（计算机软件与理论专业论文）大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现.pdf

大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 摘要 随着我国工业的不断发展，突发性环境污染事故已成为一个不可忽视的重大 问题。突发性环境污染事故由于没有固定的排放方式和排放途径，事故发生的时 间、地点、环境也具有很大的不确定性，因此处理起来难度比较大。 本文构建的环境突发事故应急处理系统以地理信息系统( o l s ) 为基础，通过 电子地图实现对辖区内所有固定及移动的在线监测设备的实时监控，将发生污染 事故的危险降到最低限度。对于突发性的污染事故，能够及时调度环境监测车辆 对污染事故进行定位跟踪监测，根据现场数据生成模拟扩散模型，快速模拟污染 物的扩散趋势和范围，并利用环境事故处理专家系统提出合理、准确的事故应急 处理方案，为突发性环境事故的预警、处理提供了先进的技术手段和决策支持。 由于高斯模式的计算简单、精度较高等特点，本论文主要研究并建立了基于 高斯模式的大气污染扩散模型，介绍了烟气抬升公式及不同污染源对预测点的横 向扩散参数和垂直扩散参数的确定方法。本研究运用国标法确定高斯模式中烟气 抬升高度、横向及垂直扩散参数并模拟点源排放的具体情况对扩散参数进行了修 正。论文最后介绍了如何将大气扩散模型在环境应急系统中实现并应用其对突发 性大气污染事故进行预测，包括环境参数及污染参数的获取方法及计算结果在系 统中的表现。输出结果主要以两种方式表现：等值线方式和条形图方式，论文中 详细介绍了等值线的绘制方法。 论文描述的应急系统实现了污染源的监视、数据的自动获取、等值线绘制等 功能，实现了预测结果的直观、快速的可视化表达，可以对制定应急决策及进行 应急处理工作进行有效地辅助。 关键词：地理信息系统( g i s ) ；环境应急系统；高斯扩散模式；大气污染扩散 模型 r e s e a r c ha n di m p l e m e n to fa i rp o l l u t i o nm o d e li nt h e e n v i r o n m e n t a le m e r g e n c ys y s t e m a b s t r a c t w i t ht h e r a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t i n c h i n a ，s u d d e ne n v i r o n m e n t a l c o n t a m i n a t i o na c c i d e n t sh a v eb e c o m ea l li n e l i g i b l ep r o b l e m a st h e r ei sn op a t t e r no f p o l l u t a n tl e a k a g eo rd i s p e r s a l ，a n dt h el o c a t i o n ，t i m e ，e n v i r o n m e n to ft h ea c c i d e n ta r e h i g h l yu n p r e d i c t a b l e ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt od e a lw i t he n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o n a c c i d e n t s i nt h i sp a p e r , i td e s i g n sa n db u i l d sa ne n v i r o n m e n t a le m e r g e n c ys y s t e mf o r s u d d e ne n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o na c c i d e n t s t h e s y s t e m i sb a s e do ng i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) b ym a k i n gu s eo fg i s ，i tr e a l i z e sr e a l - t i m e s u r v e i l l a n c eo fb o t hi m m o b i l ea n dm o b i l ee q u i p m e n t s ，a n di t 眦m i n i m i z et h e d a m a g ec a u s e db yt h ea c c i d e n t s i nc a s et h ea c c i d e n th a p p e n s ，t h es y s t e mc 觚b eu s e d t or e d e p l o yt h es u r v e i l l a n c ev e h i c l e st oc o l l e c tr e a l t i m ed a t a ，u p o nw h i c ht