1、 南阳师范学院 20XX 届毕业生毕业论文（设计）题 目：地理信息系统在环境质量评价中的研究 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 地理信息系统 指导教师： 完成日期： 目 录摘要 (1)1 引言 (1)2 地理信息系统概述 (1)2.1 地理信息系统概念 (1)2.2 地理信息系统的功能 (2)2.3 地理信息系统在实际领域的应用 (2)3 环境质量评价 (3)3.1 环境质量评价的概念 (3)3.2 环 境 质 量 评 价 的 内 容 (3)3.3 环境质量评价的类型 (3)4 GIS 与重金属污染分析研究 (3)4.1 样品采集与测定 (3)4.2 测定项目和方法 (3)4.3 数
2、据处理与统计分析 (4)4.4 结果 (4)4.4.1 各功能区 8 种重金属污染样品所占比例 (4)4.4.2 各功能区单因子污染指数 (5)4.4.3 按功能区统计 8 种重金属含量的统计特征 (8)4.5 结论 (9)5 结语 (10)参考文献 (10)Abstract (10)地理信息系统在环境质量评价中的应用研究以南阳市某地区重金属污染分析为例摘 要：生态环境质量综合评价涉及众多要素，同时又需要反映生态环境质量状况的空间格局。本文详细介绍了地理信息系统的基本概念与其功能，综合论述了地理信息系统在环境保护领域中的应用，并结合实际，以南阳市重金属污染为例，利用 GIS 技术分析和研究污染
3、状况，最后阐述 GIS 在此领域的应用前景和发展趋势。关键词：地理信息系统; 环境质量评价; 重金属污染1 引言随着世界各国经济的快速发展，尤其是像我们国家这样的发展中国家，在经济飞速增长的背景下，必然会带来很多的负面效应，近年来，自然资源问题和环境问题越来越受到全社会的关注，复杂的环境综合研究与管理，对环境信息的快速准确获取、空间信息分析和图形处理等要求，已经变得越来越受到重视了。而近年来地理信息系统技术的发展，已经可以解决很多实际问题。运用GIS 技术可以从空间和时间上，了解环境资源的现状和变化趋势，直观的表现当代环境资源状况，更好的让人们认识到环境资源变化的规律，从而为环境质量评价提供直
4、观准确的数据资料，可以用来为环境质量评价服务。2 地理信息系统概述2.1 地理信息系统概念理信息系统(Geographic Information system, GIS)是近几十年来发展起来的一门综合应用系统，它能把各种信息同地理位置和有关的视图结合起来，并把地理学、几何学、计算机科学及各种应用对象、CAD 技术、遥感技术(RS)、全球卫星定位技术(GPS)、网络技术(Internet )、多媒体技术及虚拟现实(VR)技术等融为一体，利用计算机图形与数据库技术来采集、加工、管理、分析和表达地理图形及其属性数据。根据需要将这些信息图文并茂地输送用户便于分析及决策使用。地 理 信 息 系 统 既
5、 是 管 理 和 分 析 空 间 数 据 的 应 用 工 程 技 术 ， 又是 跨 越 地 球 科 学 、 信 息 科 学 和 空 间 科 学 的 应 用 基 础 学 科 。 其 技 术 系 统 由 计 算机 硬 件 、 软 件 和 相 关 的 方 法 过 程 所 组 成 ， 用 以 支 持 空 间 数 据 的 采 集 、 管 理 、处 理 、 分 析 、 建 模 和 显 示 ， 以 便 解 决 复 杂 的 规 划 和 管 理 问 题 。 2.2 地理信息系统的功能地理信息系统具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性，它以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，
6、具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力，并能产生高层次的地理信息。它分析处理问题中使用了空间数据与属性数据，并通过数据库管理系统将两者联系在一起共同管理、分析和应用，从而提供了认识地理现象的一种新的思维方法。2.3 地理信息系统在实际领域的应用1、用于全 球 环 境 变 化 动 态 监 测 比 如 全 球 及海岸带资源与环境动态变化的监测、全球性大气环流形势和海况预报等。2、用于自然资源的调查与管理。应用于不同层次和不同领域的资源调查与管理（如农业资源、林业资源、渔业资源）3、利用 GIS 对森林火灾，环境污染等进行监视，也可以对矿产等的开采进行预测 4、用于城市、区域规划和地籍管理 5
