基于WebGIS的城市空氣質(zhì)量時(shí)空演變動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)研究

方蕓++閆超

摘要：空氣質(zhì)量問題是影響和制約我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一，也影響到我們每個(gè)人的生活。論文基于國家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的全國各地市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，針對一個(gè)基于WebGIS的時(shí)空演變動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論。該方式豐富了空氣質(zhì)量時(shí)空變化的呈現(xiàn)形式，并可以為各級環(huán)保部門提供輔助決策支持。

關(guān)鍵詞：WebGIS；空氣質(zhì)量；時(shí)空演變；可視化；Mapv

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044（2016）20-0205-03

Abstract： As the main factor influencing and limiting the economic sustainable development in China， air quality has immediate impact on everyone. Based on the data published by the Ministry of Environmental Protection of Peoples Republic of China， this paper discusses the design and implementation of a WebGIS-based dynamic visualization system of the temporal and spatial evolution of air quality. Our methods enrich the presentation mode of air quality， and can provide decision support for environmental protection departments.

Key words： WebGIS； air quality； temporal and spatial evolution； visualization； Mapv

1 背景

空氣質(zhì)量問題是影響和制約我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一，也影響到我們每個(gè)人的生活。為了對空氣質(zhì)量進(jìn)行防治監(jiān)控，目前環(huán)保部門已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對各類重點(diǎn)空氣污染物的監(jiān)控，并提供了空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI，Air Quality Index）對各地的空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行評估，同時(shí)結(jié)合GIS技術(shù)對各地的空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行了一些初步的可視化。然而，這些可視化方式存在方式單一、實(shí)時(shí)性差，不夠直觀，不能反映時(shí)空演變等問題。如用戶可以實(shí)時(shí)地了解某個(gè)時(shí)刻、某個(gè)城市的空氣質(zhì)量情況，但很難直觀地對當(dāng)前全國各城市的空氣質(zhì)量進(jìn)行全局比較，也很難對某一時(shí)間段內(nèi)空氣質(zhì)量的變化進(jìn)行直觀的了解。

國內(nèi)外有很多研究者將信息可視化的技術(shù)運(yùn)用到空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的可視化上。廖志芳[1]等提出了一個(gè)基于Web的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)，利用平行坐標(biāo)、GIS地圖、日歷圖以及時(shí)間序列圖等多種試圖對空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了較為直觀的分析。李寧[2]采用層次結(jié)構(gòu)及時(shí)間序列數(shù)據(jù)結(jié)合的可視化方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)城市空氣質(zhì)量可視化系統(tǒng)。但上述兩種方式都沒有對空氣質(zhì)量時(shí)空演變的可視化進(jìn)行研究。李文杰[3]等針對2001年-2010年的北京、天津和石家莊三市的空氣污染指數(shù)日報(bào)數(shù)據(jù)對其時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析，但并未對可視化方法進(jìn)行探討。

本文給出了一個(gè)基于WebGIS的空氣質(zhì)量時(shí)空演變動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)，通過自動(dòng)抓取國家環(huán)保局?jǐn)?shù)據(jù)中心的各城市每小時(shí)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，結(jié)合百度地圖服務(wù)，以動(dòng)態(tài)地方式實(shí)現(xiàn)全國或局部地市的空氣質(zhì)量時(shí)空演變可視化。該方式豐富了空氣質(zhì)量時(shí)空變化的呈現(xiàn)形式，并可以為各級環(huán)保部門提供輔助決策支持。

2 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理

本文研究的數(shù)據(jù)來源為國家環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心發(fā)布的以小時(shí)為單位的全國各主要城市的空氣質(zhì)量指數(shù)，主要污染物等數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡(luò)抓取技術(shù)，我們采集了從2014年1月1日0時(shí)至2016年2月19日23時(shí)的347萬條數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有如下特點(diǎn)：

1）數(shù)據(jù)時(shí)空性。本文采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)同時(shí)含有地理位置和時(shí)間屬性。其中，地理位置屬性數(shù)據(jù)涵蓋到地市級范圍；時(shí)間屬性具體某天的每個(gè)小時(shí)，這為分析各城市的空氣質(zhì)量時(shí)空演變提供了方便；

2）數(shù)據(jù)量大。海量的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)是進(jìn)行可視化的基礎(chǔ)。然而，海量的數(shù)據(jù)也給數(shù)據(jù)的存儲和查詢等帶來了一定的困難。針對這種情況，本文采用了MySQL數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，并通過建立索引等數(shù)據(jù)庫優(yōu)化技術(shù)對查詢性能進(jìn)行了優(yōu)化。

