RS與ArcScene支持下的環(huán)境污染源調(diào)查研究

彭 楓

（重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147）

污染源是指造成環(huán)境污染的污染物發(fā)生源，通常指向環(huán)境排放有害物質(zhì)或?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生有害影響的場所、設(shè)備、裝置或人體，按屬性可分為天然污染源和人為污染源。后者指人類社會活動所形成的污染源，是環(huán)境保護(hù)研究和控制的主要對象，也是目前環(huán)境保護(hù)工作中一項重要的工作內(nèi)容。因此，了解一個區(qū)域的污染源現(xiàn)狀具有極其重要的作用。傳統(tǒng)中是利用人工實地調(diào)查，或者通過訪談等形式了解區(qū)域污染源狀況。這種方式簡單易行，但需要大量的人力、財力、物力，同時會占用大量時間，可謂事倍功半。隨著空間技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)及其應(yīng)用研究獲得了空前發(fā)展，它以空間為信息獲取平臺，具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低，且便于進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢，此外還能發(fā)現(xiàn)用常規(guī)方法往往難以揭示的污染源及其擴(kuò)散的狀態(tài)［1］。一方面，遙感數(shù)據(jù)的獲得更加便易和廣泛（光譜分辨率和空間分辨率越來越高，波段越來越多，微波遙感實現(xiàn)了全天時、全天候的對地觀測，高光譜遙感能夠更精細(xì)地研究地物的光譜特性）；另一方面，遙感數(shù)據(jù)的處理也由早期的簡單光學(xué)圖像判讀發(fā)展到了數(shù)字圖像處理，由定性目視識別進(jìn)入了定量建模反演，遙感應(yīng)用也向著更廣和更深的層次發(fā)展［2－3］。在成果的展示方面，傳統(tǒng)的二維表達(dá)簡單、對數(shù)據(jù)的信息量要求相對較低，因而展示結(jié)果并不形象、美觀，有時甚至無法表達(dá)出一些特殊信息。三維形式的表達(dá)方式則可解決這一問題，能將成果直觀、生動地表示出來，因而其運用越來越廣泛［4］。

1 研究區(qū)簡介及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

研究區(qū)位于重慶市北部新區(qū)，該范圍是以區(qū)域內(nèi)人和空氣環(huán)境自動監(jiān)測點為中心，2 km為半徑形成的圓形區(qū)域，總面積22.32 km2。區(qū)域內(nèi)有人和、新牌坊等大型立交，照母山市級植物園，擁有工廠、企業(yè)及商品住宅小區(qū)、辦公大樓等眾多污染源，其污染形勢不容忽視。

本文在研究過程中主要用到遙感影像和DEM兩種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一采用3度分帶的Gauss投影。遙感數(shù)據(jù)采用2008年拍攝的航空相片，空間分辨率1 m；DEM數(shù)據(jù)比例尺為1：10 000，空間分辨率5 m。

2 污染源遙感調(diào)查

2.1 土地利用現(xiàn)狀提取

污染源遙感調(diào)查，實質(zhì)就是根據(jù)遙感影像所折射出的特征差異，根據(jù)解譯精度的相關(guān)要求，提取出感興趣的信息。本文在arc／info軟件的workstation環(huán)境下，通過目視解譯的方法提取區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型，解譯過程中使用的土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 研究區(qū)土地利用分類系統(tǒng)

根據(jù)以上土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，在室內(nèi)解譯與野外調(diào)查相結(jié)合的基礎(chǔ)上，提取出研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計

2.2 污染源提取

根據(jù)土地利用分級標(biāo)準(zhǔn)中的含義可知，提取出的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中，具備“污染條件”的用地類型有工業(yè)用地、住宿餐飲、商服用地、居民點和道路交通用地。其中有的工業(yè)用地可排放空氣污染物，如SO2，NOx，顆粒物，有的能排放出水體污染物，如重金屬、油類，致使水質(zhì)COD較高；住宿餐飲、商服用地和居民點則主要存在廢水排放問題，而道路交通主要是產(chǎn)生機動車尾氣污染和噪聲污染，嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量，進(jìn)而威脅人類生命安全。

雖然具備污染條件的用地類型并不一定是現(xiàn)實中真正的污染源，但污染源必然來源于這些具備污染條件的土地利用類型中。本文主要從宏觀角度對污染源進(jìn)行調(diào)查、展示，因此可簡單地將具備污染條件的土地當(dāng)作潛在污染源。因此，各種“污染源”的空間分布及其構(gòu)成狀況可大體折射出區(qū)域內(nèi)的污染狀況。將土地利用現(xiàn)狀中的工業(yè)用地、住宿餐飲、商服用地、居民點和道路交通用地提取出來，作為區(qū)域內(nèi)的主要污染源，其它用地類型作為非污染源。其空間分布狀況見圖1，各污染源構(gòu)成情況見表3。

圖1 研究區(qū)污染源空間分布

表3 研究區(qū)污染源構(gòu)成情況

從表3可知，人和自動監(jiān)測站周邊2 km區(qū)域內(nèi)污染類型最重的是機動車道路線源污染，主要包括道路的機動車尾氣污染和車場（站）的噪聲污染，其比例可達(dá)37%；其次是住宿餐飲、商服用地和城郊居民點這些具有形成潛在生活面源風(fēng)險的生活源，其構(gòu)成比例達(dá)26.91%；工業(yè)污染源占6.31%，僅從單位面積比例來看，這部分不是該區(qū)域的主要污染源。圖1表明，監(jiān)測點本身位于商服用地之中，周邊主要用地類型是交通用地和住宿餐飲，工業(yè)用地在空間分布上相對較遠(yuǎn)，這與表3得出的結(jié)論一致。