7、、可以有效的应用到军事上，反映战场地理环境的空间结构；完成态势图标绘、选择进攻路线、合理配置兵力、选择最佳瞄准点和打击核心、分析爆炸等级、范围、破坏程度、射击等。6、GIS 还在金融业、保险业、公共事业、社会治安、运输导航、考古、医疗救护等领域得到了广泛的应用。3 环境质量评价3.1 环境质量评价的概念所谓环境质量评价，就是研究人类环境质量的变化规律，评价人类环境质量的水平，并对环境要素或区域环境性质的优劣进行定量的描述的科学，也是研究改善和提高人类环境质量的方法和途径的科学。3.2 环 境 质 量 评 价 的 内 容 比较全面的城市区域环境质量评价，应包括对污染源、环境质量和环境效应三部分的
8、评价，并在此基础上做出环境质量综合评价，提出环境污染综合防治方案，为环境污染治理、环境规划制定和环境管理提供参考。 环境质量变异过程是各种环境因子综合作用的结果，包括如下三个阶段：人类活动导致环境条件的变化。如污染物进入大气、水体、土壤，使其中的物质组分发生变化。环境条件发生一系列链式变化。如污染物在各介质中迁移、转化，变成直接危害生命有机体的物质。环境条件变化产生综合性的不良影响，如污染物作用于人体或其他生物，产生急性或慢性的危害。3.3 环 境 质 量 评 价 的 类 型环境质量评价按照时间可分为回顾评价、现状评价和影响评价三种类型。4 GIS 与重金属污染分析研究随着工业化、城市化的发展
9、，土壤环境污染问题越来越突出。土壤中的重金属因不被微生物降解，不易移动，故会不断积累，造成严重污染，并可通过植物吸收进入食物链，造成农产品质量隐患，危害人类健康，下面以南阳市某地区重金属污染分析和研究为例。4.1 样 品 采 集 与 测 定将所考察的城区划分为间距 1 公里左右的网格子区域，按照每平方公里 1个采样点对表层土（010 厘米深度）进行取样、编号，并用 GPS 记录采样点的位置。应用专门的仪器测试分析，获得每个样本所包含的多种化学元素的浓度数据。另一方面，按照 2 公里的间距在那些远离人群及工业活动的自然采样区取样，将其作为该城区表层土壤中的背景值。4.2 测 定 项 目 和 方
10、法土样经自然风干、粗磨、细磨后，分别测定重金属As、Cd、Cu、Cr、Hg、Ni、Pb、和 Zn 的含量，测定方法采用国家环境保护总局（现为中华人民共和国环境保护部）2006 年发布的全国土壤污染状况调查样品分析测试技术规定 ，As、Hg 采用原子荧光分光光度法，Cd 采用石墨炉原子吸收分光光度法，Cu、Cr、Ni、Pb 和 Zn 采用火焰原子吸收分光光度法。4.3 数 据 处 理 与 统 计 分 析本研究数据处理使用 excel 和 arcgis9.3 软件完成。土壤单项污染指数：该评价指标属于 GB156181995 中的二级标准，计算公式为：土壤单项污染指数=土壤污染物实测值/污染物质量
11、标准变异系数将标准差作为算数平均数的百分率来表示，以说明样本的分散程度：=x=1=1(1-)2-14.4 结 果 4.4.1 各功能区 8 种重金属污染样品所占比例该地区的各个功能区的 8 种重金属污染样品占本功能区的比例见表 1：表 1 各功能区污染样品所占比例各功能区污染样品所占百分比（% ）元素1 生活区 2 工业区 3 山区 4 交通区 5 公园绿地区As (g/g) 0.61818 0.61111 0.16667 0.50000 0.74286Cd (ng/g) 0.72727 0.86111 0.25758 0.76816 0.54286Cr (g/g) 0.45455 0.416
12、67 0.22727 0.36232 0.25714Cu (g/g) 0.77273 0.94444 0.25758 0.82609 0.68751Hg (ng/g) 0.56818 0.69444 0.22727 0.52174 0.51286Ni (g/g) 0.27273 0.41667 0.16970 0.19562 0.14826Pb (g/g) 0.59091 0.80556 0.19697 0.66667 0.40000Zn (g/g) 0.61364 0.77778 0.13636 0.71739 0.48571从表中我们可以看出，各功能区之间同种重金属污染样品指数有所不同，而