h es y s t e m w i l lb u i l da na i rp o l l u t i o nm o d e l ，w h i c hw i l ls i m u l a t et h ep o l l u t i o nd i f f u s i o na n ds h o w i t sd i r e c t i o na n da r e ai n f o r m a t i o no nt h es c r e e n t h es u d d e ne n v i r o n m e n t a l c o n t a m i n a t i o na c c i d e n t se x p e r ts y s t e mc a nb r i n go u ta ne f f e c t i v ed i s p o s a ls c h e m ef o r t h ea c c i d e n t t h es c h e m ec a nb eu s e da sah i t e c hm e t h o da n da sad e c i s i o ns u p p o r t f o ra c c i d e n tt r e a t m e n ta n de s t i m a t i o n d u et ot h eg o o dc h a r a c t e r s ，s u c ha se a s y c a l c u l a t i n g ，h i 曲一p r e c i s i o na n de t c , o f g a u s s i a nm o d e l ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e sa n db u i l d sa l la i rp o l l u t i o nd i f f u s i o n m o d e lb a s e do ng a u s s i a nm o d e l i ti sa l s oi n t r o d u c e dt h ep l u m ee l e v a t i o nf o r m u l a a n dt h ed i f f e r e n tm e t h o d st os e l e c tt h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i f f u s i o np a r a m e t e r sf o r t h ed i f f e r e n tp o l l u t i o ns o u r c e s t h i sr e s e a r c hs e l e c t st h ep l u m ee l e v a t i o nf o r m u l aa n d t h ed i f f u s i o np a r a m e t e r sw i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r d i ta l s oc o l r e c t st h ed i f f u s i o n p a r a m e t e r sw i t ht h es p e c i 0 1s i t u a t i o no ft h ep o l l u t i o ns o u r c e s a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h ea u t h o ri n t r o d u c e sh o wt o i m p l e m e n tt h e a i r p o l l u t i o nm o d e l i n t ot h e e n v i r o n m e n t a le m e r g e n c ys y s t e ma n dh o wt os i m u l a t et h er e s u l to fas u d d e na i r i i p o l l u t i o na c c i d e n t i ti si n c l u d e dt h a th o wt og e tt h ep a r a m e t e r so ft h ee n v i r o n m e n t a n dt h ep o l l u t i o n s o u r c e ，t h em e t h o dt op r e s e n tt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa sw e l l t h e r e s u l t sc a nb ep r e s e n t e dv i at w ow a y s ：t h ei s o l i n e sa n db a rc h a r t s t h ep a p e rg i v e sa d e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h em e t h o do fh o wt od r a wt h ei s o l i n e s