基于GIS的大氣污染擴散模擬的設(shè)計與實現(xiàn)

1、第29卷Vol.29第10期No.10計算機工程與設(shè)計ComputerEngineeringandDesign2008年5月May2008基于GIS的大氣污染擴散模擬的設(shè)計與實現(xiàn)趙摘偉1，鄒崢嶸1，李建文2(1.中南大學(xué)測繪與國土信息工程系，湖南長沙410083；2.大武口區(qū)建設(shè)交通局，寧夏石嘴山753000)要：對于城市空氣環(huán)境問題的管理和決策，大氣污染擴散模擬系統(tǒng)提供了科學(xué)的依據(jù)。論述了一個基于GIS，采用VisualBasic.NET、組件MapObjects和組件Surfer8.0相結(jié)合的大氣污染擴散模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，同時介紹了大氣污染擴散的模擬過程、系統(tǒng)的主要功能、MapObje

2、cts與Surfer8.0兩個組件的部分屬性和方法，并給出了實現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵代碼。關(guān)鍵詞：大氣擴散;地理信息系統(tǒng);組件技術(shù);空間分析;等值線中圖法分類號：TP311文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1000-7024(2008)10-2655-03DesignandimplementationofsimulatingairpollutantdispersionbasedonGISZHAOWei1,ZOUZheng-rong1,LIJian-wen2(1.DepartmentofGeomatics,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China；2.Construct

3、ionandTransportationBureauofDawukou,Shizuishan753000,China)Abstract：Accordingtothemanagementanddecision-makingoftheproblemsofcity'sair,thescientificbasisisputforwardwithairpollutantdispersionsimulationsystem.WithcombinationofMapObjects,Surfer8.0andVisualBasic.NET,airpollutantdispersionsimulation

4、systemisdesignedandimplemented.Processofsimulatingairpollutantdispersion,mainsystemfunction,partialpropertiesandmethodsofbothMapObjectsandSurfer8.0areintroduced,andsomecodeofmainprogramaregiven.Keywords：airdiffusion;geographyinformationsystem;componenttechnology;spacialanalysis;contours模擬的設(shè)計與實現(xiàn)。利用GI

5、S管理空間數(shù)據(jù)，如企業(yè)煙囪分布圖、主要交通道路分布圖等；運用GIS的空間分析技術(shù)，計算出污染物的擴散分布并實現(xiàn)各種空間操作。0引言隨著城市工業(yè)化的發(fā)展，城市工業(yè)企業(yè)數(shù)量和機動車數(shù)量都在急劇增加1。二氧化硫、氮氧化物、煙塵等污染物大量排入到城市空氣中，城市大氣環(huán)境質(zhì)量急劇下降，嚴重破壞了生態(tài)系統(tǒng)和人們正常生活條件，進而限制了經(jīng)濟的進一步快速發(fā)展，不利于經(jīng)濟、社會以及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。對現(xiàn)有大氣污染源進行科學(xué)的評價和管理，利用現(xiàn)有污染源排放數(shù)據(jù)對環(huán)境空氣質(zhì)量進行及時預(yù)測和分析，找出主要大氣污染物及其濃度的空間分布并提出相應(yīng)的防治措施，將有利于城市大氣環(huán)境問題的及時解決、改善和提高。因此，實現(xiàn)大

6、氣污染擴散模擬具有重要的實際應(yīng)用價值。大氣污染擴散模擬離不開污染源等環(huán)境信息的采集和處理，而85%以上的環(huán)境信息與空間位置有關(guān)。地理信息系統(tǒng)(geographicinformationsystem，GIS)是在計算機軟硬件支持下，對地理空間信息進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。它通過對多種地理空間實體數(shù)據(jù)及其關(guān)系的處理和管理，用于分析和處理一定地理區(qū)域內(nèi)分布的各種現(xiàn)象和過程，為用戶進行預(yù)測、監(jiān)測、規(guī)劃管理和決策提供科學(xué)依據(jù)3-6。本文以惠州市惠城區(qū)為例探索基于GIS的大氣污染擴散21.1系統(tǒng)設(shè)計與功能大氣污染擴散的模擬過程大氣污染擴散模擬分成兩個階段：前期的數(shù)據(jù)采集與后期

