GIS支持下的pm2.5污染擴散顯示系統(tǒng)

張凱

摘要：針對鄭州市大氣污染防治中PM2.5污染這一熱點問題，采取分層架構(gòu)、功能引導、模塊劃分的設計思路，以GIS技術為支撐，基于VS平臺使用C#語言編程，結(jié)合TE的二次開發(fā)技術，實現(xiàn)對鄭州轄區(qū)的PM2.5污染情況進行定量分析、二三維可視化呈現(xiàn)、趨勢預測和控制輔助決策，為環(huán)保部門決策和疾病預防提供理論依據(jù)和技術支撐。

關鍵詞： GIS 顯示 控制 預測 Surfer

PM2.5 pollution diffusion display system supported by GIS

Zhang Kai

Shijiazhuang mechanized infantry academy

Abstract：Aiming at the hot issue of atmospheric pollution protection about PM2.5 in Zheng Zhou， this topic will take layered architecture， function guiding and module partition designed ideas. It supported by GIS technology， based on VS 2010 platform and used of C# programming language. The topic also combined with secondary development technology of TE implementation. It can realize the quantitative analysis in2D&3D visualization rendering， trend prediction and control of power plant auxiliary decision making to the PM 2.5 pollution. The main purpose is to providetheoretical evidence and technical supporting for environment protection department's decision making and disease prevention.

Key words：GIS revealcontrol forecast Surfer

1概述

河南省作為全國第一人口大省，用電量巨大，但由于地處內(nèi)陸，煤炭資源豐富，電力供應絕大多數(shù)依靠火電，霧霾已成為人們的健康殺手。鄭州市作為河南的省會城市，空氣污染十分嚴重，空氣質(zhì)量常年“爆表”，污染問題亟待解決。

本文以鄭州市為例，探究鄭州市內(nèi)13座火電站的污染排放對市區(qū)各地PM2.5（主要指二氧化硫、氮氧化物和懸浮顆粒三種污染物）的影響，并繪制等值線圖，形象地顯示各種污染物的變化情況，以便對市區(qū)空氣質(zhì)量變化趨勢進行分析、預測。

設計的總體布局為“數(shù)據(jù)+算法+前臺展示”；首先使用XML數(shù)據(jù)加工處理技術對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫設計，再將加工好的數(shù)據(jù)提供給Surfer軟件，利用軟件自帶的等值線算法生產(chǎn)等值線圖，并對圖形的顯示進行一系列調(diào)整，增強圖形對數(shù)據(jù)的表現(xiàn)力。最后在開發(fā)環(huán)境中使用C#語言編寫WinForm應用程序，作為系統(tǒng)的前臺展示部分，通過Active X Automation接口編程調(diào)用Surfer的繪圖功能，快速、批量生成繪圖，從而在界面上進行顯示。

2研究背景和現(xiàn)狀

空氣污染監(jiān)測是一個復雜的系統(tǒng)工程，它不但需要對海量的實時數(shù)據(jù)進行快速處理，更牽涉到不同部門、不同領域。隨著在網(wǎng)絡傳輸、軟件開發(fā)和大數(shù)據(jù)等領域的許多技術難題得以攻克，越來越多的空氣污染監(jiān)測系統(tǒng)被研發(fā)出來，為環(huán)保、電力部門對空氣污染進行監(jiān)測和控制提供了有力的技術支持。

各類污染監(jiān)測系統(tǒng)種類繁雜，其實現(xiàn)方法各不相同，但在設計思路上大同小異，都是結(jié)合了編程語言與功能軟件的相應功能來對系統(tǒng)進行實現(xiàn)的。目前在PM2.5污染防治和檢測中，GIS技術運用較局限，大都運用于分析，沒有利用GIS可視化的優(yōu)點對PM2.5進行實時監(jiān)測，將污染情況顯示到地圖上。