t h ee n v i r o n m e n t a le m e r g e n c ys y s t e mi n t r o d u c e di nt h ep a p e ri m p l e m e n t st h e f u n c t i o n a l i t i e so ft h es u p e r v i s i o nt ot h ep o l l u t i o ns o u r c e s ，d a t ac a p t u r i n ga u t o m a t i c a l l y , i s o l i n e sd r a w i n g ，e t c i tc a nd i s p l a yt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sv i s u a l l ya n dq u i c k l y i tc a n b eo fg r e a ta s s i s t a n tt ot h ee m e r g e n c yd e c i s i o n sm a k i n ga n de m e r g e n c ym a n a g e m e n t w o r k k e yw o r d s ：g i s ；e n v i r o n m e n t a le m e r g e n c ys y s t e m ；g a u s s i a nd i f f u s i o nm o d e l ； a i rp o l l u t i o nm o d e l m 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得生垦海注太堂或其他教 育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：薯p 辫字日期：刃。辟j 月了f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 学位论文作者签名：郝遵苔致 导师签字： 签字日期：3 - 。陴5 月歹1 日 泓桐 签字日期乏。留年5 月弓日 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着工业的迅速发展，突发性环境污染事故已成为现代人类社会不可忽视的 重大问题，1 9 8 4 年拥有7 0 余万人口的印度博帕尔市某农药厂4 0 万升异氰酸甲 酯储罐发生泄漏事件，短短几天，毒气夺走2 5 0 0 多人的生命，1 0 多万人终身残 废，5 0 余万人遭到不同程度的毒害。前苏联切尔诺贝利核电站泄漏事件中及以 后的数十年，数万人因此而丧生，数万平方公里的土地受到放射性污染。 近年来，我国环境污染问题也日益严重，各类危及国家和人民群众生命安全 的突发性环境污染事故灾害时有发生。2 0 0 5 年1 1 月1 3 日，吉林石化公司双苯 厂一车间发生爆炸。截至同年1 1 月1 4 日，共造成5 人死亡、1 人失踪，近7 0 人受伤。爆炸发生后，约1 0 0 吨苯类物质( 苯、硝基苯等) 流入松花江，造成了江 水严重污染，沿岸数百万居民的生活受到影响。这一事件不仅仅给沿岸居民造成 一不便，还引起了俄罗斯方面因松花江水污染对中俄界河黑龙江( 俄方称阿穆尔河) 造成的影响的关注。我国不得不向俄道歉，并提供援助以帮助其应对污染。国家 环境总局副局长潘岳透露，自0 5 年松花江水污染事件以来，中国平均两三天发 生一起与水有关的污染事件，目前已达一百五十多起。仅2 0 0 6 年8 月一1 1 月间 发生的影响重大的环境事故就有：8 月，吉林省蛟河市吉林长白精细化工有限公 司在异地处理生产废液的运输途中，将约1 0 立方米废液人为倒入牛亡牛河内，致 使河水受到污染；9 月，甘肃徽县的铅污染事件，致使数百名儿童血液中铅含量 超标，其中不少被确诊为重度铅中毒，引起轩然大波；同是9 月，湖南省岳阳县 城饮用水源地新墙河发生水污染事件，致使砷超标1 0 倍左右；1 1 月，四川省泸 州市川南电厂发生燃油泄露，污染长江，造成不良后果。 在中国科学院社会学所、社科文献出版社2 0 0 6 年1 2 月2 5 日共同发布的社 会蓝皮书( ( 2 0 0 7 年：中国社会形势分析与预测中，环境污染已成为与“看病难”、 “就业失业问题”等社会热点并列的十大问题之一。 突发性环境污染事故由于没有固定的排放方式和排放途径，事故发生的时 间、地点、环境也具有很大的不确定性，事故发生突然、来势凶猛，事故污染源 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 在瞬时或短时间内大量地排出污染物质，因此会对人们赖以生存的自然生态环境 造成严重污染和破坏，给国家和人民财产造成重大损失。根据污染物性质及常发 生的方式，突发性环境污染事故可分为：1 、核污染事故；2 、溢油事故；3 、有 毒化学品的泄漏、爆炸、扩散污染事故；4 、非正常大量排放废水造成的污染事 故4 大类【1 】。突发性环境污染事故呈现的主要特性可总结为：发生的突发性、形 式的多样性、危害的严重性和处理处置的艰巨性。 