基于GIS的珠三角區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)況發(fā)布平臺介紹

徐偉嘉，尹 萌，李紅霞

1．東莞中山大學(xué)研究院，廣東 東莞 523808

2．中山大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510275

3．中山大學(xué)低碳科技與經(jīng)濟(jì)研究中心，廣東 廣州 510275

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，我國整體大氣污染日趨嚴(yán)重，特別是京津冀、長三角和珠三角等經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展地區(qū)，出現(xiàn)了不同程度的區(qū)域性大氣復(fù)合污染問題，對人群健康構(gòu)成了嚴(yán)重的危害［1-5］。目前，美國［6］、歐洲［7］和日本［8］等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建立了比較先進(jìn)的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。近年來，我國各地也陸續(xù)開展了空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與空氣質(zhì)量實(shí)況的發(fā)布工作［5，9］。2012年2月29日國家發(fā)布了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)，在原有 SO2、NO2、PM103種監(jiān)測目標(biāo)的基礎(chǔ)上新增了CO、O3、PM2.5等污染物，收窄了污染物濃度限值，監(jiān)測數(shù)據(jù)有效率標(biāo)準(zhǔn)從原來的75%增至87.5%，提高了空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性(從日報提高到實(shí)時報)?？諝赓|(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性、實(shí)時性、準(zhǔn)確性等提出了更高的要求。全國空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)面臨著從監(jiān)測設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、信息系統(tǒng)、質(zhì)量管理技術(shù)等的全面升級換代［10-11］。

以新發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)AQI技術(shù)規(guī)定》(試行)(HJ 633—2012)為依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計開發(fā)了基于GIS的珠三角區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)況發(fā)布平臺，并于2012年3月8號率先向社會公眾發(fā)布了珠江三角洲區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)況。該平臺實(shí)時發(fā)布了珠三角區(qū)域的62個監(jiān)測點(diǎn)位的SO2、NO2、CO、O3-1 h、O3-8 h、PM10、PM2.5的 24 h 滑動平均值(O3-1 h與O3-8 h為最大值)與最近1 h的實(shí)時值及AQI相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、發(fā)布全過程的自動化與網(wǎng)絡(luò)化。

1 平臺總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)平臺物理結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)平臺在物理結(jié)構(gòu)上由空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站和區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心2個部分構(gòu)成(圖1)?？諝赓|(zhì)量自動監(jiān)測站是整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)組成部分，各空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站獨(dú)立運(yùn)行完成對大氣環(huán)境要素的自動采集，向監(jiān)控中心實(shí)時報送監(jiān)測結(jié)果，接收并完成監(jiān)控中心下達(dá)的控制指令。監(jiān)控中心支撐區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)況發(fā)布平臺及其前端發(fā)布網(wǎng)站的運(yùn)行，接收來自各空氣質(zhì)量監(jiān)測站的實(shí)時數(shù)據(jù)，并為生成的實(shí)況信息提供發(fā)布服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)平臺物理結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)平臺軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)況發(fā)布平臺在軟件結(jié)構(gòu)上分為子站監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控中心平臺2個部分(圖2)。子站監(jiān)控系統(tǒng)主要具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、子站環(huán)境監(jiān)控、分析儀器狀態(tài)監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站分析儀器數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與上報。監(jiān)控中心平臺設(shè)計采用由數(shù)據(jù)存儲、業(yè)務(wù)邏輯和應(yīng)用訪問構(gòu)成典型的3層架構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)與硬件平臺的支撐下，與子站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，獲取區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)各監(jiān)測站點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)。

1.3 系統(tǒng)平臺業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流設(shè)計

區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)況發(fā)布平臺的數(shù)據(jù)流主要分為3個部分(圖3):監(jiān)測站的數(shù)據(jù)采集與報送，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接收、存儲、審核與分析，網(wǎng)站發(fā)布。區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心接收來至監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各站點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)并存入中心數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)處理階段，根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)識對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效判定(包括一般性數(shù)據(jù)審核與異常數(shù)據(jù)審核)，剔除無效數(shù)據(jù)?？臻g分析與GIS模塊將自動審核后的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，形成空氣質(zhì)量區(qū)域空間分布結(jié)果，由GIS模塊生成矢量圖層與相關(guān)的電子地圖合成為發(fā)布專題圖推送到網(wǎng)站進(jìn)行發(fā)布。

