空气污染扩散模型与GIS应用结合的探讨

1、空气污染扩散模型与GIS应用结合的探讨谢鹏1侯祺棕1黄晔莹2(1.武汉理工大学资源与环境工程学院武汉430070; 2.广东发展银行广州市分行科技部广州510665摘要污染物的扩散模拟对环境决策、管理有着重要意义,而扩散过程又是一个包括时间、空间的复杂四维时空过程,其模拟需要GIS的支持。在分析基于GIS的地理开发系统和空气污染扩散模型的基础上,探讨了两者结合的最佳方式,并应用于广州市空气质量分析中,取得了较好的效果。关键词地理信息系统扩散模型空气污染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在环境管理工作中,通常会面对大量的环境统计数据、污染报告清单等抽象文字,不仅查阅不便,也不利于将数据与污染源、周边环境等因素结合起来进行环境管理,因此环境模拟(Enviro nmental Modeling应运而生,并在环境决策中起着重要作用。环境模拟将多种环境过程和现象

5、的信息转变成可以计算的形式,以多种概念、数量的模型加以描述,并将计算结果以某种形式显示输出。例如空气污染扩散模拟(Air Pollution Dispel Modeling就是用于空气质量分析的一种环境模拟。传统的空气质量分析大多是基于环境统计数据的简单探索,如根据大量统计数据找出污染趋势和关系等。而现代的空气质量分析,不仅利用了功能不断强大和完善的计算机技术,而且获得了GIS的支持,使污染物在/空间+时间0上的四维时空中扩散规律的研究取得了令人瞩目的成果。但是,G IS与APD M的最佳结合方式问题还没有完全解决,为此,笔者结合广州市空气质量分析实例就两者间的结合展开探讨。1基于GI S的地

6、理开发系统通俗地讲,地理信息系统(G eog raphic Info rmation Sy stem, GIS是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影。但严格地讲,它是反映人们赖以生存的现实世界(资源或环境的形势与变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性,在计算机软件和硬件的支持下,以一定格式输入、存贮、检索、显示和综合分析应用的技术系统。G IS是一种特定而又十分重要的空间信息系统,它是以采集、贮存、管理、处理分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。一套完整的GIS系统由5部分组成:地理空间数据、硬件系统、软件系统、系统分析维护和使

7、用技术人员。随着计算机技术、空间技术和现代信息基础设施的飞速发展,GIS在全国经济信息化进程中的重要性与日俱增。进入20世纪90年以来,GIS已广泛应用于各个领域,产生了巨大的经济效益和社会效益。目前,G IS已经在地形图与专题制图、城市规划与市政工程、土地利用与规划、环境保护与治理、环境监测、灾害监测和防治、生物资源保护与利用等诸多环境领域得到了应用。当今国际上已有不少地理信息系统的商品化平台软件,常见的有GeoStar、Ci ty Star、MapGIS等,最著名的是美国ESRI 公司(美国环境系统研究所开发的ArcGIS系列地理信息平台软件。A rcG IS是一个统一的地理信息系统平台,

8、由ArcGIS 桌面软件、ArcSDE通路、A rcIMS软件3个重要的部分组成。(1ArcGIS桌面软件。提供空间数据采集、地图制作显示、信息查询、空间分析、数据库编辑管理、统计图制作、地图布局输出、报表生成等一系列功能。它将传统的空间数据编辑、查询、显示、分析、报表和制图等GIS功能集成到一个简单的可扩展的应用框架上。(2ArcSDE通路提供了数据库服务。用户通过其协议对关系型数据库进行操作,满足用户对不同类型数据库的需求。通常管理的环境监测数据十分庞大,目前常用的数据库是甲骨文公司研发的Oracle数据库管理系统,ArcGIS也提供了该数据库的联结服务。(3A rcIMS软件是一个基于I

9、nternet的GIS。用户可以浏览器的方式对关系型数据库进行操作,方便众多客户端用户通过浏览器访问服务器进行管理。这种操作方式亦即常用的C/S(Client/Server服务架构。然而,A rcG IS地图开发功能并不十分强大,实际运用中#14 #工业安全与环保Industrial Safety and Environm ental Protection2005年第31卷第4期April2005的许多地图可能无法满足某些细节要求,因此ESRI公司又开发出可进行二次开发的制图与GIS功能组件MapO b2 jects。它支持VB、VC、C6Builder等开发语言,并以控件的形式直接插入到这些

