基于GIS的環(huán)評可視化系統(tǒng)在環(huán)評中的應(yīng)用

摘要：基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的環(huán)評可視化系統(tǒng)能夠以地圖疊加顯示的方式，準(zhǔn)確直觀地模擬有關(guān)建設(shè)項(xiàng)目的污染物擴(kuò)散對周邊環(huán)境的影響，因此在環(huán)境影響評價中有著非常重要的應(yīng)用。通過引入環(huán)評實(shí)例，介紹了一個基于地理信息系統(tǒng)開發(fā)的環(huán)評可視化系統(tǒng)在大氣環(huán)境、地面水環(huán)境及聲環(huán)境環(huán)評中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 地理信息系統(tǒng)；可視化；環(huán)境影響評價

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）22-0232-04

Abstract：By using the map overlay displaying， the GIS-based environmental impact assessment （EIA） visualization system can accurately and visually simulate the evaluation of the potential impacts on the emanating pollution from the concerned construction item， so it has very important application in EIA. With some true EIA examples， a GIS-based EIA visualization system is introduced to show its application in the EIA of the atmospheric environment， the surfacewater environment and the noise environment.

Key words：Geographic information system（GIS）；visualization； environmental impact assessment （EIA）；

1 概述

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一個管理、存儲、查詢、分析與顯示地理數(shù)據(jù)的計算機(jī)系統(tǒng)，基于GIS的環(huán)評可視化系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確、直觀地顯示建設(shè)項(xiàng)目污染物排放的擴(kuò)散情況，分析其對周邊環(huán)境敏感區(qū)域的影響，因此在環(huán)境評價工作中有著非常重要的作用[1-5]。

在目前的基于GIS環(huán)評可視化研究中，主要局限于少數(shù)離散點(diǎn)的環(huán)評計算，并且在可視化顯示中是通過調(diào)用專用等值線生成軟件來實(shí)現(xiàn)等值線生成。能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)心區(qū)域內(nèi)海量點(diǎn)的污染物濃度場計算，并將其可視化生成等值線圖及區(qū)域填充圖的系統(tǒng)仍很少。要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，存在著三個難點(diǎn)：1）環(huán)評關(guān)心區(qū)域輪廓線提取及區(qū)域內(nèi)計算網(wǎng)格生成問題；2）區(qū)域污染物濃度計算問題；3）區(qū)域計算結(jié)果的可視化顯示問題。

本文介紹了一個自行開發(fā)的基于GIS環(huán)評可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)在Mapinfo地理信息系統(tǒng)上二次開發(fā)獲得，成功地解決了上述難點(diǎn)問題并在環(huán)評實(shí)踐中取得很好的效果。

2基于GIS環(huán)評可視化系統(tǒng)的功能模塊

基于GIS的環(huán)評可視化系統(tǒng)主要包括大氣環(huán)境環(huán)評模塊、地面水環(huán)境環(huán)評模塊及噪聲環(huán)境環(huán)評模塊，如圖1所示。

2.1 大氣環(huán)境環(huán)評模塊

本模塊是依據(jù)國家大氣環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則[6]進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目大氣環(huán)境影響評價計算。如圖2所示，主要包括污染物源強(qiáng)計算、煙氣舉升高度計算、點(diǎn)污染源影響預(yù)測計算、面污染源影響預(yù)測計算、線污染源影響預(yù)測計算、多源疊加污染物影響預(yù)測計算及衛(wèi)生防護(hù)距離的計算。本模塊計算的大氣常規(guī)污染物包括：二氧化硫、顆粒物（TSP、PM10）、二氧化氮、一氧化碳等污染物，按形態(tài)可分為顆粒污染物與氣態(tài)污染物，其中粒徑小于15μm的顆粒物視為氣態(tài)污染物。

其中的點(diǎn)污染源是指煙囪等距地面一定高度的集中排放固定點(diǎn)狀源。面污染源是指在一定區(qū)域范圍內(nèi)，以低矮密集的方式自地面或近地面的高度排放污染物的源，如工藝過程中的無組織排放、儲存堆、渣場等排放源。線污染源是指污染物呈線狀排放或者由移動點(diǎn)源構(gòu)成線狀排放的污染源，如城市道路的機(jī)動車排放源等。

