GIS在大氣污染擴(kuò)散模擬與評價(jià)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、GIS在大氣污染擴(kuò)散模擬與評價(jià)系統(tǒng)中的應(yīng)用第3期,總第85期2021年9月15日國土資源遙感REMOTESENSINGFORLAND&RESOURCESNo.3,2021Sep.,2021GIS在大氣污染擴(kuò)散模擬與評價(jià)系統(tǒng)中的應(yīng)用楊斌,張峰,何政偉.,王青(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,綿陽621010;2.山西省太原第二外國語學(xué)校,太原030001;3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610059)摘要:將GIS技術(shù)與環(huán)境模型相結(jié)合,集成應(yīng)用于大氣污染擴(kuò)散評價(jià)中,不僅發(fā)揮了GIS強(qiáng)大的空間信息可視化管理和分析功能,也能將環(huán)境模型的分析預(yù)測功能直觀應(yīng)

2、用于對各類污染源的宏觀與微觀模擬表達(dá),實(shí)現(xiàn)了對大氣和.Net集成開發(fā)的大氣污染擴(kuò)散模擬與評價(jià)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電子地圖管理,大氣污染擴(kuò)散模擬,污染源評價(jià)及空氣質(zhì)量評價(jià)等功能.系統(tǒng)充分發(fā)揮了GIS的空間分析和空間數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)了對大氣污染源的可視化管理,從而為相關(guān)應(yīng)用決策機(jī)構(gòu)提供了一套面向應(yīng)用,操作靈活的大氣污染擴(kuò)散模擬與評價(jià)專業(yè)軟件平臺(tái).關(guān)鍵詞:GIS;系統(tǒng)集成:大氣污染擴(kuò)散;模擬評價(jià)中圖分類號(hào):P208文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001070X(2021)030130060引言大氣污染不僅會(huì)對人類身體健康造成重大的威脅,還對城市等根底設(shè)施造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,從而制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)正常的開展¨

3、;.由于大氣污染現(xiàn)象的獨(dú)特性和不確定性,在研究此類問題中增添了不少的困難,其數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)分析往往采用原始的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告進(jìn)行描述,這類問題的數(shù)據(jù)資源共享和更新已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)日益開展的城市環(huán)境管理工作需求.岡此,將這些傳統(tǒng)學(xué)科的分析結(jié)論與GIS空間分析手段結(jié)合起來,建立基于GIS技術(shù)的大氣環(huán)境污染擴(kuò)散模擬與評價(jià)系統(tǒng)必將能為環(huán)境管理部門和相關(guān)機(jī)構(gòu)治理大氣污染提供一個(gè)良好的解決方案.大氣污染擴(kuò)散模擬與評價(jià)系統(tǒng)利用AreEngine組件,運(yùn)用c#2005開發(fā)工具模擬評價(jià)城市大氣環(huán)境的污染擴(kuò)散情況.研究區(qū)選取山西省太原市,系統(tǒng)將研究區(qū)的空間與屬性數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)于SQLServer2000效勞器中,采用Arc

4、SDE數(shù)據(jù)引擎進(jìn)行訪問,實(shí)染源評價(jià),大氣質(zhì)量評價(jià),大氣質(zhì)量模擬,空氣質(zhì)量分析預(yù)測以及空氣污染損失分析進(jìn)行科學(xué)高效管理,為環(huán)境管理的信息化和現(xiàn)代化提供可靠的技術(shù)支持.收稿日期:20211019;修訂日期:2021一叭一O3基金工程:西南科技大學(xué)博士基金工程(編號(hào):09zx7l12)1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先收集研究區(qū)原有的地形,地貌,大氣特征,污染源,氣象及風(fēng)向等數(shù)據(jù)資料,并按數(shù)據(jù)庫規(guī)那么將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的綜合,整理,篩選,歸納及轉(zhuǎn)換,建立以ArcGIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)的多源建立為大氣污染擴(kuò)散模擬及大氣質(zhì)量評價(jià)分析提供數(shù)據(jù)支持.和ArcEngine組件開發(fā),通過ArcSDE和專用開發(fā)數(shù)據(jù)接口,來管理和轉(zhuǎn)

