使用TIBCO Spotfire®軟件土壤無機(jī)元素儀表盤對英國土壤質(zhì)量進(jìn)行調(diào)查分析

簡介
土壤狀況對于維持環(huán)境安全與人類健康至關(guān)重要，具體表現(xiàn)在，它不僅影響人類的可持續(xù)發(fā)展，還容易受到人類活動的負(fù)面影響。土壤中含有水果、蔬菜和谷物生長所需的優(yōu)質(zhì)營養(yǎng)元素。但是，這些植物也可以通過其根部吸收農(nóng)田土壤中的無機(jī)元素，從而威脅消費(fèi)者人身健康 1,2。除此之外，住宅區(qū)和公園等公共場所的重金屬污染也可能危害幼兒健康 3。無論我們從何處采集樣本，可以肯定的是 -- 前期信息的整理和后續(xù)的數(shù)據(jù)分析同樣重要。信息傳遞不當(dāng)會誤導(dǎo)人們相信實(shí)際中不存在的風(fēng)險(xiǎn)，并花費(fèi)高昂成本開展不必要的檢測 4。 TIBCO Spotre® 軟件土壤無機(jī)元素儀表盤可以將復(fù)雜數(shù)據(jù)可視化和圖像化，幫助人們快速理解，從而避免不當(dāng)?shù)男畔�傳遞。
本研究利用土壤無機(jī)元素儀表盤將從英國地質(zhì)調(diào)查局下載的英國部分區(qū)域的土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)圖形化、可視化。將測試結(jié)果與已建立的基線數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后通過持續(xù)檢查數(shù)據(jù)的正偏離和負(fù)偏離波動，來確定數(shù)據(jù)的變動是否是局部相互作用引起的。自上個(gè)世紀(jì) 60 年代末以來，英國地質(zhì)調(diào)查局一直致力于環(huán)境地球化學(xué)基線調(diào)查（G-BASE），并每年在英國各地采集樣本。 這些從指定城鎮(zhèn)采集的樣本在上個(gè)世紀(jì) 90 年代末至 21 世紀(jì)初期間分別進(jìn)行測試。

實(shí)驗(yàn)
在本研究中，我們分析歐洲國家土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)的主要目標(biāo)是為了用圖像顯示出英國 11 個(gè)地區(qū)土壤中無機(jī)元素的相對含量，并找出其中超出規(guī)定基線濃度的金屬元素（如有）。此次分析共涉及以下 14 種金屬元素：銻、砷、鋇、鎘、鉻、鈷、銅、鉛、鎳、鉬、錫、鈾、釩、鋅。我們采集了英國加的夫、科比、唐卡斯特、林肯、曼斯菲爾德、斯肯索普、謝菲爾德、斯托克、斯溫西、特爾福德和約克地區(qū)土壤中上述 14 種元素的平均濃度。在采集數(shù)據(jù)的過程中，我們對 TIBCO Spotre® 軟件土壤無機(jī)元素儀表盤進(jìn)行了針對性設(shè)置，以便得到所需結(jié)果。首先，從三維散點(diǎn)圖（3D Scatterplot）模式切換至二維 散 點(diǎn) 圖（2D Scatterplot）模 式，同 時(shí) 對 地 圖（Map Chart）進(jìn)行格式化調(diào)出經(jīng)緯度標(biāo)記。然后，調(diào)整條形圖（Bar Chart）設(shè)置，以便查看每個(gè)元素?cái)?shù)據(jù)。最后，輸入基線數(shù)據(jù)，判斷各個(gè)地區(qū)土壤中特定金屬元素濃度是否會高于或低于基線。圖 1 為剛打開文件時(shí)初始的無機(jī)元素儀表盤，圖 2 為替換舊數(shù)據(jù)表（Data Table）后儀表盤自動更新的視圖，圖 3 為調(diào)整后顯示新導(dǎo)入土壤數(shù)據(jù)的儀表盤。

