土壤狀況對于維持環(huán)境 安全與人類健康至關重 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 動的負面影響。 活 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)田土壤中的無機元 素，從而威脅消費者人身健康 1,2。 場所的重金屬污染也可能危害幼兒健康 除此之外，住宅區(qū)和公園等公共 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 傳遞不當會誤導人們相信實際中不存在的風險，并花費高昂成本開 展不必要的檢測 4 。 軟件土壤無機元素儀表盤可以 將復雜數(shù)據(jù)可視化和圖像化，幫助人們快速理解，從而避免不當?shù)?信息傳遞。

本研究利用土壤無機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)進行比較，然后通過持續(xù)檢查數(shù)據(jù)的正偏離和 負偏離波動，來確定數(shù)據(jù)的變動是否是局部相互作用引起的。 自上個世紀60年代末以來，英國地質(zhì)調(diào)查局一直致力于環(huán)境 地球化學基線調(diào)查（G-BASE），并每年在英國各地采集樣本。 這些從城鎮(zhèn)采集的樣本在上個世紀90年代末至21世紀初 期間分別進行測試。

實驗：本研究利用土壤無機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)進行比較，然后通過持續(xù)檢查數(shù)據(jù)的正偏離和 負偏離波動，來確定數(shù)據(jù)的變動是否是局部相互作用引起的。 自上個世紀60年代末以來，英國地質(zhì)調(diào)查局一直致力于環(huán)境 地球化學基線調(diào)查（G-BASE），并每年在英國各地采集樣本。 這些從城鎮(zhèn)采集的樣本在上個世紀90年代末至21世紀初 期間分別進行測試。 在本研究中，我們分析歐洲國家土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)的主要目標是為 了用圖像顯示出英國11個地區(qū)土壤中無機元素的相對含量，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 Spotfire®軟件土壤無機元 素儀表盤進行了針對性設置，以便得到所需結(jié)果。首先，從三 維散點圖（3D Scatterplot）模式切換至二維散點圖（2D Scatterplot） 模式，同時對地圖（Map Chart）進行格式化調(diào)出經(jīng)緯度標記。 然后，調(diào)整條形圖（Bar Chart）設置，以便查看每個元素數(shù)據(jù)。 最后，輸入基線數(shù)據(jù)，判斷各個地區(qū)土壤中特定金屬元素濃度 是否會高于或低于基線。圖1為剛打開文件時初始的無機元素儀 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)整后顯示新導入土壤數(shù)據(jù)的儀表盤。

當用新數(shù)據(jù)表取代默認表SpotfireInorganicSoilv1上傳時，相 應數(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 的 數(shù) 據(jù) 后，表 格 重 命 名 為BGSDataUnitedKingdom。 在 替 換 舊 數(shù) 據(jù) 表 時，TIBCO Spotfire®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) 點不足以實現(xiàn)可視化效果，因此將三維散點圖重新設計為二維 散點圖，如圖4所示。在二維散點圖中，橫坐標為每種元素的名 稱，其對應的數(shù)值顯示在縱坐標。采用這種格式后，圖中顯示 了每個采樣區(qū)的特定標記。同時，圖中還添加了顏色區(qū)分功能， 每個采樣區(qū)都具有的標記顏色。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遠高于其他城鎮(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，因此，圖5中的地圖會自 動識別這些字段并更新其標記。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)以紅色標記，而對 低于基線值的數(shù)據(jù)以綠色標記。由圖可知，斯溫西是采樣的14 個英國城鎮(zhèn)中一個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。我們還可通過編輯顏色、大小、形狀和標記區(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 整個英國的平均值，而并非各個城鎮(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元素，我們必 須沿縱坐標添加，以便顯示相應數(shù)據(jù)。每個條形上方都標有對 應的濃度值。如上所述，二維散點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)進行了補充。 在分析報告的第二頁，軟件更新生成了更多的二維散點圖，方 便用戶查看每種元素的詳細數(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)計指標。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?？票孺?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)，人類活動強度較大。 由于受基礎設施建設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，這些無機元素本身 不會危害環(huán)境，但必須嚴密監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的 問題

結(jié)論  土 壤 無 機 元 素 儀 表 盤 是 在 類 似 于 P e r k i n E l m e r  Syngistix™數(shù)據(jù)分析軟件輸出項配置文件的基礎上開發(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 認的SpotfireInorganicSoilv1數(shù)據(jù)表。使用TIBCO Spotfire® 軟件時，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、二維散點圖和條形圖，我 們可以對不同數(shù)據(jù)點之間的關系做出基本的判斷。另一方 面，通過比較二維散點圖中各金屬元素數(shù)據(jù)與土壤基線數(shù) 據(jù)，我們可以進一步判斷哪些無機元素會對英國采樣區(qū) 的當?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 的具體時間。在此基礎上，我們可以進一步將這些波動 與潛在的因果事件聯(lián)系起來。此外，我們還可利用 TIBCO Spotfire®軟件，對樣本測試數(shù)據(jù)和基線數(shù)據(jù)進行 統(tǒng)計分析計算，得到二者間的方差，并判斷二者平均值 是否具有統(tǒng)計學意義。TIBCO Spotfire®軟件生成的每種 圖表都揭示了有關土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)的真實信息，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過程。