为有效防范环境污染事故，特别是重大、特大环境污染事故的发生，及时、 合理处置可能发生的各类重大突发性环境污染事故，有效控制和消除污染，减少 损失，维护自然生态环境，保障人民身心健康及正常生活、生产活动的进行，建 立统一高效的指挥协调系统，处理突发环境污染事故刻不容缓。随着我国环境产 业的快速发展和环境管理工作的不断深化，信息化成为提高环境管理与决策水平 的重要技术基础。“数字环境”工程建设已被国家列为“十一五 重点开发项目，数 据仓库、网络技术、移动互联等各类新兴信息技术将为我国环境产业及r r 产业 实现跨越式发展提供新的机遇。 1 2 大气污染物概述 大气污染源是指向大气环境排放有害物质或对大气环境产生有害影响的场 所，设备和装置。按照污染物质的来源可分为天然污染源和人为污染源【z j 。 天然污染源是指自然界中某些自然现象向环境排放有害物质或造成有害影 响的场所，是大气污染物的一个很重要的来源。但是天然污染源属于不可抗拒自 然力作用造成的，是无法避免的，是人为无法控制的。大气污染物的天然源主要 有：1 、火山喷发：排放出s 0 2 、h 2 s 、c 0 2 、c o 、i - i f 及火山灰等颗粒物。 2 、 森林火灾：排放出c o 、c 0 2 、s 0 2 、n 0 2 等。3 、自然尘：风砂、土壤尘等。4 、 森林植物释放：主要为萜烯类碳氢化合物。5 、海浪飞沫：颗粒物主要为硫酸盐 与亚硫酸盐。 人为污染源是指人类的生产和生活活动所产生的大气污染。通常所说的大气 污染源是指由人类活动向大气输送污染物的发生源。就是一般所研究的大气污染 问题。人为因素造成的大气污染的污染源，从产生来源来看，主要有三种。 1 、 生活污染源：由城市居民、机关和服务性行业，由于烧饭、取暖、沐浴等生活上 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 的需要，燃烧矿物燃料向大气排入煤烟所造成的大气污染。2 、工业污染源：由 火力发电厂、钢铁厂、化工厂及水泥厂等工矿企业在生产过程中和燃料燃烧过程 中所排放的煤烟、粉尘及无机化合物等所造成的大气污染的污染源。3 、交通污 染源：由城市的汽车、飞机、火车和船舶等交通工具，排放出含有c o 、n o x 、 碳氧化合物( c 0 x ) 、铅( p b ) 等污染物的尾气所造成的大气污染源。 各种生产过程中产生的空气污染物，按其存在的状态可分为两大类：1 、气 溶胶态污染物，如粉尘、烟尘、雾滴和尘雾等，主要是颗粒状污染物；2 、气态 污染物，如s 0 2 、c o 等，主要以分子状态存在于废气中。 烟尘是燃料和其他物质燃烧的产物，主要有不完全燃烧所产生的碳黑，结构 复杂的多环芳烃有机化合物和飞灰等，其主要产生设备有锅炉、加热炉、焙烧炉、 熔矿炉、平炉、煅烧炉以及焚烧炉。粉尘是指煤、矿石等固体物料在运输、筛分、 碾磨、加料和卸料等机械处理过程中所产生的【3 1 。在钢铁工业生产过程中粉尘的 产生主要是炼焦炉( 在加煤、推焦、熄火等过程中产生) 。粉尘的危害是众所周知 的，著名的1 9 6 2 年伦敦烟雾事件的罪魁祸首就是烟尘与二氧化硫。钢铁行业生 产过程中产生的粉尘往往含有许多有毒成分，如铬、锰、镉、铅、汞、砷等。当 人体吸入粉尘后，小于靴m 的微粒，极易深入肺部，引起中毒性肺炎或矽肺， 有时还会引起肺癌。沉积在肺部的污染物一旦被溶解，就会直接侵入血液，引起 血液中毒，未被溶解的污染物，也可能被细胞所吸收，导致细胞结构的破坏。此 外，粉尘还会沾污建筑物，使有价值的古代建筑遭受腐蚀。降落在植物叶面的粉 尘会阻碍光合作用，抑制其生长。 硫氧化物主要是指二氧化硫( s 0 2 ) 和三氧化硫( s 0 3 ) ，它主要是由于燃烧含硫 燃料而产生的。s 0 2 是无色具有刺激性气体。当其吸入浓度这5 m l m 3 时，对鼻 腔和呼吸道粘膜都会出现刺激感。如果吸入浓度超过1 0 m l m 3 ，人们不仅有强刺 激感，而且还会发生鼻腔出血，呼吸受阻等现象。对一般人来说，s 0 2 的嗅阈浓 度是l m l m 3 ，但对s 0 2 敏感者来说，嗅阈浓度是0 5 m l m 3 。通常在被污染的大 气中二氧化硫与多种污染物共存。吸入含有多种污染物的大气对人体产生的危害 往往要比它们各自作用之和大得多。特别是在二氧化硫与颗粒物同时吸入时，对 人体产生的危害更为严重。这是因为飘尘气溶胶粒子把二氧化硫带入呼吸道和肺 泡中，其毒性可增大3 4 倍。若飘尘为重金属粒子时，由于催化作用，可使二氧 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 化硫氧化为硫酸雾，其刺激作用比单独二氧化硫的刺激作用增强1 0 倍。另# b - - 氧化硫还可增强致癌物苯并( a ) 芘的致癌作用。二氧化硫除了对人类的身体健康 构成威胁之外，还会形成酸雨从而危害水生系统、陆地生态系统，对建筑物、机 械和市政设施具有腐蚀破坏作用。 一氧化碳污染物的产生是由于含碳物质不完全燃烧而产生的。在冶金工业中 炼焦、炼铁、锻冶、铸造和热处理的生产中都有大量的一氧化碳产生。一氧化碳 属窒息性气体，有亲神经性，一旦进入人体，可引起c o 中毒而缺氧，产生严重 的神经系统损伤而危及生命。 1 3 课题研究现状及意义 自7 0 年代开始，国外的一些政府机构和大的软件开发商就开始着手环境管 理信息系统的开发和完善，如美国环保局的s t o r e t 系统和a i r s 系统、英国环 保局的w q i s 系统、联合国环境规划署( u n e p ) 的g r i d 系统( g l o b a lr e s o u r c e i n f o r m a t i o nd a t a b a s e ) 等。