(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111553651.X (22)申请日 2021.12.17 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114239278 A (43)申请公布日 2022.03.25 (73)专利权人 中国科学院生态 环境研究中心 地址 100085 北京市海淀区双清路18号中 国科学院生态环境研究中心生态楼 401-3室 (72)发明人 杨阳　陈卫平　王美娥　 (74)专利代理 机构 北京睿智保诚专利代理事务 所(普通合伙) 11732 专利代理师 韩迎之 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) (56)对比文件 CN 111079216 A,2020.04.28CN 111598315 A,2020.08.28 CN 113012771 A,2021.0 6.22 WO 2016019857 A1,2016.02.1 1 张浩 等.城市土 壤重金属污染及其 生态环 境效应. 《环境 监测管理与技 术》 .2010,第2 2卷 (第02期),第1 1-18页. 李艳玲 等.济源市平原区农田重金属污染 特征及综合 风险评估. 《环境科 学学报》 .2020,第 40卷(第6期), Wei Cheng 等.A COM -based decisi on tree model implemented i n ArcGIS : a case study for as sessment of so il pollution in Fuyang, Zhejiang, C hina. 《2008 Internati onal Conference o n Computer Science and Software Engi neering (CSSE 2008)》 .2008, 审查员 张玮 (54)发明名称 土壤重金属累积过程时空模拟模型构建方 法 (57)摘要 本发明公开了一种基于ArcGIS 的土壤重金 属累积过程时空模拟模型构建方法， 涉及精准农 业领域。 本发明通过ArcGIS空间分析和模型构 建， 耦合单元通量模型与空间数据平台， 构建基 于ArcGIS的土壤重 金属累积过程时空模拟 模型， 模拟并分析大尺度区域农田土壤重金属含量时 空变化过程， 预报潜在风险区域， 并对现行污染 防治措施的可持续 性和有效性进行评估。 权利要求书2页 说明书8页 附图11页 CN 114239278 B 2022.06.21 CN 114239278 B 1.一种基于ArcGIS的土壤重金属累积过程时空模拟模型构建方法， 其特征在于， 包括 以下步骤： 获取区域土壤 基础理化 性质、 多环境介质重金属信息及关键点 位信息； 应用地统计学的半方差函数对获取的土壤基础理化性质和多环境介质重金属信息的 参数进行检验， 获取能反应不同参数空间相关性的块金效应值； 块金效应值＜0.25的参数 具较强空间相关性， 块金效应值在0.25~0.75的参数具中等程度空间相关性， 块金效应值在 0.75~1的参数具较弱空间相关性； 针对不同参数的块金效应值， 选取针对不同参数的最佳拟合模型， 应用ArcGIS空间分 析功能对土壤基础理化性质、 多环境介质重金属信息进行空间插值， 获取不同参数 的空间 栅格化信息； 建立基于ArcGIS的土壤重金属累积过程时空模拟模型， 耦合一维土壤重金属单元通量 模型和获取 的不同参数 的空间栅格化信息， 实现对土壤重金属含量时空变化的预测； 具体 包括： 针对所述空间栅格化信息， 设置统一的模拟单元数量， 实现所有参数在空间上的整齐 划一； 逐行逐列自动扫描每个单元， 计算每一个栅格单元土壤重金属累积量， 并将某一单元 在采样年的模拟结果作为所述某一单元下一年的初始值， 设定模拟时间步长， 以此进行多 个单元的迭代计算， 最后得到不同年份的区域土壤重金属含量空间分布结果， 将一维的土 壤单元重金属含量模拟结果扩展为 二维的土壤重金属累积过程时空模拟方法。 构建一维的土壤重金属单元通量模型具体为： 应用不同量化方程计算经不同途径输入 或输出土壤的年重金属变化通量， 应用微分方程描述土壤重金属变化通量和时间的关系， 整合所有方程。 2.根据权利要求1所述的一种基于ArcGIS的土壤重金属累积过程时空模拟模型构建方 法， 其特征在于， 基础数据获取步骤如下： 实地采样， 获取研究区土壤、 大气、 灌溉水、 肥料和农作物的环境样品， 并用GPS精确定 位； 测定不同样品重金属含量， 建立包含土壤理化性质， 不同环境介质重金属含量及点位 信息。 3.根据权利要求1所述的一种基于ArcGIS的土壤重金属累积过程时空模拟模型构建方 法， 其特征在于， 构建土壤重金属单 元通量模型的具体步骤如下： 基于质量平衡原 理， 定义土壤重金属含量增加量为 “年输入量 ‑年输出量 ”， 定义年输入 量为“大气沉降输入量 +灌溉水输入量 +肥料输入量 +农作物还田量 ”， 定义年输出量为 “农作 物食用部分吸 收量+淋滤输出量 ”； 应用微分方程描述土壤重金属变化 通量和时间的关系， 定义质量平衡过程 为 ； 其中Ct表示土壤重金属总量； It表示土壤重金属 年输入量； Iout土壤重金属 年输出量； t 表示时间步长 。 4.根据权利要求1所述的一种基于ArcGIS的土壤重金属累积过程时空模拟模型构建方权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114239278 B 2法， 其特征在于， 不同参数的空间栅格化信息获取步骤如下： 应用半方差函数对土壤基础理化性质以及多环境介质重金属信 息进行检验， 获取能反 应不同参数的块金效应值； 定义半方差函数为： ； 其中， r(h)代表按步长 h归类的样本点的平均半变异； n代表按方向归类的样本点对数； Z(xi)代表第i个样本的属性 值；Z(xi+h)代表第(i+h)个样本的属性 值； 针对不同参数的块金效应值， 选取针对不同参数的拟合模型， 应用ArcGIS空间分析功 能对土壤重金属单元通量模型的模型参数进行空间插值， 获取不同参数的空间栅格化信 息。 5.根据权利要求1所述的一种基于ArcGIS的土壤重金属累积过程时空模拟模型构建方 法， 其特征在于， 还包括逐行逐列自动扫描土壤重金属单元通量模型的每个单元， 计算每一 个栅格单元土壤重金属累积量， 并将某一单元在采样年的模拟结果作为该单元下一年的初 始值， 设定模拟时间步长， 以此进行多个单元的迭代计算， 得到不同年份的区域土壤重金属 含量空间分布结果， 实现将一维的土壤单元重金属含量模拟结果扩展为二维的土壤重金属 累积过程时空模拟方法。 6.根据权利要求1所述的一种基于ArcGIS的土壤重金属累积过程时空模拟模型构建方 法， 其特征在于， 对土壤重金属累积过程时空模拟模型运行效率和预测精度进 行校正， 实现 对土壤重金属含量时空变化特 征的精准预测， 具体如下： 基于ArcGIS的土壤重金属累积过程时空模拟模型进行敏感性分析， 获取不同参数对模 拟结果的影响程度。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114239278 B 3