本文針對這一突破口進行創(chuàng)新，在地理信息系統(tǒng)中直觀形象地展示鄭州地區(qū)13座火力發(fā)電站對空氣質(zhì)量的影響情況，以便電力、環(huán)保部門查詢和分析，進而制定相應的手段措施應對空氣污染。

3基于XML的PM2.5污染數(shù)據(jù)庫設計

鄭州市一共有13個火力發(fā)電站，本文只考慮假設火電站產(chǎn)生的灰分Dust、硫化物SO2以及氮化物NOx三種污染物，而忽略汽車尾氣等其他因素對環(huán)境產(chǎn)生的惡劣影響。鄭州市市區(qū)包含有9個PM2.5的監(jiān)測點，分別是：市環(huán)保局院內(nèi)監(jiān)測站、鄭州煙廠、醫(yī)學院、鄭紡機、省銀行學校、西開發(fā)區(qū)供水公司、經(jīng)開區(qū)管委會、鄭東新區(qū)47中校內(nèi)和崗李水庫（黃河邊）。為了首先了解火電站數(shù)據(jù)會產(chǎn)生什么影響，構(gòu)建基于XML的污染數(shù)據(jù)庫模塊，設計中僅考慮13個電站產(chǎn)生的污染物會對環(huán)境產(chǎn)生影響。

本模塊對XML數(shù)據(jù)庫的設計，考慮到是基于使用XMLSpy的數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具，它具有工業(yè)界標準的XML專業(yè)開發(fā)環(huán)境，支持Unicode、多字符集，支持Well-formed和Validated兩種類型的XML文檔，同時也具有很強大的樣式表設計功能，它可以利用圖形化的XML文檔編輯手段，將污染因素的文本信息及結(jié)構(gòu)直觀的呈現(xiàn)給用戶。XMLSpy在不需要直接編寫XML代碼的情況下，利用編輯器可視化編輯功能會自動生成和定義需要的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

在建立數(shù)據(jù)庫過程中，分別根據(jù)電站實際位置和監(jiān)測點位置，建立電站表和監(jiān)測點表，數(shù)據(jù)選擇2016年1月1號零時零分和2016年1月8號零時零分，由于數(shù)據(jù)量比較大，僅以該時間點的數(shù)據(jù)進行分析參考，并以此構(gòu)建數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)查詢舉例。構(gòu)建基于XML的污染數(shù)據(jù)庫[ZZPM25_Dev]。對數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造，先構(gòu)建了一個Schema的模型模板，如圖3-3所示，是block字段的相關詳細信息，具體包括位置信息、污染信息以及13個電站的具體權(quán)重貢獻率。

對每個監(jiān)測站而言，13個電站對它都會產(chǎn)生污染貢獻率，確定這個監(jiān)測點的準確位置，能得到13個電站三種污染物的權(quán)重。對已建好的XML數(shù)據(jù)庫ZZPM25_Dev，利用索引來對XML數(shù)據(jù)庫進行查詢優(yōu)化。

4基于Surfer的PM2.5污染等值線設計與實現(xiàn)

Surfer軟件可以通過OLEDB、ODBC或其他方式鏈接任何被MS支持的數(shù)據(jù)庫。因為本文所要處理的數(shù)據(jù)量巨大，為了便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作，先將數(shù)據(jù)庫文件轉(zhuǎn)換為Excel的表格文件，在場景窗口中，通過“網(wǎng)格”—“數(shù)據(jù)”選項，在對話框中選擇已經(jīng)從數(shù)據(jù)庫中處理好的數(shù)據(jù)文件打開，并按需求修改網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息。點擊生成的等值線圖，左下方會出現(xiàn)屬性管理器，在這里可以對等值線圖的各種屬性進行修改，包括常規(guī)、層次、圖層、坐標系和信息等。

4.1 鄭州地區(qū)三維地圖與等值線圖疊加顯示

1、選取鄭州地區(qū)地圖作為基底圖，地圖范圍為“112.6698°E—114.2152°E，34.25367°N— 34.99295°N”，通過“圖形”—“新建”—“基底圖”選項，選擇合適的圖片文件作為基底圖。