2.2 地面水環(huán)境環(huán)評模塊

本模塊依據(jù)國家地面水環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則[7]進(jìn)行廠礦等建設(shè)項(xiàng)目的地面水環(huán)境影響評價。如圖3所示，主要包括建設(shè)項(xiàng)目污染物排放點(diǎn)下游河流關(guān)心點(diǎn)處的污染物濃度預(yù)測計算、污染物岸邊排放后河流沿程污染物濃度變化計算、河流污染物總量控制排放量計算等。本模塊計算的地面水環(huán)境污染物包括四類，1）持久性污染物：是指在地面水中很難分解、揮發(fā)的無機(jī)鹽、重金屬等污染物；2）非持久性污染物：是指在地面水中可逐漸減少的耗氧有機(jī)物污染物；3）酸堿污染物：指各種廢酸廢堿等污染物，其主要水質(zhì)參數(shù)是污染物的PH值；4）廢熱：指由排放廢熱水所引起的污染，其水質(zhì)參數(shù)是水溫。

本模塊的評價對象主要為河流，依據(jù)河流的地理屬性將其分為平直河流與彎曲河流兩類，采用不同的評價數(shù)學(xué)模型進(jìn)行污染物擴(kuò)散計算。

2.3 噪聲環(huán)境環(huán)評模塊

本模塊依據(jù)國家聲環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則[8]進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境噪聲影響評價。如圖4所示，主要包括公路建設(shè)項(xiàng)目周邊噪聲預(yù)測、高架高速公路及城市快速道路建設(shè)項(xiàng)目周邊噪聲預(yù)測、城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目周邊噪聲預(yù)測、機(jī)場航線周圍飛機(jī)噪聲預(yù)測及工業(yè)企業(yè)建設(shè)項(xiàng)目周邊噪聲預(yù)測。在公路及高架高速公路噪聲預(yù)測中，其污染源為行駛的機(jī)動車。在城市軌道交通與機(jī)場航線噪聲預(yù)測中，其污染源分別為地面軌交車輛及飛機(jī)。上述污染源均為線源，而工業(yè)企業(yè)噪聲預(yù)測中的污染源為機(jī)器設(shè)備等點(diǎn)污染源。

本模塊中的評價對象為建設(shè)項(xiàng)目周邊一定距離內(nèi)的噪聲關(guān)心區(qū)域，其長度依據(jù)環(huán)評導(dǎo)則制定。

2.4 可視化顯示模塊

本模塊是讀取前述模塊計算得到的區(qū)域污染物分布TAB表，將濃度場可視化后生成可視化圖層，將可視化圖層與關(guān)心區(qū)域背景圖層疊加顯示，供環(huán)評人員分析研究并得出環(huán)評結(jié)果。如圖5所示，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)大氣環(huán)境環(huán)評中的點(diǎn)源、線源及面源關(guān)心區(qū)域的污染物濃度可視化，地面水環(huán)境環(huán)評中的岸邊排放污染物沿河流流向擴(kuò)散濃度的可視化，噪聲環(huán)境環(huán)評中公路、高架道路、城市地面軌道交通、機(jī)場周圍及工礦企業(yè)周邊的噪聲可視化。

3基于GIS環(huán)評可視化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)基于GIS的環(huán)評可視化系統(tǒng)，需要解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題：1）評價關(guān)心區(qū)域輪廓線提取與區(qū)域內(nèi)計算網(wǎng)格生成；2）區(qū)域內(nèi)污染物濃度場的計算；3）污染物濃度場的可視化。

3.1 基于笛卡爾切割單元法的環(huán)評關(guān)心區(qū)域內(nèi)計算網(wǎng)格生成

評價關(guān)心區(qū)域網(wǎng)格生成的步驟為：1）評價關(guān)心區(qū)域輪廓線提?。?）基于笛卡爾切割單元法的區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格生成；3）基于污染物濃度分布的網(wǎng)格加密與稀疏。

