A42黃鈞地理空氣汙染資料庫之建構與應用.pdf

2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 1 地理空氣汙染資料庫之建構與應用地理空氣汙染資料庫之建構與應用 Development of geospatial database for ambient pollutants across Taiwan by PostGIS 國立臺灣大學生物環境系統工程學系 黃鈞 顧尚真 連怡甄 余化龍 摘摘 要要 由於近年來資訊科技的大幅進步 雖然帶動了更多更好的環境監測方法與技 術 然而對於許多傳統環境模式的發展來說 更充足的資訊 也相對增加了模式 的複雜度 應用空間時間技術於環境問題 可有效簡化模式的複雜度並增進即時 環境預測可行性 其中 空間資料庫的使用即為相當重要的一環 本研究將使用 開放式空間資料庫系統 PostgreSQL 及 PostGIS 來建構臺灣地區空氣品質資料 庫 此資料庫將整合 1 空間時間空氣品質觀測資料 2 空間時間空氣品值推 估資料 3 其他臺灣地區相關區資訊 此一資料庫之建置將即時並有效提供使 用者不同空間尺度之空氣品值評估與預測資訊 降低環境模式之使用所造成的系 統負擔 Abstract Due to the major progress of information technology in recent years we have more and better environmental monitoring methods and technologies However the more sufficient information may increase the complexity of the conventional methods for environmental modeling The application of spatiotemporal technology on environmental issues can effectively simplify the complexity of environmental modeling and improve the feasibility of real time prediction of environmental attributes The development of geospatial database is an essential step of novel spatiotemporal environmental modeling This study uses the open sourced spatial database system PostgreSQL PostGIS to construct a database of air quality in Taiwan This database will integrate 1 spatial time air quality observation data 2 spatial time air quality estimation data 3 other related zones information in Taiwan The developed database can immediately and effectively provide the air quality assessment and prediction information at different spatial scales based upon user s request The development can reduce the computational burden on common process of environmental modeling 壹壹 前言前言 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 2 近年來環境的監測站大幅度地增加 雖然獲得了更豐富的資訊 但同時也增 加了資料搜尋及運用的難度 資料庫系統 database system 是一個廣泛應用於資 料查找的工具 其特點便是快速的搜尋能力 本研究中所使用的 PostgreSQL 是 個功能強大的免費開放軟體 它除了提供傳統關係資料庫的功能 也能與 PostGIS 空間資料庫連結 此次研究中另外也使用 QuantumGIS 等免費地理資訊系統軟 體 在這些軟體的輔助之下 除了將地理空間的運算概念加入 PostgreSQL 更 可以成功結合伺服器端的資料庫系統以及客戶端的地理資訊系統軟體 提供使用 者不同空間時間尺度之空氣品值資訊 減少環境模式使用時所造成的系統負擔 貳貳 研究研究動機與目的動機與目的 架設地理空氣汙染資料庫的動機來源 乃是因為現代監測技術進步所產生的 龐大資料量 龐大的資料對於科學研究是有利的 然而龐大的資料同時會導致運 作上以及計算上的困難 因此我們嘗試架設一個地理空間的資料庫來解決這個問 題 現今被廣泛使用的 SQL Structured Query Language 原是一個用於資料庫查 詢的有效語言 它的特點便是能對大量的資料進行快速的搜尋 且具備簡單的運 算功能 我們架設資料庫的目的 便是希望能將 SQL 