13、且在同一功能区内不同重金属元素之间也是有不同的。先从各功能区之间的差别来看，生活区，交通区与工业区的重金属污染指数存在很大的相似性。除了 Cr，Ni 两种元素外其他值都在 0.5 以上。两者同是 Ni 占有最低值，Cu 占有最高值。此三功能区同是受人为活动影响最大的，煤含 Cr、Pb、Hg 等金属，石油中含有相当量的 Hg(O.0230mg/kg)，这类燃料在燃烧时，部分悬浮颗粒和挥发金属随烟尘进入大气，其中 1O%30%沉降在距排放源十几公里的范围内。在中国工业区主要能源就是煤。这些金属元素会从大气中沉淀到土壤里。由于我国工业的迅速发展，工矿业污水未经分流而排入下水道与生活污水混合排放，从而
14、造成生活区，工业区土壤重金属Hg、Cd、Cr、Pb、Cd 等含量逐年增加。汽车运输对大气和土壤造成严重污染。主要以 Cu，Cd，Pb，Zn 等的污染为主。他们主要来自于含铅汽油的燃烧和汽车轮胎磨损产生的粉尘。两者之间的主要差别就在于 Pb 元素，在生活区中指数值为 0.59（中等略高） ，而在工业区中为 0.81（比较高的） 。在山区的各种元素的值明显都低于其他各个功能区，所有的指数值都仅在 0.26 以下。山区是比较远离人类活动的地区，很少受到人类活动的影响所以其污染样品指数基本上保持在很低的水平，但是在边缘地区或是某些特殊地带还是会出现污染样品点。公园绿地区的各种元素指数比山区都要高出一些
15、，而比生活区工业区，交通区除了 As 元素外都要低出一些。同样是受人为活动干扰的功能区类型，公园绿地区有了自己的特殊性，这是因为在该功能区内，人们并不进行生产或制造出垃圾，并造成重金属流失形成的重金属污染，并且该地区有树，草等绿色植物它们可以对重金属污染的土壤进行修复作用。再来看各功能区内主要的污染特征。生活区内，重金属污染从大到小排序为 CuCdAsZnPbHgCrNi。工业区内，从大到小排序为CuCdPbZnHgAsCrNi。山区内，重金属污染从大到小排序为：CuCdHgCrPbNiAsZn。交通区内，重金属污染从大到小排序为：CuCdZnPbHgAsCrNi。公园绿地区内，重金属污染从大
16、到小排序为：AsCuCdHgZnPbCrNi。4.4.2 各功能区单因子污染指数单因子污染指数是由土壤污染的实测值与污染标准值之间的比值得出来的，所以每种功能区之间不同元素之间可以进行比较，并且，不同的功能区的同种重金属元素也可以进行比较，如下所示：生 活 区 单 因 子 污 染 指 数0510152025As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn 最 小 值最 大 值平 均 值工 业 区 单 因 子 污 染 指 数0.0000010.0000020.0000030.0000040.00000As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn 最 小 值最 大 值平 均 值图 4a 图 4b山
17、 区 单 因 子 污 染 指 数0.0000.5001.0001.5002.0002.5003.0003.5004.000As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn 最 小 值最 大 值平 均 值交 通 区 单 因 子 污 染 指 数0.005.0010.0015.0020.0025.0030.00As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn 最 小 值最 大 值平 均 值图 4c 图 4d公 园 绿 地 区 单 因 子 污 染 指 数0.00005.000010.000015.0000As Cd Cr Cu Hg Ni PbZn 最 小 值最 大 值平 均 值图 4e通过表 4a，即生
18、活区单因子污染指数表来看，生活区的污染情况比较严重。其 8 种元素的最小值都在 1 左右，说明在生活区内，还是有些地方重金属污染情况较轻或者没有受到污染的迹象，但是其最大值就有很大差别了。像As,Cd,Cr,Ni 的指数值都在 5 以内，属于污染比较严重的地区，而 Cu，Hg 两种元素值都非常大说明有的地区是污染相当严重的。他们的平均值也都是在 5 以内，较为接近 2，说明生活区内的大部分重金属还是属于中度污染的。再看图4b，即工业区单因子污染指数表来看，工业区的污染情况最为严重。首先，注意图表的纵坐标是以 10 为单位的。大致看一下，工业区的所有指数值都在生活区单因子指数值之上，尤其是最高的