莱茵河沿河国家在1 9 8 7 年制订了“莱茵河行动计划”， 联合开发了方便快捷的计算机决策支持系统模型，定期检查沿河工厂设备安全情 况等。 为了应付突发性环境污染事故，世界各国相继制定了应对措施，美国、加拿 大、日本和荷兰等国家分别制定了突发性环境污染事故紧急处理的法律。1 9 8 9 年联合国环境规划署提出了“地区级紧急事故的意识和准备”，即“a p e l l 计划”。 1 9 9 3 年美国u s e p a 发布了“化学品事故排放风险管理计划”。日本对其海洋建立 了以内阁总理大臣在内的政府组织的完备预防和应急反应体系。与这些应对措施 同步发展的是防范突发性环境污染事故的技术方法，基于计算机信息管理的应急 决策支持系统也如雨后春笋般发展起来。法国于1 9 9 2 年开发出一个称为“s c a n s ” 的软件包，可为突发性水污染事故提供应急决策 4 1 。d e s i m o n c 等【5 】把人工智能 和模式识别技术用于溢油事故过程的模拟、应急计划的评估，能够对大型溢油事 故应急处理设施的选择和人员的配备进行辅助决策。 我国近年来也逐渐开始重视环境工作。国家环境总局成立了突发性环境污染 事故调查工作小组，中华人民共和国环境保护法和建设项目环境保护管理 办法也明确规定，凡对环境有影响的建设项目必须执行环境影响评价制度，其 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 中应对可能出现的突发性环境污染事故的项目进行风险评价，以防患于未然。同 时，在项目运行过程中，也应对可能发生环境污染事故的隐患加强监督检查，并 制定切实有效的防范、应急抢险措施，在事故发生时及时控制污染，把各种破坏 损失降至最低。在此背景下，“数字环保”工程建设被国家列为“十一五”重点开发 项目，而加强突发环境污染事故应急监测、研究其处理处置方法、对污染物的扩 散进行预报是环境污染防治领域中非常重要的工作。 环境突发事故应急处理系统是基于g i s 技术、g p s 技术和专家系统的区域 环境污染事故应急系统，通过对固定和移动污染源的实时监控，将发生污染事故 的危险降到最低限度，对于已经发生的污染事故，能够立即启动环境突发事故应 急处理辅助预案，针对事故的污染物种类、地点、周围居民情况等各类详细信息， 利用专家系统提出合理、准确的事故应急预案，并能够显示环境应急车辆到达事 发地点的最短路径，及时调度应急车辆前往事发地点，为突发性环境事故的预警、 处理提供了先进的技术手段和决策支持，最大限度地实现环境保护的数字化、网 络化、智能化和可视化。 “1 4 课题研究的主要内容 本论文的主要研究工作为： ( 1 ) 对高斯模型的主要影响因素进行研究，合理选择烟气抬升公式，合理选 择不同污染源对预测点的横向扩散参数的铅直扩散参数，并根据实际情况对扩散 参数进行修正。按稳定度、风向、风速联合频率加权平均计算各点源对预测点的 浓度贡献值。 、 ( 2 ) 由于组件式g i s 具有标准化接口、支持跨语言应用等特点，因而使g i s 软件的可配置性、可扩展性和开放性更强。本文采用著名g i s 软件开发商m a p i n f o 公司开发的m a p x 组件，使用b o r l a n d 公司的d e l p h i 7 作为二次开发平台，构建 环境应急系统，实现地图载入、污染监测、浓度等值线可视化等功能。 ( 3 ) 模型集成与g i s 系统之中，将模型计算出的污染物等值线数据在地图上 直观表现出来，根据需要输出不同浓度的等值线，确定浓度的范围，同时可以在 g i s 平台上清楚地预测出污染物的扩散方向和范围，为突发事故决策提供了可靠 的帮助。 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 2 地理信息系统( g i s ) 及环境应急系统 2 1 地理信息系统( g i s ) 简介 2 1 1g i s 的诞生和含义 地理信息系统是一种基于空间分析方法的决策支持系统，简称g i s 。在传统 的信息系统中，数据主要保存在数据库中，但是数据库中的数据仅以文字的形式 表现出来，不仅形式呆板，而且隐藏在文字之后的信息不易被发现。不仅如此， 在实际工作中有许多问题必须借助地图来解决，然而最原始的解决方案是使用一 张纸地图，在上面将数据库的数据标出，然后在地图上分析，很明显这种方法将 会非常的繁琐。如果能够开发一种在计算机上存储和管理信息的系统，并且该系 统能够将复杂无序的数据通过图形生动的表现出来，这将会具有非常深刻的现实 意义，在这样的历史背景下g i s 产生了。 g i s ( 地理信息系统) 的英文全称是：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，是一种 基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分 析。g i s 技术能够把地图这种能够给人提供独特的视觉化效果和地理分析功能的 工具与一般的数据库操作( 例如查询和统计分析等) 集成在一起。