7、的擴散模擬。數(shù)據(jù)采集是一項十分重要的工作，采集的數(shù)據(jù)是否完善且是否準(zhǔn)確，將直接影響到后期模擬結(jié)果的好壞。需要采集的數(shù)據(jù)主要有工業(yè)企業(yè)污染物排放、汽車尾氣污染物排放、氣象參數(shù)和各種地圖，如圖1所示。而擴散模擬的計算步驟如下：(1)用大量固定的計算點將整個模擬區(qū)域離散化，以便計算擴散的污染物濃度；(2)確定一個污染源影響的范圍。一般認為一個污染源只會對下風(fēng)向22.5°夾角范圍內(nèi)形成污染，因此先篩選出受此污染源影響的所有固定計算點；(3)把計算得到的氣象參數(shù)和污染源數(shù)據(jù)代入大氣擴散模型，分別計算出此污染源對所有固定計算點造成的污染物濃度值；(4)對每一個污染源重復(fù)執(zhí)行步驟(2)、(3)。注

8、意：對于汽收稿日期：2007-06-28E-mail：zhongnanzhaowei作者簡介：趙偉(1981)，男，湖南常德人，碩士研究生，研究方向為環(huán)境地理信息系統(tǒng)；鄒崢嶸(1965)，男，湖南祁東人，教授，研究方向為攝影測量、遙感以及地理信息系統(tǒng)；李建文(1972)，男，寧夏平羅人，助理工程師，研究方向為地理信息系統(tǒng)工程與應(yīng)用。2655需要的數(shù)據(jù)ArcInfocoverage、CAD文件和VPF數(shù)據(jù)。MapLayer.GeoData-set：表示地理數(shù)據(jù)的集合；MapLayer.Records：返回Recordset氣象參數(shù)地圖工業(yè)企業(yè)汽車尾氣對象；MapLayer.Visible：隱藏還

9、是顯示MapLayer；MapLa-yer.SearchShape：返回Recordset對象，其包含的特征滿足一定的空間查找條件；MapLayer.SearchExpression：返回Recordset對象，其包含的特征滿足用SQL語言說明的屬性查找條件。(2)Map對象：圖層的集合。Map.Layers是MapLayer對象的集合，提供了管理集合的方法，例如加載、刪除、移動地理數(shù)據(jù)文件；(3)DataConnection對象：連接地理數(shù)據(jù)文件。DataCon-nection.DataBase：指向包含地理數(shù)據(jù)文件的文件夾；Data-Connection.FindGeoDataset：把指

10、定地理數(shù)據(jù)文件讀入到一個GeoDataset對象中。(4)Recordset對象：MapObjects的Recordset對象是Geo-Dataset的記錄和經(jīng)過查詢后得到的記錄的集合。Recordset.Fields：用于讀寫記錄的數(shù)據(jù)，值得注意的是所有記錄都包含一個Shape字段，其保存的是指向幾何圖形對象的指針；Re-cordset.MoveFirst：指向第一條記錄；Recordset.EOF：指示當(dāng)前記錄位置是否在最后一條記錄的后面；Recordset.Move-Next：移到下一條記錄。(5)圖形對象：MapObjects的圖形對象有點、點集、線、矩形、多邊形和橢圓。Points對

11、象：包含多個點對象的集合，能夠添加和刪除點對象；Line對象：線對象由多個點對象組成的。線對象有一個Parts屬性，它是一個集合，將線對象分割成多個部分，每個部分就是一個點集。然而，有時線對象只有一個部分，由一個點集組成。經(jīng)緯度污染物排放量其它車流量車型分類排放因子氣候降水近地面逆溫層近地面風(fēng)場大氣穩(wěn)定度主要道路行政區(qū)劃圖1收集的數(shù)據(jù)車尾氣排放物形成的線型污染源，常用的做法是將線源劃分成有限多個點源，然后求這些點源濃度之和；(5)根據(jù)所有固定計算點保存的濃度值，生成各自專題圖，以便更直觀展示出污染擴散的結(jié)果。1.2系統(tǒng)設(shè)計GIS與大氣質(zhì)量模型的結(jié)合方式有3個層次：松散結(jié)合、7緊密結(jié)合和完全集成

