空氣污染擴(kuò)散模型與GIS應(yīng)用結(jié)合的探討

1、空氣污染擴(kuò)散模型與GIS應(yīng)用結(jié)合的探討謝鵬1侯祺棕1黃曄瑩2(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院武漢430070; 2.廣東發(fā)展銀行廣州市分行科技部廣州510665摘要污染物的擴(kuò)散模擬對環(huán)境決策、管理有著重要意義,而擴(kuò)散過程又是一個包括時間、空間的復(fù)雜四維時空過程,其模擬需要GIS的支持。在分析基于GIS的地理開發(fā)系統(tǒng)和空氣污染擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上,探討了兩者結(jié)合的最佳方式,并應(yīng)用于廣州市空氣質(zhì)量分析中,取得了較好的效果。關(guān)鍵詞地理信息系統(tǒng)擴(kuò)散模型空氣污染Discussions on the Combination of Air P o llutant Dispelling Model and t

2、he Application of GI SXie Peng1Hou Qizong1Huang Yeyi ng2(1.Sc hool o f Re sources and Environme ntal Engine ering,W uhan Unive rs ity o f Te chnology W uhan430070Abstract Di spelling si m ulati on of ai r poll utants has si gni ficant effects on deci sion m aking and m anage ment of environment,and

3、the dis2 pelli ng process is a co mplicated4di mensi on process including ti me and space,so the si mul ation needs the support of GIS(geographic i nfor2 mation s ystem.Based on the anal yses on GIS and di spelling si m ulati on,the opti mal com bination method is discussed and the good res ults hav

4、e been obtained through the experiment of analysis on ai r quality of Guangz hou C ity.Keywords GIS(geographic inform ati on systemdispelli ng m odel air polluti on在環(huán)境管理工作中,通常會面對大量的環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)、污染報告清單等抽象文字,不僅查閱不便,也不利于將數(shù)據(jù)與污染源、周邊環(huán)境等因素結(jié)合起來進(jìn)行環(huán)境管理,因此環(huán)境模擬(Enviro nmental Modeling應(yīng)運而生,并在環(huán)境決策中起著重要作用。環(huán)境模擬將多種環(huán)境過程和現(xiàn)象

5、的信息轉(zhuǎn)變成可以計算的形式,以多種概念、數(shù)量的模型加以描述,并將計算結(jié)果以某種形式顯示輸出。例如空氣污染擴(kuò)散模擬(Air Pollution Dispel Modeling就是用于空氣質(zhì)量分析的一種環(huán)境模擬。傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量分析大多是基于環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)的簡單探索,如根據(jù)大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)找出污染趨勢和關(guān)系等。而現(xiàn)代的空氣質(zhì)量分析,不僅利用了功能不斷強大和完善的計算機(jī)技術(shù),而且獲得了GIS的支持,使污染物在/空間+時間0上的四維時空中擴(kuò)散規(guī)律的研究取得了令人矚目的成果。但是,G IS與APD M的最佳結(jié)合方式問題還沒有完全解決,為此,筆者結(jié)合廣州市空氣質(zhì)量分析實例就兩者間的結(jié)合展開探討。1基于GI S的地

6、理開發(fā)系統(tǒng)通俗地講,地理信息系統(tǒng)(G eog raphic Info rmation Sy stem, GIS是整個地球或部分區(qū)域的資源、環(huán)境在計算機(jī)中的縮影。但嚴(yán)格地講,它是反映人們賴以生存的現(xiàn)實世界(資源或環(huán)境的形勢與變遷的各類空間數(shù)據(jù)及描述這些空間數(shù)據(jù)特征的屬性,在計算機(jī)軟件和硬件的支持下,以一定格式輸入、存貯、檢索、顯示和綜合分析應(yīng)用的技術(shù)系統(tǒng)。G IS是一種特定而又十分重要的空間信息系統(tǒng),它是以采集、貯存、管理、處理分析和描述整個或部分地球表面(包括大氣層在內(nèi)與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)。一套完整的GIS系統(tǒng)由5部分組成:地理空間數(shù)據(jù)、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、系統(tǒng)分析維護(hù)和使