更重要的是，g i s 给信息系统带来的不仅仅是显示地图的锦上添花，而是将数据进行直观的、可视 化的分析和查询，发掘隐藏在文本数据之中的各种潜在的联系，为用户提供一种 崭新的决策支持方式【6 1 。这种能力使g i s 与其他信息系统相区别，从而使其在广 泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。 地理信息系统是将计算机硬件、软件、地理数据以及系统管理人员组织而成的对 任意形式的地理信息进行高效获取、存储、更新、操作、分析及显示的系统集成。 2 1 2g i s 的组成 g i s 由五个主要的元素所构成：硬件、软件、数据、人员和方法。， ( 1 ) 硬件：硬件是g i s 所操作的计算机。今天，g i s 软件可以在很多类型的 硬件上运行。从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 ( 2 ) 软件：g i s 软件提供所需的存储、分析和显示地理信息的功能和工具。 主要的软件部件有： 幸输入和处理地理信息的工具； 数据库管理系统( d b m s ) ； 宰支持地理查询、分析和视觉化的工具； 幸容易使用这些工具的图形化界面( g u i ) 。 ( 3 ) 数据：一个g i s 系统中最重要的部件就是数据了。地理数据和相关的表 格数据可以自己采集或者从商业数据提供者处购买。g i s 把空间数据和其他数据 源的数据集成在一起，而且可以使用那些被大多数公司用来组织和保存数据的数 据库管理系统来管理空间数据。 ( 4 ) 人员：g i s 技术如果不能应用于实际问题，将没有什么价值。而使用g i s 的用户范围不仅包括从设计和维护该系统的技术专家，还有那些使用该系统并完 成他们每天工作的普通人员。 ( 5 ) 方法：成功的g i s 系统，具有好的设计计划和自己的事务规律，这些是 规范而且对每一个公司来说具体的操作实践又是独特的。 。2 1 3g i s 经历的发展阶段 g i s 技术自2 0 世纪6 0 年代诞生，7 0 年代开始快速发展，2 0 世纪8 0 年代开 始大量应用，经过这些年的研究、开发、应用，现在g i s 正在全球范围内以前 所未有的速度迅速发展，并且超过了遥感的发展速度 6 1 。我国的地理信息系统方 面的工作是从2 0 世纪8 0 年代初开始的，以1 9 8 0 年中国科学院遥感应用研究所 成立的全国第一个地理信息系统研究室为标志同。如今，我国已经建立了1 ：1 0 0 万和1 ：2 5 万国土基础信息系统以及其他的许多专业信息系统，国产的g i s 基 础软件业在2 0 世纪9 0 年代逐步实现了实用化【8 】o 近些年来，我国的g i s 系统进 一步迅速的发展。从发展历程看，g i s 经历了以下几个发展阶段。图2 - 1 为g i s 软件发展历程图。 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 图2 1g i s 软件发展历程 ( 1 ) g i s 模块 在g i s 发展的早期，由于受到技术的限制，g i s 软件往往是只能满足某些要 求的功能模块，没有形成系统，各个模块之间没有协同工作能力。 ( 2 ) 集成式g i s 随着理论和技术的发展，各种g i s 模块走向集成，逐步形成g i s 软件包( g i s p a c k a g e ) ，称之为集成式g i s ( i n t e g r a t e dg i s ) 。集成式g i s 是g i s 发展的一个里 程碑，它的优点是集成了g i s 各个模块的功能，形成了一个完整的系统，缺点 是系统复杂庞大，成本高，难于和其他的程序和系统集成。 ( 3 ) 模块化g i s 模块化g i s ( m o d u l a rg i s ) 的基本思想是把g i s 按照功能划分为一系列的模 块，运行于统一的基础环境之上( 如m i c r o s t a t i o n ) ，模块化g i s 具有较大的工程 针对性，便于开发和应用，用户可以根据需求选择所需模块，但是集成g i s 和 模块化g i s 都无法与管理信息系统( m i s ) 以及专业应用模型集成高效、无缝的g i s 应用。 ( 4 ) 核心式g i s 核心式g i s 是为解决集成g i s 与模块化g i s 的缺点而被设计出来的。 w i n d o w s 系列操作系统上的核心式g i s 提供了一系列动态连接库( d l l ) ，开发 g i s 应用系统时可以采用现有的高级编程语言，通过应用程序接口( a p d 访问内 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 核所提供的g i s 功能。它提供了动态连接库一级的更底层的组件化方式，给用 户提供更大的灵活性。但是，由于核心式g i s 提供的组件过于底层，给应用开 发者带来一定难度，也不适应可视化程序设计的潮流。 ( 5 ) 组件式g i s 随着计算机软件技术的发展，g i s 发展到了一个全新的阶段，出现了组件式 g i s ( 即c o m g i s ) 。组件式g i s 基于标准的组件式平台，各个组件之间不仅可以 进行自由、灵活的重组，而且具有可视化的界面和使用方便的标准接口。