圖2 系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 系統(tǒng)平臺業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流示意圖

2 發(fā)布平臺功能設(shè)計

發(fā)布平臺由后臺管理和前端發(fā)布2個部分構(gòu)成。后臺管理是發(fā)布平臺的基礎(chǔ)支撐功能部分，為空氣質(zhì)量發(fā)布平臺提供了全面完整的后臺管理，前端發(fā)布模塊對后臺處理的結(jié)果進(jìn)行展示，豐富呈現(xiàn)了空氣質(zhì)量實(shí)況。

2.1 前端發(fā)布功能設(shè)計

平臺的前端發(fā)布模塊基于電子地圖的可視化空間分布，實(shí)現(xiàn)了對公眾實(shí)時發(fā)布珠三角區(qū)域的62個監(jiān)測點(diǎn)位的空氣質(zhì)量實(shí)況，展示了監(jiān)測因子SO2、NO2、CO、O3-1 h、O3-8h、PM10、PM2.5、AQI 的實(shí)時滾動值，同時顯示生成的區(qū)域空氣質(zhì)量狀況渲染圖。

空氣質(zhì)量實(shí)況發(fā)布平臺包括地圖瀏覽、數(shù)據(jù)列表、污染物空間分布和地圖配置等功能。地圖瀏覽實(shí)現(xiàn)地圖縮放、拖動、瀏覽等功能;數(shù)據(jù)列表展示了監(jiān)測站點(diǎn)的具體位置及其類型;污染物空間分布顯示了各種監(jiān)測因子的24 h滑動平均值(O3-1h與O3-8h為最大值)與最近1 h的實(shí)時值及AQI的相關(guān)情況，包括最近24 h的AQI、空氣質(zhì)量級別、首要污染物、健康指引以及建議采取的措施;地圖配置為平臺提供了2種地圖的選擇方式，包括地形圖與交通圖。

2.2 后臺管理功能設(shè)計

2.2.1 監(jiān)測網(wǎng)站點(diǎn)管理與編輯

監(jiān)測網(wǎng)站點(diǎn)的管理與編輯包括站點(diǎn)管理、站點(diǎn)信息管理和站點(diǎn)參數(shù)管理等功能。管理人員可進(jìn)行發(fā)布站點(diǎn)的增加與刪除操作;站點(diǎn)相關(guān)信息配置管理，包括站點(diǎn)名稱、站點(diǎn)位置、聯(lián)系人、聯(lián)系方式、站點(diǎn)圖片的編輯等;站點(diǎn)監(jiān)測參數(shù)管理包括參數(shù)種類配置與管理。

2.2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與保證

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與保證包括對SO2、NO-NO2-NOx、O3和CO等多種污染物分析儀的遠(yuǎn)程零點(diǎn)檢查、跨度檢查、精度檢查、檢查多點(diǎn)、零點(diǎn)校準(zhǔn)、跨度校準(zhǔn)等功能，并能對質(zhì)控操作執(zhí)行率及生成的質(zhì)控報告進(jìn)行管理。還具有遠(yuǎn)程控制、站房巡檢、質(zhì)檢管理、標(biāo)氣傳遞、流量傳遞、臭氧標(biāo)準(zhǔn)傳遞和有效期查詢等功能。

2.2.3 數(shù)據(jù)審核與管理

數(shù)據(jù)審核實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的審核與管理，包括數(shù)據(jù)自動審核、對自動審核功能的配置與管理、人工審核以及自動生成報表等功能。數(shù)據(jù)自動審核功能可以滿足AQI小時值數(shù)據(jù)的實(shí)時滾動發(fā)布要求;對數(shù)據(jù)審核過濾與篩選的規(guī)則和條件進(jìn)行人工設(shè)置和管理;可對監(jiān)測子站的污染物濃度值進(jìn)行查詢、審核、修改和保存。自動生成報表功能提供了包括珠三角區(qū)域年報、季報、月報、日報等報表的生成功能，且可導(dǎo)出為excel表格。