2、生成該地區(qū)某一時刻某種污染物濃度等值線圖，在屬性管理器中選擇“圖層”選項，將不透明度按需求調(diào)整為45%。

3、將等值線圖與基底圖疊加，首先在“編輯”工具中選擇“全選”將等值線圖與基底圖全部選中，然后在“圖形”工具中選擇“按坐標疊加圖形”，完成疊加。

4.2 單污染物同高度等值線圖設計

本文選取二氧化硫、氮氧化物和灰塵等三種污染物，選取2016年1月1日0時至2016年1月2日23時期間的鄭州市污染物濃度數(shù)據(jù)，每一個小時為一個時間節(jié)點，共48個時間節(jié)點，選取0、2、4、6、10、20、30、40、50、100、150、200等12個高度節(jié)點，共1728張等值線圖。本部分不僅可以實現(xiàn)用戶對單污染物同高度等值線的查詢，也為動態(tài)演示模塊提供材料。

1、選取數(shù)據(jù)庫中海拔為0、時刻為2016年1月1日0時的數(shù)據(jù)，保存為PM25Value _H0_2012-1-1-0.bln。

2、生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)， X軸、Y軸分別選擇經(jīng)度緯度，Z軸選擇二氧化硫數(shù)據(jù)，網(wǎng)格化算法選擇克里金插值法。

3、等值線設計，生成等值線后，打開屬性管理器，分別設置最小等值線為-0.02，最大等值線為0.32，等值線間隔為0.02，主要等值線間隔為5，填充等值線顏色選擇為Rainbow，選擇比色刻度尺。

氮氧化物和灰塵的等值線圖同理可得。

4.3 單污染物多高度等值線圖設計

以2016年1月1日12時、灰塵數(shù)值為例，分別選取0、50、100、150、200海拔高度，在同一繪圖場景下生成五張等值線圖并進行堆疊。

通過“圖形”—“添加”—“刻度尺”選項，添加海拔高度刻度尺，并通過屬性管理器調(diào)整刻度尺屬性。將生成的所有等值線圖拖動至對應的海拔高度，通過“圖形”—“水平對準圖形選項”將所有圖形排列在同一豎直面內(nèi)。

4.4 利用C#語言調(diào)用Surfer軟件實現(xiàn)等值線圖的自動化生成

僅在 “112.6698°E—114.2152°E，34.25367°N— 34.99295°N”的范圍內(nèi)，48小時內(nèi)就產(chǎn)生1萬多條數(shù)據(jù)，可想系統(tǒng)如果投入使用，這么大的數(shù)據(jù)量僅靠人工是難以完成的，所以本文在人工生成等值線圖的基礎上進一步研究如何利用C#語言調(diào)用Surfer軟件按需求自動生成上述的各種等值線圖。

4.4.1由表格文件生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)

（1）創(chuàng)建Surfer應用

（2）設置相應參數(shù)

包括定義軟件地址、數(shù)據(jù)文件地址、文件路徑、表單名等。

（3）設置文件路徑

（4）設置表單名

（5）處理二氧化硫數(shù)據(jù)

處理氮氧化物和灰塵數(shù)據(jù)同理可得。

4.4.2數(shù)據(jù)生成等值線圖

（1）設置相應參數(shù)

包括定義軟件地址、網(wǎng)格文件命名、圖片文件命名等。

（2）添加基礎地圖

（3）加載網(wǎng)格文件

（4）網(wǎng)格文件和圖片文件命名

（5）顯示色柱和添加顏色填充

（6）設置等值線平滑和透明度

（7）導出等值線圖

處理氮氧化物和灰塵數(shù)據(jù)同理可得。

5GIS支撐下的PM2.5污染擴散顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

GIS系統(tǒng)，是構(gòu)架在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）和計算機輔助設計（CAD）兩個軟件基礎之上，并加入了強大的空間數(shù)據(jù)管理、分析功能的一種系統(tǒng)。本系統(tǒng)的開發(fā)正是基于此點，使用C#語言調(diào)用TerraExplorer軟件的控件，進行二次開發(fā)，來獲取系統(tǒng)的3D顯示窗口。