组件式 平台主要有m i c r o s o f t 的c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n t0 b j e c tm o d e l ，分布式组件对象模型) 和o m g 的c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ，公共对象请求代理体系结构) ，目前 m i c r o s o f t 的c o m d c o m 占市场领导地位。基于c o m d c o m ，m i c r o s o f t 推出 了a c t i v e x 技术，a c t i v e x 控件是当今可视化程序设计中应用最为广泛的标准组 件。新一代的组件式g i s 也大都是a c t i v e x 控件或者其前身o l e 控件。 ( 6 ) w e b g i s 几乎在开发组件式g i s 的同时，出现了w e b g i s 。w e b g i s 是i n t e r a c t 技术应 用于地理信息系统( g i s ) 开发的产物。g i s 通过w w w 功能得以扩展，真正成为 - 种大众使用的工具，从w w w 的任意一个节点，i n t e m e t 用户可以浏览w e b g i s 站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析。w e b g i s 不仅开拓了地理信息资源利用的新领域，而且为g i s 信息的高度社会化共享提 供了可能【9 】【1 0 1 。随着组件式g i s 的发展和分布式对象w e b ( d i s t r i b u t e do b j e c tw e b ) 技术的逐渐成熟，w e b g i s 将是基于c o m a c t i v e x 或c o b 凡钔a v a 开发的分布 式对象g i s 。与此同时，g i s 软件的网络化应用也得到了很大的发展，用户对于 网络化应用的需求也越来越大。地理信息系统的网络化有利于充分利用计算机资 源，增强协同处理业务的能力，进行业务监控，方便查询和统计。同时，网络系 统通过与i n t e m e t 或政府办公信息系统并网运行，可以实现面向公众的信息发布， 增加政策的透明度，有利于政府部门领导对部门业务的了解，方便信息的共享和 传输。 w e b g i s 作为数字地球的主要技术依托和载体，已经成为r r 领域十分重要 的研究方向。它具有以下几个方面的特点【1 1 】【1 2 】：1 、较低的开发和管理成本。 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 w e b g i s 是利用通用的浏览器进行地理信息的发布，并使用通常是免费的插件 a c t i v e x 或j a v aa p p l e t ，从而大大地降低了终端客户的培训成本和技术负担。而 且利用组件式技术，用户可以根据实际需要选择需要的控件，这也最大限度地降 低了用户的经济负担。2 、真正的信息共享。w e b g i s 具有通过通用的浏览器进 行信息发布的特点，这使得不仅仅是专业人员，就连普通用户也能方便地获取所 需的信息。在全球范围内任意一个w w w 站点的i n t e m e t 用户都可以获得w e b g i s 服务器提供的服务，真正实现了g i s 的大众化。3 、巨大的扩展空间。i n t e m e t 技术基于的标准是开放的、非专用的，为w e b g i s 的进一步扩展提供了极大的发 挥空间，使得w e b g i s 很容易与w e b 中的其他信息服务进行无缝集成，建立功 能丰富的具体g i s 应用。4 、扩平台特性。传统的g i s 软件都是针对不同操作 系统的，对不同的操作系统，分别要使用相应的g i s 应用软件。而w e b g i s 则能 做到“一次编成，到处运行，真正发挥跨平台的技术优势。 w e b g i s 模式下的客户端和服务器所完成的功能基本上与c l i e n t s e r v e r 模式 下的功能是一致的，但是它是通过中间件来实现的。也就是说，客户在向某一个 服务器提出服务请求时，它并不要求知道所要求的信息是否在这个服务器上以及 信息在哪，而是由服务器来解决。如果服务器发现所请求的信息不在服务器上， 它就会通过向其他服务器发送带u r l 的信息请求而找到所需的信息。因此，这 种网络拓扑结构与c s 结构已经有了较大的差别。这其实是一种i n t e m e t 上的三 层c s 结构它实质上是c l i e n t s e r v e r 技术与i n t e r a c t 技术相结合的成果，这种 模式不仅利用了基于w e b 的i n t e m e t 结构的简便和灵活性的特点，而且应用 c l i e n t s e r v e r 技术大大地强化了其事务处理和安全性、完整性约束能力，从而实 现了真正业务相关的w e b g i s 1 3 】。 2 1 4g i s 的应用趋势 g i s 作为计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的一门边缘 性学科，其发展与其他学科的发展是密切相关的。近年来g i s 技术发展迅速， 其主要动力来自于日益广泛的应用领域对地理信息系统的要求。