19、 Hg 元素几乎都达到了 30，超过生活区的 Hg 指数值 10。其他的值大致与生活区内的值都大一点。总体来说，从图a、图 b 对比来看，工业区污染是比生活区污染还要严重的情况。联系实际，的确工业区的重金属污染应该比生活区要严重。在看图 4c，山区单因子污染指数，其最小指数值在 0.5 左右。最大值也就是 Cu 值为 3.6，平均值大多在 1 左右，就 Cu、和 Hg 两项在 1.5 左右，所以说,整体上山区的各重金属元素是轻微污染甚至是无污染。在山区的各个重金属污染指数中，从图中可以明显的表明各个金属之间的差别是很小的，尤其是和其他工业区的情况比较起来，不管是最大值最小值，平均值，差距都不是
20、很大，并且都处于很低的水平。远离人类活动的山区重金属污染的情况很少，基本处于自然发展状况。然后再看表示交通区的单因子污染指数值的图表 4d，从条形图的走向来看与生活区和工业区都是一样的，其具体的值来看，As，Cd，Cr，Ni,Pb,Zn 和生活区的指数相差无几，Cr,Zn 略高一些。比起工业区，这些元素的值要低一些。交通区单因子污染最大值为 Hg 的 24.8，比生活区最大值 Hg(18)要大，但是比起工业区最大值Hg(29)要小。总体来看，交通区污染情况 As，Cd，Ni，Pb，Zn 和生活区相似,都比工业区要弱，Cr，Cu，Hg 重金属元素要比生活单因子污染指数大，却比工业区的要小一些。最
21、后来看表 4e，公园绿地区的单因子污染指数还是与生活区、工业区、交通区的走势是相一致的，但是其值都是比生活区要小好多，尤其是最大值 Hg，生活区(19),公园区(11),相差 8。Cr，Ni，Pb 的均值都是在 1 左右靠上，小于 2，而 Hg，Cu 两项的值比较高在 34，污染状况明显小与生活区。从整体上来看，生活区，工业区，交通区，公园绿地区的单因子指数无论是在最大值最小值，平均值的趋势都是大致一致的，最大的 Cu，Hg，再者是 Zn，剩下的 As，Cd，Cr，Pb 基本上在一个层次。他们的均值一般在 2 左右，值得注意的是公园绿地中的 Cr，Ni 处在 1 左右，属于正常值。最特殊的就是
22、山区了，它的所有值都是很低的，最大值 Cu 为 3.6，其他的均值都维持在 1 左右，标准的没有受到什么污染。各个元素的指数值都是比较一致的，大致保持在原始的无人类活动干扰的状态。根据图表，很容易得到容易污染的元素是Hg，Cu。4.4.3 按功能区统计 8 种重金属含量的统计特征，如下表：表 2 功能区统计 8 种重金属含量的统计特征生活区重金属含量 工业区重金属含量 山区重金属含量元素平均值标准差变异系数超标率%平均值标准差变异系数超标率%平均值标准差变异系数超标率%As (g/g)6.0700 1.2500 0.20556 0.5896.8806 1.22060 0.1774 0.8544
23、.2420 0.6640 0.156 0.060 Cd (ng/g)311.78 96.900 0.31081 0.936372.25 80.4917 0.2162 1.000193.020 40.00 0.207 0.484 Cr (g/g)55.390 29.040 0.52430 0.37455.666 15.9847 0.2872 0.53236.627 6.797 0.186 0.070 Cu (g/g)49.080 30.840 0.62834 0.95362.067 25.1644 0.4054 0.98120.221 6.851 0.339 0.828 Hg (ng/g)140
24、.43 104.52 0.74423 0.959211.57 161.701 0.7643 0.97454.101 8.856 0.164 0.561 Ni (g/g)17.740 2.6200 0.14745 0.20019.679 2.24240 0.1139 0.58814.181 1.512 0.107 0.000 Pb (g/g)63.75028.080 0.44057 0.77175.076 23.6765 0.3154 0.94339.394 8.700 0.221 0.205 Zn (g/g)193.17 121.95 0.63133 0.869226.867 90.1251