因此，該區(qū)域內(nèi)主要的污染物應(yīng)該是機動車尾氣污染及其伴隨的噪聲污染，其次是商業(yè)活動、人類生活產(chǎn)生的生活源污染。因而如何采取相應(yīng)措施有效控制區(qū)域內(nèi)機動車的尾氣排放，科學(xué)、合理地布局大型生活污染型企業(yè)便成為這一區(qū)域內(nèi)環(huán)境質(zhì)量是否得以改善的關(guān)鍵所在。

3 數(shù)據(jù)成果三維表達(dá)

污染源數(shù)據(jù)給二維環(huán)境提供了相應(yīng)的平面空間信息。然而，區(qū)域空氣污染是一種非常復(fù)雜的現(xiàn)象，與地形、地貌、海拔高度等因子均具有非常密切的聯(lián)系，僅了解其平面條件下的周邊環(huán)境狀況信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須掌握一些立體條件下的信息才可能去發(fā)現(xiàn)、解決相應(yīng)的環(huán)境污染問題。

地理信息系統(tǒng)是空間思維工具，三維顯示與分析一直是地理信息系統(tǒng)的重要功能。ESRI在其產(chǎn)品ArcInfo中首推TIN擴(kuò)展模塊，后在Arc View GIS3.x上也推出3D Analyst擴(kuò)展模塊，都是GIS中三維功能的經(jīng)典之作。ESRI面向ArcGIS桌面系統(tǒng)（Arc View、ArcEditor、ArcInfo）推出了 ArcGIS三維分析擴(kuò)展模塊（ArcGIS 3D Analyst），其核心是ArcScene，構(gòu)筑在COM架構(gòu)上，為實現(xiàn)三維顯示與分析提供了非常靈活的手段。

AreScene是一個適合于展示小范圍內(nèi)三維精細(xì)場景刻畫的平臺［5－8］。本項目在此平臺中，利用DEM數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)成果進(jìn)行三維表達(dá)。在ArcS－cene中這主要是通過合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)來實現(xiàn)，其中最重要的兩個參數(shù)是Base Heights和Extrusion，兩者共同決定其最終顯示效果。Base Heights主要設(shè)置各種污染源的基礎(chǔ)高程，相當(dāng)于對各污染源圖斑進(jìn)行“絕對高度”的設(shè)置。此處該值通過與土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)精確匹配的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行自動獲?。籈xtrusion一項是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的拉伸效果，類似于設(shè)置各污染源圖斑的“相對高度”。此處它通過存貯于污染源數(shù)據(jù)中具有類似Z值屬性的“樓高”字段獲取，各污染源用地類型的樓高取值見表4。

表4 各污染類型建筑物樓高取值

表4中的取值是通過行業(yè)經(jīng)驗估算得到，代表的是一般情況，要表現(xiàn)真實效果，需要取得它們的真實高度值，可通過國土或規(guī)劃相關(guān)部門獲取，或野外實地調(diào)查。

根據(jù)以上參數(shù)值，污染源數(shù)據(jù)在ArcScene中三維展示結(jié)果見圖2。

圖2 研究區(qū)景觀三維表達(dá)（拉伸效果）

由圖2可見，將污染源信息通過三維形式在空間展示出來，具有非常形象、生動且美觀的效果。更重要的是，這種表達(dá)形式可使用戶對于區(qū)域內(nèi)地形條件、污染源的空間布局等一目了然。由圖可知，監(jiān)測點周邊有一大型交通樞紐，即人和立交，這里將會長期性地大量產(chǎn)生機動車尾氣污染。但其周邊環(huán)境卻并不利于空氣的擴(kuò)散，因為它周邊分布有住宿餐飲這類高樓，將機動車產(chǎn)生的尾氣包圍起來，進(jìn)而慢慢向附近的居民小區(qū)擴(kuò)散，因而區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量不可能很好。該點長期的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)也證實了這一結(jié)果的正確性。

由此可知，數(shù)據(jù)成果通過三維形式進(jìn)行表達(dá)，可以為了解區(qū)域內(nèi)污染物的擴(kuò)散條件，分析大氣污染的影響范圍、發(fā)展趨勢，解釋相關(guān)空氣環(huán)境問題等提供一些二維表達(dá)環(huán)境下無法提供的信息，充分體現(xiàn)了它在空間數(shù)據(jù)挖掘方面的潛力和價值。

4 結(jié) 論

本文選取一個自動監(jiān)測站點為中心、半徑2 km的圓形區(qū)域為研究示范，通過航空影像（航片）獲取其土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，快速、準(zhǔn)確地掌握了區(qū)域內(nèi)污染源的空間分布信息，充分體現(xiàn)了遙感技術(shù)在污染源調(diào)查中的優(yōu)勢。

在成果數(shù)據(jù)展示方面，通過 ARC／INFO的ArcScene環(huán)境，對成果進(jìn)行了3D表達(dá)，一方面充分體現(xiàn)了它的形象、直觀、美觀的特點，使得成果更易于用戶接受；另一方面，三維表達(dá)也表現(xiàn)出其空間數(shù)據(jù)挖掘方面的潛力，使用戶能夠獲取更多2D表達(dá)環(huán)境下無法提供的空間信息，充分反映了它在環(huán)境管理中的潛力和巨大價值。

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