語言應用到我們龐大的環 境監測資料當中 將資料庫能儲存並運算大量資料的優點運用於我們的環境模式 中 以盡可能的減少系統運算負荷 並更有效率的使用空氣汙染資料 另外我們 利用 PostgreSQL 與 PostGIS 的結合 使伺服器上的地理空氣汙染資料庫能與客 戶端的地理資訊系統軟體連結 使一般使用者利用 SQL 語言所提取的資料能方 便地讓自身使用 同時也減少使用者使用電腦處理複雜資料的時間 參參 地理空間時間資料庫的建立地理空間時間資料庫的建立 一一 PostGIS 及資料來源及資料來源介紹介紹 PostGIS 是一個開源地理空間資訊軟體 經由 OGC 認證 Open Geospatial Consortium 內有許多地理空間的處理函數 能對圖層資料做有效的分析及應 用 本研究中的地理空氣汙染資料庫架構於 PostgreSQL 下 PostgreSQL 是一個 關係型資料庫 PostGIS 與 PostgreSQL 的結合 使 PostgreSQL 成為一個地理空 間資料庫 能夠對空間數據進行管理 實現空間資料的計算 如點資料 point 的 距離計算 面資料 polygon 的面積 周長等 並達成我們利用地理空間資料作為 搜尋依據方式之目標 本研究的資料來源由三個部分所組成 第一部分為交通部所提供的臺灣圖 層 臺灣圖層包含鄉鎮資料圖層 城市資料圖層 以及縣市資料圖層 我們將這 三者結合並匯入我們的地理空氣汙染資料庫中 做為空間資料庫中基本的地理空 間資訊 資料來源的第二部分則是空氣汙染觀測值資料 空氣汙染觀測值資料是 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 3 取自於氣象局的測站資料 而最後一部分的空氣汙染推估值資料 則是由國立臺 灣大學的時空環境模式研究室 STEMLAB 所提供 我們將上述部分的資料匯入至資料庫後 利用 PostGIS 空間資料庫的函數將 空氣汙染的空間點資料 point 對應到臺灣圖層的地理面資料 polygon 中 完成我 們資料庫中地理與空間資訊的結合 二二 資料庫的建置資料庫的建置 在建構資料庫之前 必須先對整個資料庫的架構有一個完整的認知及瞭解 實體關係圖便是一個資料庫架構的原始藍圖 本研究中將結合各空氣汙染物原始 的觀測資料和經過程式推估後的資料 以及由臺灣鄉村 臺灣城鎮 臺灣縣市三 個圖層結合的臺灣地理資訊來架構出整個地理空氣汙染資料庫 加入全臺灣圖層 的目的是為了方便使用者可以自由地經由地域所在查詢所需的空氣品質資料 然 而單純使用 PostgreSQL 的資料庫是不夠的 我們需要一個能有時空查詢功能的 資料庫 所以我們使用 PostGIS 的空間資料庫與 PostgreSQL 的關係資料庫結合 令我們的資料庫能夠支援地理空間資料庫的儲存 圖 1 實體關係圖 將地理空間資料庫架構完成後 為了將時間格式的資料做有效的應用 我們 將時間以年 月 日 小時 分 秒作為區隔 另外加入至資料表中 以便使用 者想求得某個時間之下或某段時間之內的資料值時 可以針對每一時間欄位提出 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 4 限制 只列出所需的檔案 在本研究中 因為輸入資料庫的資料是以天為單位 故在之後的展現中 將只展現年 月 日的資料 而小時 分 秒的資料則不予 以讀取使用 肆肆 於伺服器端使用於伺服器端使用資料庫資料庫 以以 CO 觀測值觀測值為例為例 一一 只取只取台北市的資料台北市的資料 圖 2 台北市的資料 圖 2 的資料表示全台北歷年的空氣汙染資料值 資料表內包含的年 月 日 的資料 並含有鄉鎮 地區的資料 在圖 2 的資料表中 同時擁有時間尺度及空 間尺度的資料 將時間資料與空間資料同時呈現予使用者 二二 取台北市限定取台北市限定日子的資料日子的資料 以每年的十月十日為例以每年的十月十日為例 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 5 圖 3 每年的十月十日 圖 3 展示了時間資料的應用可能性 對全臺灣的地理圖層資訊以及空氣汙染 資料做處理 除單獨取出台北市的資料外 並對時間限制 只取出每年十月十日 的台北市空氣汙染資料 三三 以台北市大安區相鄰以台北市大安區相鄰區域區域的空氣的空氣品值品值資料資料推估推估大安區的可能大安區的可能性性 圖 4 與台北市大安區相鄰的區域 上圖 圖 4 中運用 Postgis 函數能夠處理地理空間資訊的功能 將台北市大 安區的地理空間資訊與臺灣城鎮的地理空間資訊比對 將與大安區相鄰的其他區 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 6 域獨立出來 圖 5 與大安區相鄰區域的一氧化碳資料 取出與大安區相鄰的地區圖層資料後 將空氣汙染資料 一氧化碳 以點資料 的概念加入到相鄰地區圖層資料中 如圖 5 所示 圖 6 平均的一氧化碳值 圖 6 是將大安區周圍的城鎮空氣汙染資料平均之後的結果 在這一部分的展 示圖中 我們展示了在資料庫端做簡易運算的可能 圖 6 中的數值即為 PostGIS 在 PostgreSQL 後端運算的成果 PostgreSQL 若缺少 PostGIS 的支援 將無法處 理以空間為依據的資料 伍伍 於個人電腦端運用於個人電腦端運用 GIS 軟體軟體 