12、。當(dāng)前真正意義上完全集成的GIS系統(tǒng)還十分少見，而緊密結(jié)合的GIS系統(tǒng)可操作性差，因此嵌入式緊密結(jié)合的方法則是目前向用戶提供GIS服務(wù)的主要發(fā)展方向，它同時利用面向?qū)ο蟮拈_放式開發(fā)環(huán)境、動態(tài)連接和數(shù)據(jù)對象訪問技術(shù)以及GIS組件技術(shù)，通過各種開放式的嵌入機制和透明的數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)與模型的集成。本系統(tǒng)采用VisualBasic.NET為開發(fā)環(huán)境，并編寫大氣質(zhì)量模型的程序；通過動態(tài)鏈接庫(DLL)的方式調(diào)用組件Map-Objects和Surfer8.0，來實現(xiàn)各種空間分析操作與生成濃度等值線。本系統(tǒng)功能主要包括：設(shè)置氣象參數(shù)、計算污染物濃度、圖層管理與控制、模擬結(jié)果的輸出和查找功能等，如圖2所示?；?/p>

13、于GIS的大氣污染物擴散模擬系統(tǒng)2.2Surfer8.0Surfer是美國GoldenSoftware公司研制開發(fā)的基于Win-設(shè)置氣象參數(shù)計算污染物濃度圖層管理與控制模擬結(jié)果的輸出dows操作系統(tǒng)的二維和三維科技繪圖軟件，其具有強大的繪查找功能制等值線等矢量圖能力。Surfer包含了目前流行的所有插值方法。利用它可根據(jù)數(shù)據(jù)源情況和制圖要求，繪制符合要求的等值線圖。Surfer8.0還提供了對Automation技術(shù)的支持，為通過高級語言程序控制Surfer自動繪圖提供了編程接口。用戶通過使用這項技術(shù)，可在自己開發(fā)的客戶應(yīng)用程序中，方便地引入Surfer的Automation對象，通過對象編程

14、，在客戶程序中輕松地實現(xiàn)Surfer強大的圖形繪制功能。本系統(tǒng)主要用到Application對象、ContourMap對象、Levels對象，下面對本系統(tǒng)用到對象的屬性、方法分別做簡單介紹9。(1)Application對象：Application對象是surfer對象模型的根對象，代表surfer本身，其它對象都是Application派生的子對象，都要直接或間接通過Application對象來獲得，對象的獲得需一層一級地進行。Application.Visible：Surfer主界面是否可見；Application.GridData：用包含XYZ三列數(shù)據(jù)的空間離散文件生成Grid文件，其主

15、要參數(shù)是空間離散文件的路徑、生成Grid文件的路徑、繪制等值線的插值方法、Grid文件的行數(shù)和列數(shù)、XY的最大值和最小值。(2)ContourMap對象：等值線對象。ContourMap.Smooth-Contours：定義等值線的平滑程度；ContourMap.Levels：生成Levels對象；ContourMap.ExportContours：生成3DAutoCADDXF格式的等值線文件，其參數(shù)是保存等值線文件的路徑。點源擴散濃度線源擴散濃度任一點濃度濃度等值線濃度分級圖平面濃度曲線污染源分布特定濃度分布圖2大氣污染物擴散模擬系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)2.1采用的關(guān)鍵技術(shù)MapObjectsMap