25、0.3973 0.99588.392 19.02 0.215 0.213 公园绿地重金属含量 交通区重金属含量元素平均值 标准差变异系数超标率%平均值 标准差变异系数超标率%As (g/g) 6.12960 1.31420 0.2144 0.5676 5.650500 1.08780 0.1925 0.5384 Cd (ng/g) 283.206 62.7366 0.2215 1.0000 296.3580 85.1908 0.2875 0.9290 Cr (g/g) 48.2924 12.9309 0.2678 0.2784 48.15820 14.3299 0.2976 0.3334 Cu
26、 (g/g) 38.4530 15.9189 0.4140 1.0000 43.37880 20.7803 0.4790 0.9464 Hg (ng/g) 127.456 84.6727 0.6643 0.9054 125.9990 104.209 0.8271 0.8404 Ni (g/g) 17.5532 2.01220 0.1146 0.1670 17.12260 2.05580 0.1201 0.1010 Pb (g/g) 55.5151 17.7940 0.3205 0.7105 58.10810 19.9023 0.3425 0.6880 Zn (g/g) 148.151 65.7
27、087 0.4435 0.7711 170.5420 81.6166 0.4786 0.7680 从上表可知，在所调查的 8 种重金属元素的含量值之中，Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 这几种元素的超标现象严重，其中 Cd(0.936),Cu(0.953),Hg(0.959),Pb(0.7714),Zn(0.86917)都是非常高的，而 As(0.589)是中等程度的，Cr(0.374),Ni(0.2)都是比较低的水平。由此可见，生活区受到的Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 重金属复合污染比较严重，Ni，Cr 相对来说污染还是比较轻的。从变异系数列来看，Cr，Cu，Hg，Zn 的值还是比较大的，As，
28、Cd，Ni的值小。说明在生活区内，Cr，Cu，Hg，Zn 的空间差异比较大，Cr，Cu，Hg，Zn 的空间差异比较少。再看工业区的情况，8 种元素的超标率都在很高水平，像 Cd，Zn 基本上都是超标的。连最低的 Cr 都是 0.532。此说明在工业区内，重金属污染超标严重，受到的重金属污染相当严重。除了 Hg 的变异系数超出其他元素很高外，剩下的变异系数是比较低的，说明 Hg 在工业区的空间差异性很强。接着看山区的重金属含量的指标。其超标率大都是是很低的水平，大都在 0.2 以下，甚至是几乎到 0 的程度。但是 Cu 的超标率在这里就很特殊了有 0.8 之多。说明山区的 Cu 污染相当严重了。
29、其他的元素的污染很小。山区的变异系数就是普遍比较低了维持在 0.2 左右。山区的各金属空间差异还是很小的。公园绿地区的超标率比较有特点，Cd、Cu、Hg 几乎都要超标，而 Cr，Ni 就相当低了，0.2 左右，剩下的 As，Pb，Zn 都是中等水平。最后来看表格所反映出的交通区重金属的情况，Cd，Cu，Hg 都有很高的超标率，这些元素污染很严重，Cd、Cr、Pb、Zn 的超标率属于中等水平，Ni(0.1010)元素超标率就比较低了。Hg(0.827)的变异系数还是在很高的程度，其他元素都在较低水平,Hg 的空间差异还是很突出的，其他元素的空间变异性不强。5 结 论从以上数据结果来看该地区受到
30、Cu 金属污染是最为严重的，Hg 也是污染比较严重。Ni 的污染比较轻。各功能区的综合污染状况是，工业区远远严重于其他，山区基本没有什么污染发生。交通区，生活区，公园绿地区的污染状况是一个层次的，生活区大于交通区大于公园绿地区。在生活区内，除了 Ni 元素的污染不是很严重，其他元素的污染都是比较严重的。尤其是 Cu，Hg 两种元素的污染是很严重的情况。工业区，是重金属污染最严重的地区。各项重金属都严重超标，尤其是 Cu,Hg 等元素。工业区主要是对矿藏的开采，冶炼，金属加工，机械制造，钢铁生产等等。冶炼排放的烟尘是重金属污染的来源，电镀工业和金属加工废水中的重金属含量也是比较高的。在山区，远离