5、換空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù),并能上由3大功能模塊構(gòu)成,即大氣環(huán)境數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),大氣污染GIS操作平臺(tái)和大氣污染GIS應(yīng)用平礎(chǔ),主要由數(shù)據(jù)獲取,數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理等局部組成;大氣污染GIS操作平臺(tái)主要提供GIS根本功能及其根底操作環(huán)境,主要由空間數(shù)據(jù)查詢,空問數(shù)據(jù)編輯,空間數(shù)據(jù)發(fā)布,空間分析,等值線分析以及數(shù)據(jù)管理等局部組成;大氣污染GIS應(yīng)用平臺(tái)主要提供基于GIS的大氣污染模擬應(yīng)用統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示.第3期楊斌,等:CIS在大氣污染擴(kuò)散模擬與評價(jià)系統(tǒng)中的應(yīng)用.131?2系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)主要遵循當(dāng)前業(yè)務(wù)需求和中,遠(yuǎn)期目標(biāo)相結(jié)合的原那么,并充分考慮到大氣環(huán)境保護(hù)工

6、作保護(hù)機(jī)構(gòu)職能的可調(diào)整性和可擴(kuò)展性,同時(shí)還要注意到系統(tǒng)數(shù)據(jù)專用性和通用性的相結(jié)合.因而,系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)技術(shù),以保證系統(tǒng)的靈活性,并使系統(tǒng)的各個(gè)模塊可以方便地組合搭配,各職能部門可以靈活地配置功能.系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立分為空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫,其中空間數(shù)據(jù)庫主要包括根底地理信息(如道路網(wǎng),學(xué)校,醫(yī)院,街區(qū),行政區(qū)劃,河流等)和專題圖數(shù)據(jù)(如污染源,監(jiān)測點(diǎn),排污口以及功能分區(qū)數(shù)據(jù)等),屬性數(shù)據(jù)庫主要包括污染源信息,排污口信息,監(jiān)測站信息,污染物信息,污染源實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),監(jiān)測站實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),污染源排放情況日數(shù)據(jù),污染源排放警報(bào)數(shù)據(jù),監(jiān)測站監(jiān)測警報(bào)數(shù)據(jù),污染事故詳細(xì)數(shù)據(jù),空氣質(zhì)量分析數(shù)據(jù)

7、,用戶信息表等.系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立從結(jié)構(gòu)功能上分為模型模要考慮到模型和用戶接口之間并沒有直接的聯(lián)系,統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上,將收集整理到的所有空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在SQLServer2000數(shù)據(jù)倉庫中,SQLServer數(shù)據(jù)倉庫中數(shù)據(jù)主要包括通過ArcSDE管理的空間數(shù)據(jù)和系統(tǒng)底層的屬性數(shù)據(jù)(包括污染源數(shù)據(jù),環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù),氣象數(shù)據(jù)3局部).系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的具體構(gòu)建流程如圖2所示.圖2數(shù)據(jù)庫構(gòu)建流程3系統(tǒng)的主要功能模塊系統(tǒng)按功能劃分主要分為GIS根本功能,污染源分析,大氣質(zhì)量評價(jià),大氣質(zhì)量模擬,空氣質(zhì)量分析等.其中,GIS的根本功能主要具備電子地圖的根本功能,其他功能模塊是本系統(tǒng)的專有特色功能模塊.

8、具體如圖3所示.源管理主要登記與管理污染源(企業(yè))根本信息以?132?幽土資源遙2021年圖3系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)及污染源內(nèi)排污口信息;污染源識(shí)別將采集和存儲(chǔ)各污染源排污口排污情況,并與預(yù)設(shè)的報(bào)警上下限進(jìn)行實(shí)時(shí)比擬,一旦濃度值超出預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn),將立即產(chǎn)生報(bào)警信息,污染源也將高亮顯示;污染源濃度分析主要通過一定的推算方法來判斷出污染源信息,并繪制出污染因子奉獻(xiàn)率圖來分析判斷污染濃度分布情況.量統(tǒng)計(jì)分析按其類型又可分為點(diǎn)狀污染源,線狀污插值分析方法從而得到一定時(shí)期內(nèi)某種污染物在各很多,在該系統(tǒng)主要采用基于網(wǎng)格的對各類污染源進(jìn)行宏觀和微觀的濃度評價(jià)與分析.值方法對研究區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行數(shù)值模擬,并采用能還適用

9、于重大危險(xiǎn)污染源泄露時(shí),對周圍居民點(diǎn),ArcEngine的時(shí)態(tài)分析功能,對污染源擴(kuò)散進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析,并能得出每個(gè)時(shí)刻段污染源動(dòng)態(tài)模擬擴(kuò)散影響范圍,為其相關(guān)部門進(jìn)行應(yīng)急決策支持提供效勞.指數(shù)評價(jià)法,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法和污染損失分析3種分析方法.其中,大氣污染指數(shù)評價(jià)法又分為兩種模式,第一種模式是利用大氣污染監(jiān)測結(jié)果和大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來綜合評價(jià)現(xiàn)實(shí)的大氣環(huán)境質(zhì)量對人類社會(huì)開展需要的滿足程度;第二種模式是通過大氣質(zhì)量評價(jià)子系統(tǒng)得到的基于網(wǎng)格的評價(jià)結(jié)果,進(jìn)行矢量疊加分析,創(chuàng)立包含多個(gè)評價(jià)因子的新圖層后,再調(diào)用空氣質(zhì)量評價(jià)模型進(jìn)行評價(jià),最后以專題圖等形式得出評價(jià)分析結(jié)果.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法是將BP網(wǎng)絡(luò)模型引入

