行提取，得到符合制图要求的泰森多边形。

进一步地，根据土壤采样点的土壤污染属性值，赋值给该点所在多边形，得到土壤污染属性值空间分布图。

进一步地，土壤污染属性值空间分布图主要流程是：根据点状符号法对土壤采样点的相关属性进行展示，利用不同颜色表征采样点的土壤污染属性值水平；然后，根据土壤采样点土壤污染属性值确定相应的泰森多边形的属性值，并统一泰森多边形的颜色，多边形的颜色应与多边形内采样点的颜色相近；其次，调整泰森多边形透明度，选取合适底图反应研究区的地理环境要素，丰富图幅信息；最后，添加比例尺、指北针和图例地图基础要素，完成土壤污染属性值空间分布制图。

本发明还提供一种基于泰森多边形的土壤污染健康风险制图系统，包括预处理模块：对土壤采样点土壤污染属性值数据进行预处理；

泰森多边形生成模块：依据土壤采样点位置数据生成泰森多边形；

边界裁剪模块：采用研究区矢量边界对步骤2中生成的泰森多边形进行边界裁剪；

制图模块：根据土壤采样点土壤污染属性值，赋值给该点所在多边形，得到土壤污染属性值空间分布图。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明能够基于土壤采样点属性数据快速识别土壤污染健康风险的多重特征(如污染物浓度、健康风险等级)，适用于多尺度制图研究。此外，该发明具有成熟的理论与技术体系支撑，可操作性强，使用简便，有助于推动土壤污染精细化治理研究。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明泰森多边形原理示意图；

图3为本发明实施例土壤污染物浓度分布图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如附图1所示，本发明提供的一种基于泰森多边形的土壤污染物浓度空间分布制图方法，包括以下步骤：

步骤1：对土壤采样点数据进行预处理。主要包括：首先，对采样点数据首先进行异常值剔除；然后，根据制图对象要求保留相应的土壤采样点属性数据(如污染物浓度，健康风险等)；最后，可以使用ESRI公司的ArcGIS软件平台，根据土壤采样点的位置数据(即经纬度坐标)实现土壤采样点空间分布的可视化。

步骤2：依据土壤采样点数据生成泰森多边形。泰森多边形方法，是一组由连接两邻点线段的垂直平分线组成的连续多边形。即将所有相邻土壤采样点连成三角形，作这些三角形各边的垂直平分线，由此在每个土壤采样点周围若干垂直平分线便围城一个多边形，用该多边形内所包含的唯一一个采样点的污染物浓度来(或其他属性)表示这个多边形区域内的土壤污染物浓度(或其他属性)。泰森多边形构建的基本原理如图2所示：

对于泰森多边形，可以对土壤采样点数据使用ArcGIS软件中的“创建泰森多边形”工具生成。

步骤3：采用研究区矢量边界对步骤2中生成的泰森多边形进行边界裁剪。根据研究区(即采样范围)的矢量边界对生成的泰森多边形进行裁剪，即将土壤采样的边界范围叠加至所生成的泰森多边形上，对两者的重叠区域进行提取，得到符合制图要求的泰森多边形。本步骤，可以借助ArcGIS软件中的“裁剪”工具来完成。

步骤4：根据土壤采样点污染物浓度或其他属性值，赋值给该点所在多边形，得到土壤污染物浓度(或其他属性)空间分布图。该步骤的主要流程是：首先，根据点状符号法对土壤采样点的相关属性进行展示，利用不同颜色表征采样点的污染物浓度(或其他属性)水平；然后，根据土壤采样点污染物浓度(或其他属性)，确定相应的泰森多边形的属性值，并统一泰森多边形的颜色，多边形的颜色应与多边形内采样点的颜色相近；其次，调整泰森多边形透明度，选取合适底图反应研究区的地理环境要素，丰富图幅信息；最后，添加比例尺、指北针和图例等地图基础要素，完成土壤污染物浓度(或其他属性)空间分布制图(如附图3所示)。本步骤，在ArcGIS软件中完成系列操作流程。

实施例2

本实施例提供一种基于泰森多边形的土壤污染健康风险制图系统，包括预处理模块：对土壤采样点土壤污染属性值数据进行预处理；

泰森多边形生成模块：依据土壤采样点位置数据生成泰森多边形；

边界裁剪模块：采用研究区矢量边界对步骤2中生成的泰森多边形进行边界裁剪；

制图模块：根据土壤采样点土壤污染属性值，赋值给该点所在多边形，得到土壤污染属性值空间分布图。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。