31、人类活动的地方污染程度就很低，基本上就没有污染的情况。交通区的污染也是比较严重的主要是因为交通工具的尾气排放，轮胎磨损也会带来重金属污染。公园绿地区与交通区，生活区相比较之下就没有那么严重，因为人类生产生活不主要在这里进行，并且绿色植物和某些菌类会对重金属污染有修复作用。综上所述，重金属污染情况在各个功能区内是有明显不同的。工业区生活区交通区公园绿地山区。其中 Cu,Hg 的污染情况在各个区都普遍严重。而Ni 的污染是比较轻的。5 结 语随 着 GIS 技 术 和 环 境 科 学 的 不 断 发 展 ， GIS 在 环 境 保 护 和 环 境 质 量 评 价领 域 必 然 会 有 更 为 广
32、阔 的 应 用 前 景 。 本 文 将 GIS 与 层 次 分 析 方 法 相 结 合 ，充 分 发 挥 GIS 技 术 强 大 的 空 间 分 析 能 力 和 层 次 分 析 方 法 ， 综 合 众 多 因 素 的 影响 ， 为 环 境 质 量 评 价 提 供 形 象 、 直 观 、 有 效 的 方 法 和 模 型 。 随 着 GIS 技 术的 不 断 进 步 ， 相 关 软 件 应 用 和 模 型 的 开 发 ， GIS 技 术 在 各 个 方 面 的 应 用 和 研究 会 越 来 越 完 善 ， 会 有 突 破 性 的 进 展 。参 考 文 献1 刘 义 勇 ， 井 文 勇 .地 理 信
33、 息 系 统 技 术 及 其 在 环 境 科 学 中 的 应 用 J.环 境 科 学 ，1997， 18（ 2）2 李 本 纲 .地 理 信 息 系 统 在 环 境 模 型 中 的 应 用 J 环 境 科 学 .1998， 19（ 3）3 赵 俊 兰 ， 冯 仲 科 .基 于 GIS 城 市 规 划 综 合 环 境 质 量 评 价 的 研 究 J. 测 绘 科 学 2007， 32（ 4）4 黄 杏 元 ， 陈 丙 咸 . 地 理 信 息 系 统 发 展 趋 势 . 地 理 学 报 J.1989， 025 黄 蓓 佳 ， 王 少 平 ， 杨 海 真 .基 于 GIS 和 RS 的 城 市 生
34、态 环 境 质 量 评 价 J. 自 然 科 学 报 .2009， 37（ 4） 6 朱 怀 松 ， 白 雪 .浅 谈 GIS 在 环 境 保 护 中 的 应 用 现 状 与 发 展 前 景 J. 2007， 97 王华东，张义生. 环境质量评价M. 天津：天津科学技术出版社 1986： 2-30.8 李祚泳，丁晶，彭荔红 .环境质量评价原理与方法 M .北 京 ： 化 学 工 业 出 版 社 .2004： 10-34.9 苏 文 才 ， 赵 天 健 ， 童 静 融 .环 境 质 量 学 概 论 M.开 封 ： 河 南 大 学 出 版 社 .1988： 90-103.10 刘 贵 明 ， 毛
35、政 利 .地 理 信 息 系 统 原 理 及 应 用 M 北 京 ， 科 学 出 版 社 .2008,203-242.The geographical information system in the environmental quality assessment of the applicationAbstract：The quality synthetic evaluation of ecological environment relates to many elements, and at the same time, it needs to reflect the space s
36、tructure of the ecological environment quality conditions. This paper introduces the basic concept of the geographic information system and its function, and it expounds the geographic information system in the field of environmental protection and the actual application .Take the heavy metal pollution in nanyang for example, we use the GIS technique analyst to research the pollution condition, and expounds the application of GIS in the future and development trend finally.Key words：GIS； Environmental quality assessment； Heavy metal pollution