另一方面，计算 机科学的飞速发展为地理信息系统提供了先进的工具和手段，许多计算机技术， 如i n t e m e t 技术、面向对象的数据库技术、三维技术、图像处理技术和人工智能 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 技术等都可直接应用到g i s 中【1 4 1 。g i s 的应用趋势有以下几方面： ( 1 ) w e b g i s 。i n t e m e t 改变了我们的世界。当前，i n t c m e t 已不仅仅是一种单 纯的技术手段了，而且已演变成为一种经济方式网络经济。大量的应用正由 传统的( 客户机服务器) 方式向( 浏览器服务器) 方式转移，g i s 技术也是如此。g i s 技术和i n t e r n e t 技术的融合，正逐渐形成一种新的技术，我们称之为w e b g i s 。 客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的最新数据，而这一i n t e m e t 所 特有的优势大大方便了g i s 的数据管理，使分布式的多数据源的数据管理和合 成更易于实现无论服务器客户机是何种机器，无论w e b g i s 服务器端使用何种 g i s 软件，由于使用了通用的w e b 浏览器，用户就可以透明地访问w e b g i s 数据， 在本机或某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理与分 析，实现远程异构数据的共享。要广泛推广g i s ，使g i s 系统为广大的普通用户 所接受，而不仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户，就要降低对系统操作的 要求。w e b g i s 更易于操作，它是降低操作复杂度的最好选择。目前，w e b g i s 在i n t e r a c t 的应用为典型的三层结构，包括客户机、应用服务器与w e b 服务器、 数据库服务器，这种方式又称为瘦客户机系统。所有的地图数据和应用程序都放 在服务器端，客户端只是提出请求，所有的响应都在服务器端完成，只需在服务 器端进行系统维护即可，因此大大降低了系统的工作量。 ( 2 ) g i s 协助海量数据管理。g i s 技术的瓶颈之一就是如何解决海量空间数 据管理问题，因为对于一个城市级的g i s 系统，其数据量极其巨大，一般可达 到g b 的数据量级。传统的基于文件的管理方式显然不能处理这些问题，而利用 面向对象的大型数据库技术则能够有效地解决这一问题。在面向对象的空间数据 库中，海量地图数据的使用变得更加简单：只需建立单一图层，不必再进行分幅 处理。如果用户原来的数据源是分幅的，可将其全部存储到一个图层中，数据库 将自动对其进行拼接和索引处理，即可形成一个完整的图层。在应用时，客户端 只需极少量的编程( 实际上只是指定数据源) ，就可实现对数据库里数据的动态显 示。数据库会根据当前地图客户端的显示视野，自动将此范围内的图形检索出来， 并送到客户端显示。因此，即使服务器端的数据是g b 级的，在客户端的数据量 却仅是几十k b 到上百k b ，大大减轻了客户端系统的配置需求，并减轻了网络 流量。 大气污染扩散模型的研究及在环境应急系统中的实现 ( 3 ) 三维g i s 与虚拟现实。三维g i s 是许多应用领域对的基本要求。三维 g i s 可以帮助人们更加准确真实地认识我们的客观世界。它可以支持真三维的矢 量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间数据库，解决了三维空间操作和分析 问题。 ( 4 ) 高分辨率遥感与g i s 结合。g i s 为核心的高分辨率遥感影像与g i s 、 g p s ( 全球定位系统) 的集成，使得人们能够实时地采集数据、处理信息、更新数 据以及分析数据。g i s 已发展成为具有多媒体网络、虚拟现实技术以及数据可视 化的强大空间数据综合处理技术系统。高分辨率遥感影像是实时获取、动态处理 空间信息对地观测、分析的先进技术系统，是为g i s 提供准确可靠的信息源和 实时更新数据的重要保证。g p s 主要是为遥感实时数据定位提供空间坐标，以建 立事实数据库。它们之间的集成，不仅实现了互补，而且产生了强大的边缘效应， 将极大地增强以g i s 为核心的综合体系的功能。 ( 5 ) 无线通讯与g i s 。无线通讯改变了人们的生活和工作方式。随着无线通 讯技术的发展，特别是w a p 技术的应用，使无线通信技术与g i s 技术以及i n t e r a c t 技术的结合成为可能，形成了一种新的技术无线定位技术( w i r e l e s sl o c a t i o n t e c h n o l o g y ) 。因此也衍生一种新的服务，即无线定位服务( w i r e l e s sl o c a t i o n s e r v i c e ) 。无线定位技术的应用很广泛。利用这种技术，人们可以利用手机查询 到自己所在的位置，再利用的g i s 空间查询分析功能，查到自己所关心的信息。 2 2 环境应急系统简介 环境应急系统是基于g i s 技术、g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 技术和专家 系统( e x