3）數(shù)據(jù)冗余性。以行政區(qū)劃為例，當(dāng)前國家環(huán)境保護(hù)部的數(shù)據(jù)中心中提供了對全國367個(gè)城市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測與實(shí)時(shí)發(fā)布，但本文采集到的數(shù)據(jù)中共有401個(gè)城市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。針對這一問題，我們借助百度地圖提供的API，對一些無效或已經(jīng)不再使用的地理位置名稱進(jìn)行過濾，從而保證了數(shù)據(jù)與當(dāng)前行政區(qū)劃的一致性。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于百度地圖服務(wù)與地圖可視化框架Mapv實(shí)現(xiàn)，主要分為地圖服務(wù)模塊、時(shí)空數(shù)據(jù)查詢模塊和存儲管理三個(gè)部分，如圖 1所示。

其中，存儲管理模塊負(fù)責(zé)采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的管理。考慮到空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用Mysql關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲和管理。地圖服務(wù)分為基礎(chǔ)地圖服務(wù)和地圖可視化兩個(gè)部分?；A(chǔ)地圖服務(wù)采用百度地圖提供的基于JavaScript的API進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；地圖可視化采用Mapv開源框架進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。時(shí)空數(shù)據(jù)查詢模塊主要提供了空氣質(zhì)量的地理位置信息和時(shí)間屬性數(shù)據(jù)的查詢接口。

3.2 區(qū)域著色實(shí)現(xiàn)

為了直觀地了解和分析空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，我們依據(jù)環(huán)保部制定的著色標(biāo)準(zhǔn)[4]，如表1所示，將不同數(shù)值的空氣質(zhì)量指數(shù)以相應(yīng)的顏色覆蓋到對應(yīng)的行政區(qū)域。

區(qū)域著色采用了Mapv框架實(shí)現(xiàn)。Mapv是一款基于百度地圖的大數(shù)據(jù)可視化開源庫[5]，可用來展示大量的點(diǎn)、線、面的數(shù)據(jù)，并為每種數(shù)據(jù)提供了不同的展示類型，如熱力圖、網(wǎng)格、聚合等。本文采用Mapv框架實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量指數(shù)的按行政區(qū)域著色，關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

區(qū)域的邊界數(shù)據(jù)通過異步調(diào)用百度地圖的Boudary類的get方法實(shí)現(xiàn)。為了避免每次區(qū)域著色都發(fā)送請求，本文定義了專門的模塊，一次性獲取了所有行政區(qū)域的邊界數(shù)據(jù)，并將其存入數(shù)據(jù)庫，只在第一次訪問Web頁面時(shí)加載邊界數(shù)據(jù)，從而大大提高了系統(tǒng)的訪問速度。圖 2所示為2016年2月19日5時(shí)各城市空氣質(zhì)量指數(shù)的區(qū)域著色效果。

3.3 時(shí)空演變可視化實(shí)現(xiàn)

本文采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)同時(shí)含有時(shí)間和空間屬性，這為我們實(shí)現(xiàn)時(shí)空演變的可視化提供了方便。時(shí)空演變的可視化主要通過前端以一定的時(shí)間間隔向后臺發(fā)送請求，然后將請求的數(shù)據(jù)通過mapv著色實(shí)現(xiàn)。具體的流程如圖 3所示：

本文以2016年2月8日（農(nóng)歷除夕）全國各地市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)為例，以小時(shí)為單位，對其時(shí)空演變過程進(jìn)行了可視化，具體效果如圖 4和圖 5所示。從圖中可以非常直觀地看出各地市空氣質(zhì)量隨時(shí)間變化的情況。

4 結(jié)束語

本文基于國家環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心公布的全國各地市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，針對一個(gè)可以反映空氣質(zhì)量時(shí)空演變的動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討，達(dá)到了以直觀的反應(yīng)全國以及具體某個(gè)區(qū)域的空氣質(zhì)量時(shí)空演變的目的。

未來的工作主要集中在以下兩個(gè)方面：1）嘗試增加主要空氣污染物等屬性，實(shí)現(xiàn)更高維的時(shí)空演變可視化；2）引入氣象數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行相關(guān)性分析。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廖志芳， 彭燕妮. AirVis： 一個(gè)基于Web的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 2015， 51（15）：174-178.

[2] 李寧. 城市空氣質(zhì)量可視化系統(tǒng)的研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)， 2015.

[3] 李文杰， 張時(shí)煌. 京津石三市空氣污染指數(shù)（API）的時(shí)空分布特征及其與氣象要素的關(guān)系[J]. 資源科學(xué)， 2012， 34（8）： 1392-1400.

[4] 環(huán)境保護(hù)部. HJ633-2012 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)—環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）[S]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2012-02-29.

[5] Mapv Homepage[EB/OL]. http：//mapv.baidu.com.