7、用技術(shù)人員。隨著計算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)和現(xiàn)代信息基礎(chǔ)設(shè)施的飛速發(fā)展,GIS在全國經(jīng)濟(jì)信息化進(jìn)程中的重要性與日俱增。進(jìn)入20世紀(jì)90年以來,GIS已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前,G IS已經(jīng)在地形圖與專題制圖、城市規(guī)劃與市政工程、土地利用與規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)與治理、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測和防治、生物資源保護(hù)與利用等諸多環(huán)境領(lǐng)域得到了應(yīng)用。當(dāng)今國際上已有不少地理信息系統(tǒng)的商品化平臺軟件,常見的有GeoStar、Ci ty Star、MapGIS等,最著名的是美國ESRI 公司(美國環(huán)境系統(tǒng)研究所開發(fā)的ArcGIS系列地理信息平臺軟件。A rcG IS是一個統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)平臺,

8、由ArcGIS 桌面軟件、ArcSDE通路、A rcIMS軟件3個重要的部分組成。(1ArcGIS桌面軟件。提供空間數(shù)據(jù)采集、地圖制作顯示、信息查詢、空間分析、數(shù)據(jù)庫編輯管理、統(tǒng)計圖制作、地圖布局輸出、報表生成等一系列功能。它將傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)編輯、查詢、顯示、分析、報表和制圖等GIS功能集成到一個簡單的可擴(kuò)展的應(yīng)用框架上。(2ArcSDE通路提供了數(shù)據(jù)庫服務(wù)。用戶通過其協(xié)議對關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作,滿足用戶對不同類型數(shù)據(jù)庫的需求。通常管理的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)十分龐大,目前常用的數(shù)據(jù)庫是甲骨文公司研發(fā)的Oracle數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),ArcGIS也提供了該數(shù)據(jù)庫的聯(lián)結(jié)服務(wù)。(3A rcIMS軟件是一個基于I

9、nternet的GIS。用戶可以瀏覽器的方式對關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作,方便眾多客戶端用戶通過瀏覽器訪問服務(wù)器進(jìn)行管理。這種操作方式亦即常用的C/S(Client/Server服務(wù)架構(gòu)。然而,A rcG IS地圖開發(fā)功能并不十分強大,實際運用中#14 #工業(yè)安全與環(huán)保Industrial Safety and Environm ental Protection2005年第31卷第4期April2005的許多地圖可能無法滿足某些細(xì)節(jié)要求,因此ESRI公司又開發(fā)出可進(jìn)行二次開發(fā)的制圖與GIS功能組件MapO b2 jects。它支持VB、VC、C6Builder等開發(fā)語言,并以控件的形式直接插入到這些

10、開發(fā)環(huán)境之中,以完成地圖開發(fā)的各種功能。該控件集生成的每一個圖層都對應(yīng)一個數(shù)據(jù)庫和一個記錄集對象,用于存儲地理信息和屬性信息,利用它可以實現(xiàn):顯示具有多個地圖層的地圖,放大、縮小和漫游整個地圖,顯示圖形特征,顯示標(biāo)注字符;通過點擊識別圖上特征,選擇沿線的特征和在矩形、區(qū)域、多邊形和圓內(nèi)的特征,選擇在已知特征附近規(guī)定距離內(nèi)的特征,使用S QL語句選擇特征,對選擇的特征進(jìn)行基本的統(tǒng)計,查詢和更新選擇特征的屬性數(shù)據(jù);用特定的方法對特征進(jìn)行著色處理,用字段值的字符標(biāo)注特征,顯示多種格式的柵格圖像文件,動態(tài)顯示實時或時間系列的數(shù)據(jù),輸出地理匹配的地理位置1。2GIS與空氣污染擴(kuò)散模型的結(jié)合2.1空氣污染

11、擴(kuò)散模型污染物在空間的擴(kuò)散是一個非常復(fù)雜的過程,近20多年來,在數(shù)值模擬技術(shù)、野外試驗和實驗室模擬試驗的推動下,并應(yīng)用了大氣邊界層和大氣擴(kuò)散理論,空氣污染擴(kuò)散模型取得了長足的進(jìn)展。迄今為止,在工程上最普遍應(yīng)用的是正態(tài)模式(即Gauss 模式,目前我國推薦使用的法規(guī)(Regulatory模式也是高斯擴(kuò)散模式及針對不同情況下的高斯改進(jìn)擴(kuò)散模式,包括電源擴(kuò)散模式、線源擴(kuò)散模式、面源擴(kuò)散模式,以及特殊場合下的擴(kuò)散模式等2。由于我們時常關(guān)心的是地面污染物濃度,因此可由點源擴(kuò)散公式擴(kuò)展得到地面濃度2。若地面以x軸為對稱軸,軸線x上具有最大值,向兩側(cè)(y方向逐漸減小,當(dāng)y=0時,即可得到地面軸線濃度式2。在