結(jié)果
當(dāng)用新數(shù)據(jù)表取代默認(rèn)表 SpotreInorganicSoilv1 上傳時(shí)，相應(yīng)數(shù)據(jù)表列名必須與其數(shù)據(jù)類型相互匹配。數(shù)據(jù)表格式正 確 并 顯 示 出 所 有 適 當(dāng) 的 數(shù) 據(jù) 后，表 格 重 命 名 為BGSDataUnitedKingdom。在 替 換 舊 數(shù) 據(jù) 表 時(shí)， TIBCO Spotre® 軟件會自動上傳新數(shù)據(jù)，但不會以新文件名更新數(shù)據(jù)表；用戶必須手動更新文件名。圖 1、圖 2 和圖 3 依次顯示了分析過程中發(fā)生的變化。
原始三維散點(diǎn)圖便于查看數(shù)據(jù)集群。但由于新數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)點(diǎn)不足以實(shí)現(xiàn)可視化效果，因此將三維散點(diǎn)圖重新設(shè)
計(jì)為二維散點(diǎn)圖，如圖 4 所示。在二維散點(diǎn)圖中，橫坐標(biāo)為每種元素的名稱，其對應(yīng)的數(shù)值顯示在縱坐標(biāo)。采用這種格式后，圖中顯示了每個(gè)采樣區(qū)的特定標(biāo)記。同時(shí)，圖中還添加了顏色區(qū)分功能，每個(gè)采樣區(qū)都具有唯一的標(biāo)記顏色。這種可視化方法便于我們觀察數(shù)據(jù)。例如，我們很容易就能從圖中發(fā)現(xiàn)，斯溫西地區(qū)土壤中鋅、鉛和銅元素
的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他城鎮(zhèn)土壤中的濃度。經(jīng)過初步觀察后，我們可以進(jìn)一步探究為什么土壤中會含有某種金屬元素或
者是什么導(dǎo)致該金屬元素的濃度高于或低于基線值。
由于新數(shù)據(jù)表中已經(jīng)輸入經(jīng)緯度坐標(biāo)，因此，圖 5 中的地圖會自動識別這些字段并更新其標(biāo)記。為便于觀察，我們還采用了顏色區(qū)分功能，即對超過鎳元素基線值的數(shù)據(jù)以紅色標(biāo)記，而對低于基線值的數(shù)據(jù)以綠色標(biāo)記。由圖可知，斯溫西是采樣的 14 個(gè)英國城鎮(zhèn)中唯一一個(gè)土壤中鎳元素平均濃度超過基線值的城市。這一方法可以幫助我們更快地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢和重要的數(shù)據(jù)點(diǎn)。我們還可通過編輯顏色、大小、形狀和標(biāo)記區(qū)分功能，改變各數(shù)據(jù)字段的顯
示方式。本次分析中使用的基線值是整個(gè)英國的平均值，而并非各個(gè)城鎮(zhèn)的平均值。即便得到某種金屬元素的平均
濃度值高于基線值，也并不一定會威脅環(huán)境或人類健康。
如圖 6 所示，對于最初的條形圖中并未包含的無機(jī)元素，我們必須沿縱坐標(biāo)添加，以便顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。每個(gè)條形上方都標(biāo)有對應(yīng)的濃度值。如上所述，二維散點(diǎn)圖主要顯示每種元素的樣本測試結(jié)果，而條形圖則是以圖形顯示樣本
測試結(jié)果的平均值，對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)充。
在分析報(bào)告的第二頁，軟件更新生成了更多的二維散點(diǎn)圖，方便用戶查看每種元素的詳細(xì)數(shù)據(jù)。此次分析中，我們以英國地質(zhì)調(diào)查局的基線數(shù)據(jù)作為基線值，然后通過與基線值的比較，判斷不同地區(qū)土壤中各元素平均濃度在哪個(gè)區(qū)間。表 1 列出了基線和樣本數(shù)據(jù)的一些基本統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。圖7 為軟件生成的可視化圖形。

根據(jù)上述圖形編制表 2 的數(shù)據(jù)。采樣區(qū)土壤中金屬元素平均濃度高于基線值的，統(tǒng)一用“X”表示。科比鎮(zhèn)的樣本數(shù)據(jù)中僅包含鉛元素和鋅元素的濃度，沒有數(shù)據(jù)的金屬元素以灰色陰影顯示。分析結(jié)果顯示，所有采樣區(qū)土壤中只有鉻元素和鉬元素的濃度均低于基線值。但從另一個(gè)角度來看，除了科比鎮(zhèn)之外，未發(fā)現(xiàn)任何其他城鎮(zhèn)土壤中的所有金屬元素的平均濃度都在基線值以下。

由于基線樣本是從英國所有地區(qū)采集的，土壤中金屬濃度較低的地區(qū)（如風(fēng)景優(yōu)美的農(nóng)村地區(qū)）可能會拉低總體平均值。本研究選擇的采樣區(qū)均為人口密集的城鎮(zhèn)，人類活動強(qiáng)度較大。由于受基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和其他市政工程影響，這些城鎮(zhèn)土壤中的金屬濃度可能高于其他地區(qū)。如前文所述，這些無機(jī)元素本身不會危害環(huán)境，但必須嚴(yán)密監(jiān)測，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題。

結(jié)論
土壤無機(jī)元素儀表盤是在類似于 PerkinElmer Syngistix™數(shù)據(jù)分析軟件輸出項(xiàng)配置文件的基礎(chǔ)上開發(fā)得到的。它允許用戶重新加載任何格式的新數(shù)據(jù)，代替默認(rèn)的SpotreInorganicSoilv1 數(shù)據(jù)表。使用 TIBCO Spotre®軟件時(shí)，用戶僅需完成數(shù)據(jù)列名的匹配即可，即將舊數(shù)據(jù)表列名與新數(shù)據(jù)表列名和數(shù)據(jù)類型建立起關(guān)聯(lián)。執(zhí)行這一操作后，系統(tǒng)會自動更新現(xiàn)有圖表。
在本次分析過程中，系統(tǒng)共生成了兩種圖表：對比性圖表與分析性圖表。根據(jù)地圖、二維散點(diǎn)圖和條形圖，我們可以對不同數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的關(guān)系做出基本的判斷。另一方面，通過比較二維散點(diǎn)圖中各金屬元素?cái)?shù)據(jù)與土壤基線數(shù)據(jù)，我們可以進(jìn)一步判斷哪些無機(jī)元素會對英國采樣區(qū)的當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成危害。如果將新數(shù)據(jù)不斷地輸入到諸如此類的分析中，我們就可以發(fā)現(xiàn)金屬元素濃度發(fā)生變動的具體時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，我們可以進(jìn)一步將這些波動與潛在的因果事件聯(lián)系起來。此外，我們還可利用TIBCO Spotre® 軟件，對樣本測試數(shù)據(jù)和基線數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，得到二者間的方差，并判斷二者平均值是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 TIBCO Spotre® 軟件生成的每種圖表都揭示了有關(guān)土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)的真實(shí)信息，而所有圖表結(jié)合起來又構(gòu)成了無縫多變量分析的整個(gè)過程。

參考文獻(xiàn)
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