16、Objects由美國ESRI公司開發(fā)的一組AxtiveX控件，利用它可以在VB、VC、Delphi等面向?qū)ο蟮木幊陶Z言上實現(xiàn)主要的地理信息系統(tǒng)功能。MapObjects包括數(shù)據(jù)訪問對象組、地圖顯示對象組、幾何圖形對象組、地址匹配對象組、投影對象組、實用對象組等6個可分拆的對象組。接下來對本系統(tǒng)用到對象的屬性、方法分別做簡單介紹8。(1)MapLayer對象：是根據(jù)空間數(shù)據(jù)集包含的特征，表示地理數(shù)據(jù)文件，其可加載的文件有ESRIshapefile、SDElayer、26563.1系統(tǒng)的實現(xiàn)與關(guān)鍵代碼生成空間數(shù)據(jù)圖層本系統(tǒng)采用shapefiles文件保存空間數(shù)據(jù)，其使用早期的都通過動態(tài)鏈接庫的方式

17、，被調(diào)入系統(tǒng)。3.4計算線源擴散濃度街道按照一定的長度被分割成若干個線段，把線段作為點源，用線段的中點代入大氣擴散模型進行濃度計算，接下來的計算與點源擴散濃度的計算過程相類似。其關(guān)鍵代碼如下：DimptsAsPoints=line_jiedao.Parts.Item(0)主要街道由一個點集組成ForiAsInt16=0Topts.Count-2pt1=pts.Item(i)pt2=pts.Item(i+1)MyClass.dividing_TwoPoint(pt1,pt2,increment,line_return)Next上述代碼中函數(shù)dividing_TwoPoint使用遞歸算法將線段分割

18、成長度不大于間距increment的若干線段，且每個線段作為一個線段元素保存在line_return的Parts集合中。若線段長度小于等于間距increment，將由此線段兩個端點形成的點集加入line_return的Parts集合；若線段長度大于間距increment，將此線段平分，分別重新調(diào)用函數(shù)dividing_TwoPoint。dBase數(shù)據(jù)庫管理模式，一個文件夾是一個數(shù)據(jù)庫，文件夾的不同文件就是數(shù)據(jù)庫中的表，每個表代表GIS圖中的一個圖層。而每個圖層文件必須包含3個以上的特征文件，如空間特征數(shù)據(jù)文件shp、索引文件shx、屬性數(shù)據(jù)文件dbf。主要的空間數(shù)據(jù)圖層是固定計算點分布圖、煙囪

19、點源分布圖、主要街道分布圖，每個圖層不僅具有空間位置信息，還包含大量的屬性數(shù)據(jù)。其中固定計算點分布圖按照180米分辨率將惠州市惠城區(qū)劃分成61×61的格網(wǎng)，生成3721個固定計算點。3.2加載空間數(shù)據(jù)圖層運用DataConnection對象和MapLayer對象把空間數(shù)據(jù)圖層加載到Map對象中，其關(guān)鍵代碼如下：DataConnection.Database=Application.StartupPath&"shapefile"MapLayer.GeoDataset=DataConnectionc.FindGeoDataset("dem180&qu

20、ot;)MapLayer.Visible=TrueMap.Layers.Add(MapLayer)3.5繪制濃度等值線為繪制濃度等值線，先根據(jù)固定計算點的XY坐標(biāo)和保存的濃度值生成空間離散文件，然后Surfer的函數(shù)GridDate轉(zhuǎn)換成Grid文件，最后以DXF格式導(dǎo)出等值線圖層，供MapOb-jects調(diào)用，生成的等值線專題圖如圖4所示。3.3計算點源擴散濃度為了提高計算效率，首先在一個煙囪的下風(fēng)向繪制一個扇形對象，此扇形就是煙囪的污染范圍；接著用扇形對象與固定計算點分布圖進行疊置分析，進而篩選出扇形包含的所有固定計算點；然后循環(huán)遍歷這些固定計算點，計算出此煙囪對固定計算點形成的濃度值；最

21、后對其它煙囪重復(fù)上面的操作，將濃度值累加到固定計算點中。(1)繪制扇形對象：MapObjects沒有提供扇形對象，本系統(tǒng)的函數(shù)Sector利用圓形對象與三角形對象進行交集運算，從而生成扇形對象，如圖3所示。函數(shù)Sector有4個參數(shù)，分別是扇形的頂點、扇形的邊長、扇形的夾角、扇形中心線的方位角，其實現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下：poly_sector=circle.Intersect(triangle)東南風(fēng)邊長污染源(1)生成空間離散文件：利用VisualBasic.NET提供的StreamWriter生成一個文本文件，循環(huán)遍歷區(qū)域格網(wǎng)圖層的固定計算點，向文本文件寫入固定計算點的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和濃度值。