12、預(yù)測流動源和線狀污染源,例如汽車等交通工具的污染物排放,即可當(dāng)作線源處理。對于此類污染源,一般多采用點源求和法,即將線源的長度單元dl以點源方式處理,積分之和即為線源濃度貢獻(xiàn)2。憑借現(xiàn)有計算機(jī)發(fā)展水平及運算速度,上述積分運算量可以實現(xiàn)。面源的特點是源強較小,排放口較低,數(shù)量多且分布較均勻。大氣環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則(HJ/T2.293推薦的T2模式是一個典型的點源積分法,將離散問題化為連續(xù)空間問題處理,各個網(wǎng)格面源對接受點的濃度貢獻(xiàn)總和即為預(yù)測濃度值。這種方法使得在有風(fēng)時,面源在任意一點均有濃度。如果面源的面積較小(S1km2,面源外的濃度可按點源擴(kuò)散模式計算,只是應(yīng)附加一個初始擾動。在考慮模型

13、與G IS結(jié)合時,均可采用于上較為成熟的空氣污染擴(kuò)散模型。2.2擴(kuò)散模型與GIS結(jié)合原理大氣污染物擴(kuò)散模型當(dāng)中有許多參數(shù),其中氣象參數(shù)包括:地面反射率、表面粗糙度等地表特征數(shù)據(jù),以及風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、云量等氣象觀測數(shù)據(jù),經(jīng)預(yù)處理后生成行星邊界層參數(shù):摩擦速度、大氣穩(wěn)定度參數(shù)、對流速度尺度、溫度尺度、混合層高度、地面熱通量等;地形參數(shù):各個網(wǎng)格點的位置參數(shù)及其所在地形高度參數(shù)等數(shù)據(jù),經(jīng)它處理后轉(zhuǎn)換成GIS 可以識別的位置參數(shù),進(jìn)行濃度計算。參數(shù)處理如圖1所示3。圖1模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程常用的數(shù)據(jù)庫有SQ L Server、O racle等,可以滿足海量的觀測數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)的存儲;另外,計算過程中也

14、將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)庫也可用于存放、調(diào)用、管理這些數(shù)據(jù),極大地方便了數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)?？臻g網(wǎng)格化,不僅可以讓G IS記錄模擬運算時各個網(wǎng)格點的地形、氣象參數(shù),也便于描述污染物的空間運動軌跡。網(wǎng)格的劃分視具體情況而定,如城市的大小、評價區(qū)域的大小、評價等級等等。常用的編程環(huán)境有VB、VC、C6Builder等開發(fā)語言,并可將MapObjects以控件形式加載到其中,用以地圖的加載、繪制。整個流程如下:數(shù)據(jù)輸入y模型選取y數(shù)據(jù)分析操作(編程y數(shù)據(jù)顯示輸出。2.3擴(kuò)散模型與G IS結(jié)合方式目前,GIS與擴(kuò)散模型的結(jié)合方式主要有3種:(1松散結(jié)合(Loo se co upling。二者分屬于兩個獨

15、立的系統(tǒng),各自擁有獨立用戶界面。二者的結(jié)合僅僅體現(xiàn)在GIS 能為環(huán)境模型提供一定的輸入數(shù)據(jù),及顯示、輸出模型運算結(jié)果。(2緊密結(jié)合(Tight co upling。二者分屬于兩個系統(tǒng)但擁有共同的用戶界面,用戶界面主要用來管理兩個系統(tǒng)的公共數(shù)據(jù)和進(jìn)行文件交換?？梢越柚鶪IS的開發(fā)語言,實現(xiàn)與由C、V B、C6等高級語言開發(fā)的環(huán)境模型的緊密結(jié)合。這種結(jié)合降低了兩個獨立系統(tǒng)間文件交換的繁瑣和出錯率。(3完全集成(Full integratio n。二者的整體集成。二者擁有共同的用戶界面并實現(xiàn)數(shù)據(jù)完全共享。這種方式不依賴于GIS提供的各種宏語言,通過VB和VC等開發(fā)環(huán)境,實現(xiàn)G IS組件和其他數(shù)據(jù)訪問