10、开发环境之中,以完成地图开发的各种功能。该控件集生成的每一个图层都对应一个数据库和一个记录集对象,用于存储地理信息和属性信息,利用它可以实现:显示具有多个地图层的地图,放大、缩小和漫游整个地图,显示图形特征,显示标注字符;通过点击识别图上特征,选择沿线的特征和在矩形、区域、多边形和圆内的特征,选择在已知特征附近规定距离内的特征,使用S QL语句选择特征,对选择的特征进行基本的统计,查询和更新选择特征的属性数据;用特定的方法对特征进行着色处理,用字段值的字符标注特征,显示多种格式的栅格图像文件,动态显示实时或时间系列的数据,输出地理匹配的地理位置1。2GIS与空气污染扩散模型的结合2.1空气污染

11、扩散模型污染物在空间的扩散是一个非常复杂的过程,近20多年来,在数值模拟技术、野外试验和实验室模拟试验的推动下,并应用了大气边界层和大气扩散理论,空气污染扩散模型取得了长足的进展。迄今为止,在工程上最普遍应用的是正态模式(即Gauss 模式,目前我国推荐使用的法规(Regulatory模式也是高斯扩散模式及针对不同情况下的高斯改进扩散模式,包括电源扩散模式、线源扩散模式、面源扩散模式,以及特殊场合下的扩散模式等2。由于我们时常关心的是地面污染物浓度,因此可由点源扩散公式扩展得到地面浓度2。若地面以x轴为对称轴,轴线x上具有最大值,向两侧(y方向逐渐减小,当y=0时,即可得到地面轴线浓度式2。在

12、预测流动源和线状污染源,例如汽车等交通工具的污染物排放,即可当作线源处理。对于此类污染源,一般多采用点源求和法,即将线源的长度单元dl以点源方式处理,积分之和即为线源浓度贡献2。凭借现有计算机发展水平及运算速度,上述积分运算量可以实现。面源的特点是源强较小,排放口较低,数量多且分布较均匀。大气环境影响评价技术导则(HJ/T2.293推荐的T2模式是一个典型的点源积分法,将离散问题化为连续空间问题处理,各个网格面源对接受点的浓度贡献总和即为预测浓度值。这种方法使得在有风时,面源在任意一点均有浓度。如果面源的面积较小(S1km2,面源外的浓度可按点源扩散模式计算,只是应附加一个初始扰动。在考虑模型

13、与G IS结合时,均可采用于上较为成熟的空气污染扩散模型。2.2扩散模型与GIS结合原理大气污染物扩散模型当中有许多参数,其中气象参数包括:地面反射率、表面粗糙度等地表特征数据,以及风速、风向、温度、云量等气象观测数据,经预处理后生成行星边界层参数:摩擦速度、大气稳定度参数、对流速度尺度、温度尺度、混合层高度、地面热通量等;地形参数:各个网格点的位置参数及其所在地形高度参数等数据,经它处理后转换成GIS 可以识别的位置参数,进行浓度计算。参数处理如图1所示3。图1模拟系统的数据流程常用的数据库有SQ L Server、O racle等,可以满足海量的观测数据和地形数据的存储;另外,计算过程中也

14、将产生大量的数据,该数据库也可用于存放、调用、管理这些数据,极大地方便了数据的管理和维护。空间网格化,不仅可以让G IS记录模拟运算时各个网格点的地形、气象参数,也便于描述污染物的空间运动轨迹。网格的划分视具体情况而定,如城市的大小、评价区域的大小、评价等级等等。常用的编程环境有VB、VC、C6Builder等开发语言,并可将MapObjects以控件形式加载到其中,用以地图的加载、绘制。整个流程如下:数据输入y模型选取y数据分析操作(编程y数据显示输出。2.3扩散模型与G IS结合方式目前,GIS与扩散模型的结合方式主要有3种:(1松散结合(Loo se co upling。二者分属于两个独