笛卡爾切割單元法是一種近年來發(fā)展起來的復(fù)雜區(qū)域計算網(wǎng)格剖分方法，其基本思想是采用笛卡爾背景網(wǎng)格與實(shí)體輪廓線求交以得到切割單元網(wǎng)格及輪廓線內(nèi)網(wǎng)格 [1，4]。無論是大氣環(huán)評還是地面水環(huán)評或聲環(huán)境環(huán)評，其評價關(guān)心區(qū)域均由一組封閉線段構(gòu)成，關(guān)心區(qū)域輪廓線集由下式表示：

式中：C為關(guān)系區(qū)域輪廓線集；（xi， yi）為某一輪廓線段端點(diǎn)；

基于笛卡爾切割單元法的計算網(wǎng)格生成過程是采用背景網(wǎng)格與關(guān)心區(qū)域輪廓線集合中的線段逐一求交，其結(jié)果由輪廓內(nèi)網(wǎng)格單元與邊界切割網(wǎng)格單元組成。在完成切割后，背景網(wǎng)格被分成輪廓線內(nèi)網(wǎng)格、輪廓線外網(wǎng)格及邊界切割網(wǎng)格三類，而其中的輪廓線外網(wǎng)格作為無用網(wǎng)格需加以刪除。在刪除無用網(wǎng)格過程中，首先需要判斷哪些背景網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)被輪廓線集包圍。如采用常用的點(diǎn)與多邊形包含關(guān)系判斷算法，則對于折線段數(shù)量巨大的復(fù)雜關(guān)心區(qū)域存在著判斷效率低下的缺點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)采用了基于凸包的點(diǎn)集與多邊形包含關(guān)系判斷方法得到被關(guān)心區(qū)域輪廓線集包圍的背景網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)集，并將除該節(jié)點(diǎn)集以外的背景網(wǎng)格刪除。圖6所示為采用笛卡爾切割單元法生成的河道關(guān)心區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格，圖7所示為采用局部加密算法后得到的非結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格。

3.2 區(qū)域污染物濃度計算

目前使用的環(huán)評技術(shù)導(dǎo)則僅適用于針對關(guān)心點(diǎn)的環(huán)評計算，對于關(guān)心區(qū)域大數(shù)據(jù)場的計算還存在著需要人工查表的瓶頸。例如大氣環(huán)境評價中有風(fēng)時擴(kuò)散參數(shù)σy、σz的確定就需要人工查表，聲環(huán)境環(huán)評中屏障引起的衰減量Abar需要根據(jù)聲程差δ值按500赫茲時噪聲衰減量Abar與聲程差δ關(guān)系曲線圖來人工確定，這些問題導(dǎo)致現(xiàn)有環(huán)評導(dǎo)則無法滿足區(qū)域環(huán)評污染物計算的需要。針對這一情況，本系統(tǒng)采用了數(shù)表信息化的方法，將需要人工查詢的表格進(jìn)行曲線擬合，以滿足區(qū)域計算需求。曲線擬合中采用最小二乘法，將數(shù)表擬合為一或多條直線。設(shè)需要擬合的數(shù)表中的自變量為x，因變量為y。則對于每一條直線有直線方程 ，設(shè)第i個數(shù)據(jù)中，與實(shí)際值y有誤差：

將每一數(shù)表中的x，y值代入上式，即可求得該直線相應(yīng)的j、k，從而得到數(shù)表擬合后的直線方程。

3.3 環(huán)評計算結(jié)果的可視化顯示

對于區(qū)域計算得到的關(guān)心區(qū)域污染物濃度場，需要對其進(jìn)行可視化，生成專門的可視化圖層并將其與背景地圖疊加顯示，以供環(huán)評人員分析判斷?？梢暬姆椒òㄎ廴疚餄舛鹊戎稻€圖與區(qū)域污染物濃度拓?fù)涮畛鋄2，3]。