10、到大氣污染評價(jià)預(yù)報(bào)中,并根據(jù)大氣污染物含量與氣象要素的關(guān)系建立大氣污染物含量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型'.系統(tǒng)采用將圖元區(qū)域的各項(xiàng)因素指標(biāo)值,寫入中間數(shù)據(jù)庫,供人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模型直接調(diào)用,將分析預(yù)測結(jié)果通過GIS生成專題圖,真正實(shí)現(xiàn)析法是在建立空氣污染損失模型根底上,對人體健康損失,農(nóng)作物損失,森林損失,建筑物材料損失和生態(tài)系統(tǒng)損失進(jìn)行分析判斷,從而得出相應(yīng)的分析合客觀的評估.4系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)GIS支持下的大氣擴(kuò)散模型,能使此類數(shù)學(xué)模型的預(yù)測結(jié)果通過可視化形式較逼真地展示出來,從而為環(huán)境保護(hù)決策者和管理者提供可靠的決策支優(yōu)勢可以為大氣擴(kuò)散模型提供一整套基于GIS邏輯原理的空問操作標(biāo)準(zhǔn),特

11、別適用于具有空間分布特性的大氣擴(kuò)散模型此類問題的遷移,擴(kuò)散,動(dòng)態(tài)變化及相互作用研究等.因此,將GIS與大氣擴(kuò)散模型有機(jī)結(jié)合,不僅彌補(bǔ)了GIS不能進(jìn)行復(fù)雜算法的缺陷,還能充分發(fā)揮其空間數(shù)據(jù)管理,分析和顯示的優(yōu)勢;另一方面,GIS的介入使大氣擴(kuò)散模型的檢驗(yàn),校正更加容易,GIS的空間表現(xiàn)能力也使大氣擴(kuò)散模型的視覺效果有質(zhì)的飛躍.在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,通過數(shù)據(jù)分類管理,模型調(diào)用和計(jì)算,并協(xié)助后臺(tái)數(shù)據(jù)庫通信,從而實(shí)現(xiàn)GIS與大氣擴(kuò)散模型的有機(jī)結(jié)合一該功能結(jié)合框架如圖4所示.第3期楊斌,等:GIS在大氣污染擴(kuò)散模擬與評價(jià)系統(tǒng)中的應(yīng)用?133.圖4GIS與擴(kuò)散模型的結(jié)合框架thedimlsionmodel污染

12、物在大氣中的濃度和分布,不僅決定于污染物的排放量和距離排放源的遠(yuǎn)近,而且決定于大定著污染物在大氣中的擴(kuò)散方向,通常是在水平風(fēng)的作用下將氣載污染物不斷地向下風(fēng)向輸送".以點(diǎn)擴(kuò)展模式為例,利用現(xiàn)階段國家環(huán)保局推薦的氣污染擴(kuò)散模擬實(shí)現(xiàn)過程中,關(guān)鍵在于將GIS空間分析手段與大氣污染物擴(kuò)散模型進(jìn)行系統(tǒng)集成.大氣污染擴(kuò)散數(shù)值模擬過程主要分為預(yù)處理,括空間網(wǎng)格的剖分,參數(shù)的讀取與處理,坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和變量的初始化等內(nèi)容;模擬計(jì)算局部采用循環(huán)遍歷的方式進(jìn)行,在運(yùn)算中遍歷每一個(gè)污染源,并凋用相關(guān)的評價(jià)模型進(jìn)行計(jì)算,最后通過柵格計(jì)算器進(jìn)行數(shù)據(jù)的疊加得到每個(gè)網(wǎng)格單元的濃度值;GIS模擬輸出局部主要給用戶提供

