基于ArcGIS Engine的土壤重金属污染风险评价系统设计与实现

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土壤是生态环境不可缺少的组成部分,是保证农业可持续发展及人类生存的物质基础。土壤质量一直是影响我国生态安全、关乎国家持续健康发展的重大问题,近年来,随着社会经济的快速发展,人为不合理的活动频繁,使得区域内土壤重金属污染问题日益加剧。土壤重金属污染形成的主要原因是土壤中的微生物不能及时分解,从而造成重金属元素富集,转化为危害性更大的化合物,有的通过食物链的方式蓄积在人体内,严重危害着人类的身体健康。对土壤状况缺乏了解会导致农作物品质和产量下降,出现土壤退化及污染等严重现象,因此,相关部门迫切需要掌握区域土壤质量健康状况,并针对区域性差异采用恰当的评价指标,制定适宜的防治措施,旨在科学准确的解决土壤重金属污染问题,进一步提高土壤质量及生产力水平。目前,国内外学者对土壤重金属污染评价的研究逐渐增多,随着相关性分析、回归分析、系统聚类分析等统计方法的广泛应用,评价指标及方法不断得到发展和完善,但只是停留在方法及指标选取等应用方面的改进,在技术上的研究没有较大的突破,存在一定的局限性。因此,考虑到土壤数据信息量庞大且评价过程复杂,可采用面向对象和具体功能的技术集成,通过ArcGIS Engine组件的开发方式,根据用户需要,把实现各种GIS功能的模块组件起来,以便实现地理信息系统的灵活应用和扩展。本文依据国内外土壤重金属污染现状,对系统做了可行性分析及需求分析,在此基础上筛选了实现系统的算法模型,包括土壤单因子污染指数评价模型、土壤内梅罗污染指数评价模型、土壤潜在生态风险指数评价模型。在确定算法模型基础上分别利用Geodatabase及SQL Server软件构建系统空间数据库和属性数据库,并结合ArcGIS Engine组件,采用.NET作为开发平台,C#为开发语言,通过GIS组件式完成了系统设计的功能模块,实现了基于ArcGIS Engine的土壤重金属污染风险评价系统。本系统设计实现的主要有五大功能模块,包括GIS基础操作功能(漫游、全景、数据新建、保存、另存为、退出系统等);查询统计功能(空间查询、属性查询、邻接要素查询等);空间插值功能(IDW、Krige、Spline、Trend、NaturalNeighbor等插值方法);生态风险评价功能(土壤单因子污染指数法、土壤内梅罗污染指数法、土壤潜在生态风险指数法);系统制图输出功能(地图符号化、地图整饰等)。最后以宁夏回族自治区土壤重金属数据为例,对系统进行实例验证,利用插值功能模块对重金属污染物进行空间分布趋势分析,并对图层进行制图输出,运行系统风险评价功能模块,结果显示该区域土壤重金属污染风险等级处于低水平,但其中Pb对污染的贡献率较大,占到58.74%,通过该系统能够对土壤资源进行高效的宏观调节,及时处理更新土壤资源信息,并对区域土壤资源进行综合评价,从而为土壤资源的高效循环利用及精准管理提供一定理论及技术支撑。本系统具有较高的实用价值和科学意义,主要体现在系统可以为相关部门及工作人员提供科学的信息数据支撑,一方面为区域农业结构调整和农事活动提供充足的科学指导,另一方面为验证土壤项目建设和重金属污染防治成效提供评价依据,该系统旨在为土壤质量研究、农业科学发展、土壤资源合理利用等工作奠定基础。
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