在大氣環(huán)評中可視化顯示中一個突出問題是不同風(fēng)向的顯示問題。大氣環(huán)境評價導(dǎo)則中規(guī)定了16種風(fēng)向，對于典型日內(nèi)相同環(huán)評參數(shù)而僅僅是點(diǎn)源位置不同或不同風(fēng)向情況下的可視化顯示，如果重復(fù)進(jìn)行污染物濃度場計算及等值線與區(qū)域填充生成將造成不必要的浪費(fèi)。因此本系統(tǒng)采用了圖形幾何變換的方法，首先假設(shè)評價區(qū)域內(nèi)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)檎黠L(fēng)，將計算得到的等值點(diǎn)坐標(biāo)值存入專門的等值點(diǎn)TAB表或區(qū)域填充TAB表中，當(dāng)了解了某一風(fēng)向下污染物的擴(kuò)散情況后，又需要觀察典型日內(nèi)相同評價參數(shù)不同風(fēng)向下的污染物濃度分布時，則不需要再進(jìn)行耗費(fèi)時間的計算，直接將已生成的等值點(diǎn)表或區(qū)域填充表進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變化即可，避免了大量的重復(fù)計算。其坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式為：

4應(yīng)用實(shí)例

4.1大氣環(huán)評中的應(yīng)用

本系統(tǒng)在建設(shè)項(xiàng)目大氣環(huán)境評價中，可計算點(diǎn)源、線源與面源排放源按一定排放速率排放時污染物在大氣中的擴(kuò)散情況。圖8所示為典型日24小時內(nèi)點(diǎn)源二氧化硫污染物排放關(guān)心區(qū)域內(nèi)濃度等值線圖，圖中黑色五角星處為排放點(diǎn)，其關(guān)心區(qū)域?yàn)殚L度兩公里的正方形區(qū)域。排氣筒高度為25米，風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)向，風(fēng)速為6米/秒。圖9所示為將圖8的等值線圖層與城市地圖圖層疊加顯示后的結(jié)果，能夠使得環(huán)評人員清晰直觀地分析建設(shè)項(xiàng)目對周圍環(huán)境的影響。圖10所示為線源西風(fēng)向關(guān)心區(qū)域污染物濃度拓?fù)涮畛鋱D層與背景地圖疊加顯示的效果，其線源長度為500米，關(guān)心區(qū)域長度為1000米，風(fēng)速為6米/秒。

4.2地面水環(huán)境環(huán)評中的應(yīng)用

本系統(tǒng)在建設(shè)項(xiàng)目地面水環(huán)境評價中，可計算河流關(guān)心點(diǎn)處污染物濃度以及建設(shè)項(xiàng)目岸邊排放污染物沿河流流向擴(kuò)散的情況。圖11所示為河流非持久性污染物COD（化學(xué)需氧量）沿程變化污染物濃度填充圖層與河流背景地圖疊加顯示的效果。其環(huán)評類型為平直河流點(diǎn)源岸邊排放，圖中黑色五角星處為排放點(diǎn)，污染物濃度填充圖中的顏色映射基于國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[9]。圖中河道中顏色最淺區(qū)域?yàn)槲词芪廴镜暮拥溃欧劈c(diǎn)下游顏色最深區(qū)域?yàn)榛旌线^程段COD濃度大于40mg/l的Ⅴ類地表水區(qū)域，排放口下游河道顏色較淺區(qū)域?yàn)槌浞只旌隙蝺?yōu)于Ⅳ類地表水區(qū)域。

5結(jié)論與展望

基于GIS的環(huán)評可視化系統(tǒng)能夠直觀地顯示建設(shè)項(xiàng)目污染物排放對周邊環(huán)境的影響，極大地提高了環(huán)評的準(zhǔn)確、效率與實(shí)時性，在大氣環(huán)境、地面水環(huán)境與聲環(huán)境環(huán)價中都有著廣泛的應(yīng)用。目前比較成熟的是二維計算與可視化，隨著系統(tǒng)的不斷完善，在準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上擴(kuò)展至三維大氣、地面水及噪聲環(huán)評，將大大提高本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

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