2.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、分析與統(tǒng)計等功能，包括時間序列分析、空間渲染分析與后向軌跡分析3個部分。

2.2.4.1 時間序列分析

時間序列分析包括空氣質(zhì)量過程分析、城市空氣質(zhì)量狀況查詢、空氣質(zhì)量報表、基礎(chǔ)查詢4個部分的內(nèi)容:空氣質(zhì)量過程分析實(shí)現(xiàn)對發(fā)布的24 h和1 h實(shí)時數(shù)據(jù)提供單站點(diǎn)多監(jiān)測因子和多站點(diǎn)多監(jiān)測因子查詢功能，生成序列圖，分析各污染物的時間變化特征及相關(guān)性;城市空氣質(zhì)量狀況查詢，實(shí)現(xiàn)對各監(jiān)測因子監(jiān)測值的查詢以及對城市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)AQI當(dāng)前情況與歷史狀況的查詢;空氣質(zhì)量報表，包括空氣質(zhì)量日報表以及周、月報表的自動生成，并提供導(dǎo)出與打印功能;基礎(chǔ)查詢主要包括發(fā)布數(shù)據(jù)濃度值、AQI與分指數(shù)查詢等。

2.2.4.2 后向軌跡分析

系統(tǒng)的后向軌跡分析功能是基于GIS平臺展示超級站及相關(guān)常規(guī)站點(diǎn)的歷史后向軌跡狀況?；赪ebGIS技術(shù)，在電子地圖上繪制出相應(yīng)時間尺度內(nèi)的后向軌跡曲線。該模塊的主要功能:數(shù)據(jù)智能下載，具備無人值守每日自動更新下載氣團(tuán)后向軌跡數(shù)據(jù)，存入指定數(shù)據(jù)庫;軌跡分析功能可選擇站點(diǎn)、日期，對其進(jìn)行 24、48、72、144 h的任意后推后向軌跡分析操作。

2.2.4.3 空間渲染分析

平臺的空間渲染模塊為管理人員提供區(qū)域空氣質(zhì)量空間分析動態(tài)插值與渲染功能，直觀地展示空氣質(zhì)量實(shí)時空間分布特征，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測因子的空氣質(zhì)量空間分析動態(tài)插值渲染功能，直觀地展示了區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)時空間分布特征。平臺的空間渲染模塊需要根據(jù)各站點(diǎn)的小時值、日均值等實(shí)時生成污染物濃度空間渲染圖，利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

2.2.5 發(fā)布配置與監(jiān)控

發(fā)布配置與監(jiān)控包括站點(diǎn)配置、情況監(jiān)控、發(fā)布故障報警和發(fā)布配置等功能。實(shí)現(xiàn)對發(fā)布站點(diǎn)的選擇;查看當(dāng)前發(fā)布情況列表及過去24 h發(fā)布數(shù)據(jù)的曲線圖;發(fā)布故障報警，包括對數(shù)據(jù)缺數(shù)、數(shù)據(jù)異常、發(fā)布文件生成錯誤或缺失等情況以郵件、短信等方式進(jìn)行報警;實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)發(fā)布時間的配置和管理以及數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)的時間設(shè)置管理能力。

2.2.6 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理實(shí)現(xiàn)平臺訪問與管理的分級管理功能，包括用戶管理和權(quán)限管理等功能。實(shí)現(xiàn)基本的用戶添加、刪除功能;對用戶使用與數(shù)據(jù)操作權(quán)限的管理和配置，實(shí)現(xiàn)平臺的多級權(quán)限管理機(jī)制。

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1 GIS插值技術(shù)