22、其關(guān)鍵代碼如下：point=.Fields.Item("shape").Valuec=.Fields.Item(field).Valuefield是固定計算點中保存濃度的字段str=point.X&""&point.Y&""&cfile.WriteLine(str)(2)轉(zhuǎn)換成Grid文件。surferApp.GridData(Datafile:=strInFile,xcol:=1,ycol:=2,zcol:=3,NumCols:=121,NumRows:=121,algorithm:=2,Dup-Me

23、thod:=2,xMin:=537463.4626,xMax:=548263.4627,yMin:=2550165.039,yMax:=2560965.04,ShowReport:=False,Search-Enable:=True,OutGrid:=strGridFile)圖3繪制扇形對象(2)篩選出被污染的固定計算點。Recordsetlyr_DZ.SearchShape(poly_sector,SearchMethod-Constants.moContaining,"")在上面的代碼中，lyr_DZ是固定計算點分布圖，在調(diào)用形狀查找功能SearchShape時，要選擇

24、合適的查找方式，moCon-taining表示返回完全包含在指定特征中的特征，滿足查找條件的固定計算點都保存在對象Recordset中。(3)遍歷固定計算點，計算擴散濃度：循環(huán)保存了所有固定計算點的Recordset對象，分別調(diào)用大氣擴散模型計算污染源對此固定計算點造成的污染濃度值。而所有的大氣質(zhì)量模型3.6查找濃度分布通過設(shè)置查找范圍的最小濃度值和最大濃度值，找出用戶關(guān)心的區(qū)域。其關(guān)鍵代碼如下：(下轉(zhuǎn)第2661頁)2657"replagent","mypassword","DataSource=MyDocumentsperson.sdf;Pa

25、ssword=1a2b3c4D");第1個參數(shù)為服務(wù)器上IIS的URL，移動設(shè)備通過此URL實現(xiàn)與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的同步。該URL需要使用SQLServer2005CompactEdition的“配置Web同步向?qū)А迸渲?，方法與合并復(fù)制時的配置相同。第2、3個參數(shù)為移動客戶程序連接服務(wù)器IIS時進行驗證的用戶及密碼，第4個參數(shù)為連接本地CompactEdition數(shù)據(jù)庫的連接串。(2)從服務(wù)器上下載數(shù)據(jù)到本地CompactEdition數(shù)據(jù)表。rda.Pull("person2","SELECTid,name,ageFROMrdatable",&q

26、uot;Provider=SQLOLEDB;DataSource=0;InitialCatalog=demo;UserId=sa;Password=dbpassword",RdaTrackOption.TrackingOn);方法中第1個參數(shù)為本地數(shù)據(jù)表，第2個參數(shù)為一個在遠程數(shù)據(jù)庫表中的查詢語句，結(jié)果集會下載到本地數(shù)據(jù)庫表，第3個參數(shù)為連接遠程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的連接串。(3)與服務(wù)器數(shù)據(jù)同步。rda.Push("person2","Provider=SQLOLEDB;DataSource=0;InitialCat

27、alog=demo;UserId=sa;Password=dbpassword",RdaBatchOption.BatchingOn);參數(shù)與Pull方法的類似。地化、不要求有持續(xù)網(wǎng)絡(luò)連接、可隨時與遠程服務(wù)器端數(shù)據(jù)同步等特點，在企業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。現(xiàn)時主流數(shù)據(jù)庫，如MSSQLServer及Oracle等，都具備這種功能。筆者所在網(wǎng)絡(luò)學(xué)院，利用MSSQLServer(CompactEdition)開發(fā)了基于手機的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺學(xué)生學(xué)籍、學(xué)習(xí)過程信息等的統(tǒng)計查詢及數(shù)據(jù)修改，數(shù)據(jù)添加等應(yīng)用，在實踐中使用效果良好。參考文獻:123Microsoft.SQLserverreplicatio

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