基于ArcGIS的中国区域降水空间分析及其可视化

我国气候大部分地区受季风与热带气旋的控制, 降雨时空分布不均, 造成水资源在时间和空间上分布不均, 即夏丰冬枯, 东多西少, 南多北少。由于降水观测站的空间分布不均匀, 同时由于降水具有空间相关性, 即某点的天气状况与距离该点最近的监测值的相关性最大, 因此需要用到空间插值。通过空间插值, 能够将数据补充完整, 这样可以解决因为条件和设备的限制无法对空间某位置进行监测而导致数据不足的问题。

ArcGIS软件是美国ESRI公司的产品。ESRI从事GIS理论研究、产品开发及应用拓展已有三十余年的历史, ArcGIS软件研究空间插值和进行可视化, 具有科学性和实用性。

1 数据与方法

1.1 数据

中国区域在气象上具有经度地带性和纬度地带性, 加上青藏高原的影响, 具有局部特征。具体表现从东南到西北, 降水量呈减少趋势。本文研究的数据时中国大陆160个气象站1951-2008年观测到的年降水量, 将气象站导入Arc GIS软件, 得到气象站空间分布规律如图1所示。

通过图1可以看出, 研究数据中的我国气象站空间分布不均匀, 东部地区气象站分布密集, 西部地区分布稀疏。这主要是降水情况、人类活动和经济基础的不同导致的。对这些数据进行分析, 不能简单地运用算术平均, 需考虑地理学基本规律——空间相关性, 通过ArcGIS软件进行空间插值。所谓空间插值, 就是将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面, 以便与其它空间现象的分布模式进行比较。通过空间插值, 能够将数据补充完整, 这样可以解决因为条件和设备的限制无法对空间某位置进行监测而导致数据不足的问题。

1.2 插值方法

空间插值包括了空间内插和外推两种算法。空间内插算法:通过已知点的数据推求同一区域未知点数据。空间外推算法:通过已知区域的数据, 推求其它区域数据。

空间内插方法包括分块内插插值 (多项式内插、样条函数、双线性内插、拟合多项式、样条函数内插、多层叠加面内插、最小二乘配置法内插) 、逐点内插 (加权平均值法、移动拟合法) 、整体内插 (高次多项式) 等。

影响降水空间分布的因素不同, 所选择的空间降水插值方法和降水模型也不相同。对区域降水插值精度影响最大的是气象站点的数量及空间插值方法, 在站点数量不变的情况下, 影响区域降水空间插值精度的主要因素就是空间插值方法。

降水的空间插值方法主要有:整体插值法 (趋势面法和多元回归法等) 、局部插值法 (泰森多边形法、反距离加权法、克里金插值法和样条法) 。

下面比较几种主要的插值方法的优缺点如下表所示 (见表1) 。

从表1的对比分析可以看出:克里金插值法充分吸收了空间统计的思想, 认为任何空间连续性变化的属性非常不规则, 不能用简单的平滑数学函数进行模拟, 但是可以用随机表面给予较恰当的描述。从数学角度抽象来说, 它是一种对空间分布数据求最优、线性、无偏内插的估计 (Best Linear Unbiased Estimation, 简写为BLUE) 方法。因此本模型选择克里金插值方法。

Arc GIS软件本身支持多种空间插值算法, 主要包括:样条法、反距离加权法、克里金插值法。因此可以利用Arc GIS软件进行空间插值和可视化分析。

2 Arc GIS软件的空间分析和可视化

在Arc GIS软件中, 通过kriging插值, 可以得到全国降水分布图如下图所示 (见图2) 。

通过克里金插值, 还可以获得降水预测图。

利用类似的方法, 逐年对中国降水量进行插值, 可以得到一系列结果。这些数据可以用于计算逐年降水总量, 计算方法如下:

将得到的数据结果和面积相乘, 然后逐点相加, 最后除以面积总数, 可以得到逐年降水总量。结果见表2。

3 结果验证

为了验证计算得到的年均降水量的正确性和插值方法的可靠性, 进行了抽样和验证工作。

根据图1中中国气象站的分布情况, 从已有的160个气象站中选择20个出来 (如图4所示) , 样点采用分层抽样的方法, 在中国不通区域选择样点, 然后对剩下的140个点采用克里金方法插值, 得到插值的结果 (见图4) 。

对于插值结果, 我们随机选择了两年的检测数据进行验证, 验证的结果如下:

从图5可以看出, 1987年的模拟数据和观测数据拟合得非常好。

从图6可以看出, 2005年模拟出的结果和实际监测的结果拟合度非常高。

4 结论与讨论

本文采用克里金插值方法建模确定每年的降水量, 优点是可以根据已知的观测站数据去预测需要填补的数据, 比如, 当某个面积较大区域仅有少数站点时, 需要增加一些站点数据才能让插值效果更好。另外, 对于边界点的处理, 克里金插值法也非常有用。经过验证, 利用该模型计算得到的降水量的精确性已经达到了要求。通过模拟, 可以看出, 克里金插值法, 无论从理论上还是实践上, 用于我国降雨量的空间插值都是可行的。

摘要：ArcGIS是面向企业级地理信息系统软件, 空间分析具有科学性和实用性。中国区域降水观测数据具有空间差异大、数据量不足等问题, 如何有效地实现空间分析、如何进行可视化显示, 是本文研究的重点。本文介绍了ArcGIS用于分析中国区域降水空间分布情况及可视化的效果, 分析了软件在使用过程中的优势, 对空间插值结果进行了验证。

关键词：ArcGIS,降水,空间分析,可视化

参考文献

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