珠江三角洲區(qū)域監(jiān)測因子的監(jiān)測值是離散的，為了展示整個區(qū)域的空氣質(zhì)量狀況，需要將未知數(shù)據(jù)地區(qū)的污染物濃度值利用插值方法得出［12］。ArcGIS提供了反距離權(quán)重插值法、樣條函數(shù)法、克里金法等一些特定用途的空間插值函數(shù)。經(jīng)過優(yōu)化模擬可知，反距離權(quán)重插值法的結(jié)果能更好地反映珠三角地區(qū)的實(shí)際污染情況。

反距離權(quán)重插值以插值點(diǎn)與實(shí)際觀測樣本點(diǎn)之間的距離為權(quán)重，權(quán)重貢獻(xiàn)與距離呈反比［13-14］。其計算公式:

式中:Z為插值點(diǎn)屬性值;Z(xi)為第i個實(shí)測樣本值;n為參與計算的實(shí)測樣本數(shù);di為插值點(diǎn)與第i個站點(diǎn)間的距離;p為指定的冪。

反距離權(quán)重插值法要求對受影響的局部控制點(diǎn)有清楚的認(rèn)識，且其結(jié)論直接受到采樣點(diǎn)數(shù)值的影響，采樣點(diǎn)越多，對局部的真實(shí)反映越強(qiáng)，利用反距離權(quán)重插值法所確定的污染范圍就越準(zhǔn)確［13］。

將監(jiān)測區(qū)域在圖上網(wǎng)格化，以監(jiān)測到的離散點(diǎn)的污染濃度數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)，運(yùn)用反距離權(quán)重插值法插值計算出網(wǎng)格每一個節(jié)點(diǎn)污染物濃度值，從而將離散點(diǎn)的污染物濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整個區(qū)域的曲面數(shù)據(jù)，進(jìn)而為空間渲染做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

3.2 GP模型渲染技術(shù)

利用ArcGIS提供的GeoProcessing(簡稱GP)功能模塊，構(gòu)建空間分析的地理處理模型，自動執(zhí)行、記錄及共享多步驟過程(即工作流)，自動執(zhí)行空間分析任務(wù)，實(shí)現(xiàn)流程自動化，保障了逐時滾動發(fā)布濃度值的實(shí)時性［15］。

GP模型主要完成監(jiān)測區(qū)域內(nèi)污染物空間分布的渲染，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測值的逐時、日均、年均值的空間分布分析與渲染［16］。

如圖4所示，實(shí)現(xiàn)污染物的空間分析與渲染的主要過程:①獲得區(qū)域各監(jiān)測站點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等信息，并通過圖層處理模型生成監(jiān)測點(diǎn)位圖層;②利用反距離插值模型結(jié)合空間分析邊界信息、監(jiān)測點(diǎn)位圖層和污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)計算生成污染物空間分布圖;③將污染物空間分布圖與珠三角區(qū)域電子地圖進(jìn)行疊加并結(jié)合污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)生成污染物空間分布專題圖。

圖4 污染物空間渲染模型流程圖

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)自動審核技術(shù)

3.3.1 基礎(chǔ)概念

修正:為了使發(fā)布的數(shù)據(jù)盡量科學(xué)合理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

修約:通常作為計算結(jié)果的最后一步處理，主要是處理小數(shù)位的問題。監(jiān)測濃度數(shù)據(jù)采用四舍五入的方式修約;AQI的修約則在24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果修約后的基礎(chǔ)上進(jìn)行，最后采用進(jìn)一法。

8 h及24 h均值濃度的統(tǒng)計:基于原始數(shù)據(jù)及修正后的數(shù)據(jù)(若已修正)進(jìn)行統(tǒng)計平均;因缺數(shù)而延續(xù)的值不再重復(fù)參與相應(yīng)時段均值統(tǒng)計。

3.3.2 小時值數(shù)據(jù)修正規(guī)定

每小時的半點(diǎn)直接從監(jiān)測站取回 SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10、CO 6 個項(xiàng)目的小時均值數(shù)據(jù)。各項(xiàng)目數(shù)據(jù)的修正規(guī)定如表1所示。