13、網(wǎng)格分級(jí),柵格分級(jí)和等值線分級(jí)3種輸出方式".圖5為基于網(wǎng)格的城市點(diǎn)源大氣污染擴(kuò)散的一次濃度分布模擬情況,其中模擬輸出結(jié)果選擇了網(wǎng)格分級(jí)方式.圖5給定條件下一次大氣濃度網(wǎng)格在選定了大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)參數(shù)之后,收集整理待評價(jià)的樣本及對應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù),將大氣質(zhì)量評價(jià)樣本與規(guī)定的各級(jí)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比擬辨識(shí),判定與哪一級(jí)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)最接近,從而得出相應(yīng)的大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)結(jié)論¨然后在GIS系統(tǒng)的支持下基于網(wǎng)格數(shù)據(jù),通過空氣污染指數(shù)法對大氣空氣質(zhì)量進(jìn)行等級(jí)評價(jià);最后在GIS系統(tǒng)平臺(tái)下利用專題圖分析功能實(shí)現(xiàn)對大氣質(zhì)量的評價(jià)分析.基于GIS環(huán)境下的大氣質(zhì)量評價(jià)流程如圖6所示.圈圃圖6GIS環(huán)境下

14、的大氣質(zhì)量評價(jià)分析流程?l34?國土資源遙感首先將研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在劃分結(jié)果的基礎(chǔ)上通過大氣擴(kuò)散模型對研究區(qū)內(nèi)的大氣污染進(jìn)行數(shù)值模擬,待模擬完成后即可得到基于網(wǎng)格下的不同污染物濃度值圖層;然后通過GIS的疊加分析功5結(jié)論能將所有因素圖層進(jìn)行合并,從而得到包含不同污染物濃度值信息的新圖層;在此根底上調(diào)用API評價(jià)參數(shù)模型進(jìn)行綜合評價(jià);最后利用GIS專題分析功能生成基于網(wǎng)格的評價(jià)專題圖(圖7).I文件祝田出里脒避蕾幫助J【妒O嗣國lq:;:0嶂0母礦目日O書毋.:J*i:日回ji&冒xl=11l目回目湖m團(tuán)回卸lj辯署嘏J圈例i礦4¨r悶JI,口,?峙l習(xí)1.&

15、;gt;s'17,晉瓢:(/,店醫(yī)l寶c/卻:l:,a翟f?i镕fl羼性重誨拮果l圖7基于GIS模擬數(shù)據(jù)的評價(jià)結(jié)果大氣污染擴(kuò)散模擬與評價(jià)系統(tǒng)選取太原市系統(tǒng)研究區(qū),利用ArcEngine組件和C掙2005集成開發(fā)技術(shù),將數(shù)學(xué)模型與GIS空間分析手段集成,應(yīng)用到大GIS支持下的大氣污染擴(kuò)散模擬結(jié)果的可視化表達(dá),并在此根底上完成了城區(qū)空氣質(zhì)量的評價(jià),為城市區(qū)域大氣環(huán)境管理與質(zhì)量評價(jià)提供有效的輔助手上,根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)及用戶要求建立了空間數(shù)據(jù)庫,屬性數(shù)據(jù)庫與模型數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)了對大氣污染源的管理,查詢和分析等功能,并基于網(wǎng)格對各類污染源進(jìn)行了宏觀和微觀的濃度預(yù)測與分析,為大氣污染擴(kuò)充分表達(dá)出GIS空

16、間分析手段與專業(yè)模擬綜合集成應(yīng)用的強(qiáng)大功能,為其他相關(guān)污染擴(kuò)散模擬與評價(jià)提供了可靠的解決途徑.參考文獻(xiàn):價(jià)以淮南市為例J.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2002,25(4):2l一23.2趙同謙,胡斌.基于GIS的城市大氣TSP污染空間分析J.環(huán)境工程,2002,20(3):6869.能分區(qū)中的應(yīng)用J.占林大學(xué)(地球科學(xué)版),2002,32(3):265268.4J王雄.基于G王s的區(qū)域大氣環(huán)境信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用D.廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2004.5朱政.通過AreGISEngine構(gòu)建GIS應(yīng)用z.ESRI中國(北京),2004.的應(yīng)用J.農(nóng)業(yè)機(jī)械,2004,35(4):196197.以點(diǎn)源煙氣擴(kuò)散為例J.

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20、atethequalityofatmosphericpollutiondispersionmodelingandassesstheatmosphereairqualityhasbecomeahotresearchpoint,whichhasthepredictionofallkindsofpollutionsourcesmacrosc0picallyandmicroscopicallyandcanthusrealizethevisualmanagementofatmosphericpollutiondispersionevaluationandprovideaplanofdecisionsupportforengineeringdecisionutilizestheintegrationtechnologyofArcEngineand.Nettoachievethemanagementofmaps,atmosphericpollutionauthorshavedevelopedasetofapplicationorientedandoperationflexibleso