16、組件緊密傳遞和共享數(shù)據(jù)。但開發(fā)周期長,專業(yè)性強,工作量大,難度也大4。松散結(jié)合所需編程少,但功能不強大,應(yīng)用較少;完全集成專業(yè)型太強、開發(fā)周期過長,所以在實際運用中緊密結(jié)合開發(fā)方式比較多,實現(xiàn)功能可以滿足需求,開發(fā)難度也不大。3應(yīng)用示例以下以廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站/環(huán)境空氣質(zhì)量綜合分析系統(tǒng)0開發(fā)項目為例進(jìn)行說明,該系統(tǒng)以GIS產(chǎn)品為平臺,集成了空氣污染擴(kuò)散模型(包括高斯點源擴(kuò)散公式,美國線源#15#分段求和模式CA LIN E 4,大氣環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則推薦的T2面源模式。系統(tǒng)考察區(qū)域為廣州市區(qū),背景地圖為1B 10000比例的廣州市基礎(chǔ)數(shù)字地圖,通過MapObjects 加載到系統(tǒng)中,在此基

17、礎(chǔ)上,設(shè)計了結(jié)合應(yīng)用的綜合處理系統(tǒng)的整體框架,如圖2所示。圖2 GIS 與大氣擴(kuò)散模型結(jié)合系統(tǒng)GIS 軟件平臺選用A rcInfo,其空間數(shù)據(jù)編輯、空間分析和制圖輸出功能非常強大。此外,為了解決A rcInfo 與擴(kuò)散模型的接口問題,使用Visual Basic 開發(fā)應(yīng)用程序,將ArcInfo 生成的模型輸入數(shù)據(jù)文件組合,并調(diào)入模型進(jìn)行運算,然后將結(jié)果寫入文件返回。系統(tǒng)留有數(shù)據(jù)采集接口和通訊端口,既可通過物理設(shè)備采集數(shù)據(jù),又可通過遠(yuǎn)程撥號采集數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)分類后被導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中,用戶可通過交互式程序界面篩選、編輯等操作管理數(shù)據(jù)。地理信息數(shù)據(jù)加載到GIS 平臺,構(gòu)筑系統(tǒng)圖形界面,模型運算后生成

18、的濃度數(shù)據(jù)(四維數(shù)組,即x,y,z,濃度c 繪制成濃度曲線分布圖,再加載到GIS 圖形界面當(dāng)中。以點源擴(kuò)散為例,系統(tǒng)運行結(jié)果(截取部分如圖3所 示。圖3 點源擴(kuò)散的等濃度曲線該系統(tǒng)亦具備其它空氣質(zhì)量綜合分析系統(tǒng)常見功能,(因篇幅有限,不作介紹。目前該系統(tǒng)已正式交付廣州市環(huán)境監(jiān)測站投入使用。整體界面采用人們熟悉的Windo ws 操作界面,簡潔、個性化的工作條全面涵蓋了查詢操作信息,用戶操作起來方便、快捷。系統(tǒng)能夠在Client/Serve 體系結(jié)構(gòu)下大分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運行,將原來的系統(tǒng)軟件與新開發(fā)的GIS 軟件融入同一系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,提高工作效率;為環(huán)境管理建立了一個綜合的查詢平臺,為

19、環(huán)境決策和管理提供了一個模擬現(xiàn)實的空間環(huán)境;利用GIS 組件技術(shù)很好地解決了各系統(tǒng)的相互融合和兼容,有效地保護(hù)了原有的軟件資源,并進(jìn)一步擴(kuò)寬了應(yīng)用領(lǐng)域;系統(tǒng)具有很強的圖形編輯、操作功能,自由縮放、選擇空間時間查詢和定位功能,用戶選定起始查詢時間段后,不僅能制作出轄區(qū)各監(jiān)測點污染物濃度統(tǒng)計圖,而且能模擬轄區(qū)A PI 值分布圖及A PI 值走勢圖,在分析空氣質(zhì)量的同時能很快地找出空氣質(zhì)量未達(dá)標(biāo)的污染點及其對應(yīng)的污染物超標(biāo)企事業(yè)單位,極大地方便了環(huán)境管理決策者作出正確管理措施。4 結(jié)語現(xiàn)有的GIS 產(chǎn)品已有不少,并運用到各個領(lǐng)域,但具體到某個領(lǐng)域,其專業(yè)性又顯得不足,因此這種將兩者結(jié)合開發(fā)的運用十分有意義?？諝馕廴緮U(kuò)散模型與GIS 應(yīng)用的結(jié)合,國外已經(jīng)進(jìn)行了10多年的探索,取得了一定的進(jìn)展,而我國目前仍處于起步階段,兩