3.3.3 滑動均值計算方法

O3滑動8 h均值(O3-8 h滑動均值)計算方法:當(dāng)前小時的前8 h內(nèi)O3小時濃度的算術(shù)平均值。若前8 h的O3小時濃度均為無效數(shù)據(jù)時，則按滑動均值缺失處理。

滑動24 h均值計算方法:當(dāng)前小時的前24 h內(nèi)某污染物小時均值的算術(shù)平均值。若前24 h的小時均值均為無效數(shù)據(jù)時，則不計算該小時24 h滑動均值，顯示為“—”。

各項(xiàng)目計算24 h滑動值方法:①SO2、NO2、PM2.5、PM104個項(xiàng)目采用24 h內(nèi)有效的原始數(shù)據(jù)(未經(jīng)過四舍五入)及修正后的數(shù)據(jù)(若已經(jīng)修正)求平均值，對結(jié)果采用四舍五入法并取整后作為24 h滑動值。②O3、O3-8 h 2個項(xiàng)目采用24 h內(nèi)有效的原始數(shù)據(jù)(未經(jīng)過四舍五入)及修正后的數(shù)據(jù)(若已經(jīng)修正)求最大值，對結(jié)果采用四舍五入法并取整后作為24 h滑動值。③CO項(xiàng)目采用24 h內(nèi)有效的原始數(shù)據(jù)(未經(jīng)過四舍五入)及修正后的數(shù)據(jù)(若已經(jīng)修正)求平均值，對結(jié)果采用四舍五入法并保留3位小數(shù)后作為24 h滑動值。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用 Microsoft Visual Studio．NET 2010開發(fā)，GIS平臺采用Web ArcGIS 10.0。系統(tǒng)以組件形式集成了城市電子地圖，展現(xiàn)了各自動監(jiān)測站點(diǎn)的空間分布情況以及各站點(diǎn)的詳細(xì)信息。

系統(tǒng)采用了主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server2008，該數(shù)據(jù)庫引擎可為實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)提供安全可靠的存儲，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速備份與恢復(fù)，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)安全要求。支持多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及海量數(shù)據(jù)管理，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的擴(kuò)散功能。

客戶端開發(fā)采用PC機(jī)，CPU為 Intel Core Duo 2.93 HZ，內(nèi)存2 G，硬盤 500 GB。

服務(wù)端服務(wù)器配置:CPU為Intel Xeon 5600，內(nèi)存為8 G，硬盤為2TB。

5 結(jié)語

根據(jù)空氣質(zhì)量實(shí)況發(fā)布和新標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)和要求，建立了珠三角區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)況發(fā)布平臺，特點(diǎn):實(shí)時發(fā)布、覆蓋范圍廣，逐小時實(shí)時滾動發(fā)布珠三角區(qū)域的62個監(jiān)測點(diǎn)位的空氣質(zhì)量實(shí)況;發(fā)布內(nèi)容全面，涵蓋新標(biāo)準(zhǔn)的所有指標(biāo)SO2、NO2、CO、O3-1 h、O3-8 h、PM10、PM2.5、AQI，不僅發(fā)布區(qū)域整體污染形勢，還能實(shí)況顯示具體點(diǎn)位的逐小時監(jiān)測結(jié)果，提供出行與健康指引;應(yīng)用GIS技術(shù)進(jìn)行插值與渲染，直觀地展示空氣質(zhì)量實(shí)時空間分布特征，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測因子的空氣質(zhì)量空間分析動態(tài)插值渲染功能，直觀地展示了區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)時空間分布特征;基于后臺管理模塊，不僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、儲存、處理等功能，而且建立了應(yīng)對突發(fā)狀況的報警功能。

［1］鄭君瑜，張禮俊，鐘流舉，等．珠江三角洲大氣面源排放清單及空間分布特征［J］．中國環(huán)境科學(xué)，2009，29(5):455-460．

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