15、立的系统,各自拥有独立用户界面。二者的结合仅仅体现在GIS 能为环境模型提供一定的输入数据,及显示、输出模型运算结果。(2紧密结合(Tight co upling。二者分属于两个系统但拥有共同的用户界面,用户界面主要用来管理两个系统的公共数据和进行文件交换。可以借助GIS的开发语言,实现与由C、V B、C6等高级语言开发的环境模型的紧密结合。这种结合降低了两个独立系统间文件交换的繁琐和出错率。(3完全集成(Full integratio n。二者的整体集成。二者拥有共同的用户界面并实现数据完全共享。这种方式不依赖于GIS提供的各种宏语言,通过VB和VC等开发环境,实现G IS组件和其他数据访问

16、组件紧密传递和共享数据。但开发周期长,专业性强,工作量大,难度也大4。松散结合所需编程少,但功能不强大,应用较少;完全集成专业型太强、开发周期过长,所以在实际运用中紧密结合开发方式比较多,实现功能可以满足需求,开发难度也不大。3应用示例以下以广州市环境监测中心站/环境空气质量综合分析系统0开发项目为例进行说明,该系统以GIS产品为平台,集成了空气污染扩散模型(包括高斯点源扩散公式,美国线源#15#分段求和模式CA LIN E 4,大气环境影响评价技术导则推荐的T2面源模式。系统考察区域为广州市区,背景地图为1B 10000比例的广州市基础数字地图,通过MapObjects 加载到系统中,在此基

17、础上,设计了结合应用的综合处理系统的整体框架,如图2所示。图2 GIS 与大气扩散模型结合系统GIS 软件平台选用A rcInfo,其空间数据编辑、空间分析和制图输出功能非常强大。此外,为了解决A rcInfo 与扩散模型的接口问题,使用Visual Basic 开发应用程序,将ArcInfo 生成的模型输入数据文件组合,并调入模型进行运算,然后将结果写入文件返回。系统留有数据采集接口和通讯端口,既可通过物理设备采集数据,又可通过远程拨号采集数据。采集的数据分类后被导入到数据库中,用户可通过交互式程序界面筛选、编辑等操作管理数据。地理信息数据加载到GIS 平台,构筑系统图形界面,模型运算后生成

18、的浓度数据(四维数组,即x,y,z,浓度c 绘制成浓度曲线分布图,再加载到GIS 图形界面当中。以点源扩散为例,系统运行结果(截取部分如图3所 示。图3 点源扩散的等浓度曲线该系统亦具备其它空气质量综合分析系统常见功能,(因篇幅有限,不作介绍。目前该系统已正式交付广州市环境监测站投入使用。整体界面采用人们熟悉的Windo ws 操作界面,简洁、个性化的工作条全面涵盖了查询操作信息,用户操作起来方便、快捷。系统能够在Client/Serve 体系结构下大分布式网络环境下运行,将原来的系统软件与新开发的GIS 软件融入同一系统平台,实现数据共享,提高工作效率;为环境管理建立了一个综合的查询平台,为

19、环境决策和管理提供了一个模拟现实的空间环境;利用GIS 组件技术很好地解决了各系统的相互融合和兼容,有效地保护了原有的软件资源,并进一步扩宽了应用领域;系统具有很强的图形编辑、操作功能,自由缩放、选择空间时间查询和定位功能,用户选定起始查询时间段后,不仅能制作出辖区各监测点污染物浓度统计图,而且能模拟辖区A PI 值分布图及A PI 值走势图,在分析空气质量的同时能很快地找出空气质量未达标的污染点及其对应的污染物超标企事业单位,极大地方便了环境管理决策者作出正确管理措施。4 结语现有的GIS 产品已有不少,并运用到各个领域,但具体到某个领域,其专业性又显得不足,因此这种将两者结合开发的运用十分有意义。空气污染扩散模型与GIS 应用的结合,国外已经进行了10多年的探索,取得了一定的进展,而我国目前仍处于起步阶段,两者的结合方式还停留在紧密结合的基础上,虽然紧密结合的开发技术难度较低,开发周期较