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 7 本研究的目的 除了架構出一個地理空氣汙染資料庫外 尚需要能讓使用者 自行下載所需的資料 且此資料是經由伺服器端所處理過 使用者不需再花費大 量的時間於自己的系統中除去自己不需使用的資料 下面我們將展現運用 PostGIS QuantumGIS 及 PostgreSQL 三者相連結的成果 沿續之前介紹的伺服器端運算結果 在之前的展現中 我們首先將台北市從 全臺灣的地圖中獨立出來 並限定其特定的日子 但是我們也可以自由地將上述 的結果匯入到自己的地理資訊系統軟體中 做更為精確的推估預測 這裡將以 QuantumGIS 作為主要的地理資訊系統軟體 利用 PostGIS 工具的導出及導入 與 PostgreSQL 上的地理空氣汙染資料庫連結 一一 於伺服器端提取台北市的資料於伺服器端提取台北市的資料 在這項展示中 我們要將客戶端的地理資訊系統軟體與伺服器端的地理空氣 汙染資料庫連結 先在伺服器端將台北市的圖層資料由全臺灣中取出 然後於 QuantumGIS 內連上伺服器後 加入 PostGIS 圖層 選擇所需的圖層資料 匯入 到 QuantumGIS 中 圖 7 連結伺服器端下載資料 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 8 圖 7 從 PostGIS 中匯入台北市圖層 圖 7 為在伺服器端上利用 SQL 語言所選出的台北地區圖層匯入至 QuantumGIS 後的情形 我們可以從匯入的圖層屬性資料中 檢視我們取出的時 間尺度資料和空間向量資料 圖 8 QuantumGIS 中的屬性表格 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 9 在 QuantumGIS 地理資訊系統軟體中 利用資料表裡的空間向量屬性資料 將伺服器端上顯示的表格資料轉換成空間資料 並利用 QuantumGIS 的功能 對 圖層資料的展示設定 圖 7 從圖 8 的屬性資料中 資料表中的時間資料也隨著 資料表保存下來 並包含了年 月 日的資料 顯示 PostgreSQL 資料庫中儲存 的空間資料與時間資料能有效地在客戶端使用 二二 於伺服器端提於伺服器端提取台北市取台北市大安區大安區限定日子的資料限定日子的資料 本研究中所架設的地理空氣汙染資料庫包含時間資料格式 故對某個時間做 為切割依據是絕對可行的 假設使用者只想取出每年三月的空氣汙染資料 這裡 以一氧化碳為例 而不想將全臺灣的資料取出 這樣的假設若使用地理資訊系 統軟體操作 時間消耗是巨大的 無論是利用地理資訊系統軟體本身去操作 亦 或利用其他的軟體來做資料的前處理 然而今天我們以架構出的地理空氣汙染資 料庫來操作 將會大量減少平時所花費的時間 利用 SQL 語言在架設的空間資料庫內搜尋 我們會先得到圖 9 中的資料表 資料表中顯示的部分為台北市大安區中歷年三月空氣汙染物資料值 一氧化碳資 料值 而這也就是我們所需要的資料 在 SQL 語言的幫助下以及 PostGIS 的空 間資訊函數 我們可以快速的將空氣汙染資料與圖層資料放在同一張資料表中 方便的顯示予使用者 圖 9 於伺服器端所看到的表格 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 10 圖 10 於地理資訊系統軟體中開啟資料庫中的資料 如圖 10 所示 大安區的圖層資訊 polygon 與使用者所要求的資料均能有效 且正確的呈現於 QuantumGIS 地理資訊系統軟體中 且因資料已由使用者在伺服 器端上的空間資料庫做過第一次的簡單處理 將不適用的資料先行排除 將龐大 的資料精簡 所以可達到減少客戶端地理資訊系統軟體負擔之目標 三三 於伺服器端於伺服器端做一段時間內的資料查詢做一段時間內的資料查詢 以時空概念發展出的地理空氣汙染資料庫除了能指定特定時間 也能由使用 者對其指定一段時間 命令資料庫將一段時間內的資料取出 使用者可將所需資 料由架設的地理空氣汙染資料庫提取後 透過 PostGIS 連結 PostgreSQL 資料庫 後匯入至 QuantumGIS 中 下面展示的部分即為對資料庫指定段時間的成果 假設需要取出的資料地區 為台北市的各行政區 時間是由 2000 05 25 至 2000 08 31 且希望空氣汙染物 一 氧化碳 的資料值可先行在伺服器端產生平均值 圖 11 資料庫依據指令整理出的資料 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 11 圖 12 於 QuantumGIS 中檢視選取的資料 如圖 11 與 12 所示 當使用者於伺服器端求出所需的資料後 即可利用客戶 端的 PostGIS 工具連結伺服器資料庫 迅速將整理出的資料表匯入 QuantumGIS 中 我們便能做更進一步的資料分析 由圖 12 可清楚看出 利用 PostGIS 與 PostgreSQL 的優勢 由伺服器端資料庫取出的資料都能擁有空間資訊資料 以上的展示中 展現出本研究中所架構的地理空氣汙染資料庫擁有對時空資 料查詢的功能基本功能 無論是不連續的時空資料或連續的時空資料等 陸陸 結論結論 利用本研究中所架構的地理空氣汙染資料庫確實可以將現今龐大的資料做 一個有效的分析及整理 充份利用現今科技所提供的大量環境觀測資料 同時也 減少環境模式之使