5.1 系統(tǒng)運行環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)軟件：Skyline Terra Explorer Pro、Visual Studio 2010

系統(tǒng)開發(fā)語言： C#

運行平臺：Windows7及以上版本

數(shù)據(jù)庫：SQL Server 2008 R2

5.2 系統(tǒng)界面

5.2.1主界面

主界面是用戶借以完成各項操作的主要用戶交互界面，其主要包含以下幾個部分：

菜單和工具條：用戶通過菜單和工具條調(diào)用系統(tǒng)的各項命令，或選取某種工具，進行鼠標或鍵盤的交互操作。

圖形顯示區(qū)域：該區(qū)域主要用于進行地圖、專題圖等圖形的顯示，并完成選擇、編輯、查詢、分析等操作的鼠標或鍵盤交互。

顯示控制窗口：用于對顯示要素的疊加順序、顯示狀態(tài)進行控制。

屬性數(shù)據(jù)窗口：用于顯示和處理查詢結(jié)果集合中的屬性數(shù)據(jù)。

狀態(tài)顯示窗口：用于顯示狀態(tài)信息、視點位置、姿態(tài)信息以及查詢或分析的結(jié)果數(shù)據(jù)。

5.2.2數(shù)據(jù)處理界面

5.2.3AQI預測界面

AQI預測界面其主要功能是，根據(jù)當前的PM2.5數(shù)據(jù)情況，參照未來天氣條件，采用ARIMA、趨勢外推和BP神經(jīng)算法等相關算法，對未來一段時間空氣質(zhì)量情況進行預測，以便為相關部門制定生產(chǎn)計劃提供依據(jù)，為人們的日常生活出行提供參考。

6結(jié)束語

本文采用分層架構(gòu)的總體思路，以功能為指引，將系統(tǒng)模塊化；在開發(fā)過程中，采用UML對系統(tǒng)進行了進一步的設計；在具體實現(xiàn)時，以GIS技術為支撐，基于VS2010提供的.NET框架，使用C#語言進行程序編寫，依托TE的二次開發(fā)技術，成功實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、污染呈現(xiàn)、動態(tài)展示、污染擴散、前后對比等功能。

通過監(jiān)測污染源，借助直觀形象的GIS，對其進行PM2.5污染情況顯示控制，可以為電力部門在電廠選址、污染物排放點源位置選擇等問題上提供輔助決策信息，并協(xié)助環(huán)保部門對大氣污染進行更加科學的治理。

由于系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量十分巨大，到達千萬數(shù)量級，所以導致系統(tǒng)進行業(yè)務處理時可能會出現(xiàn)等待時間較長的現(xiàn)象，使軟件的整體效率和用戶體驗打折扣。為解決此問題，可從以下兩方面進行系統(tǒng)優(yōu)化升級：

優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如改進算法，優(yōu)化數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)等；

引入云處理技術，將煩雜耗時的部分置于云內(nèi)，利用云端強大的處理能力，縮短系統(tǒng)總體的運行時間。

參考文獻：

[1]徐藝斐.鄭州市灰霾與PM2.5污染水平及火電排放源對大氣環(huán)境的影響分析[D]鄭州大學，2012.

[2]劉瑞兵.GIS和SURFER軟件在城市大氣污染空間分析中的應用——以沂南縣城區(qū)SO2為例[D].青島大學，2007：1-3.

[3] 劉樹濤. Native XML數(shù)據(jù)庫存儲研究[D].中國石油大學，2008.

[4] SQL Server 2005及以上版本中XML操作函數(shù)詳解[EB∕OL]

http：//www.poorren.com/sql-server-2005-xml/comment-page-1/

[5]蔡明.基于多層架構(gòu)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)中設計模式的應用[J].電腦知識與技術，2010年24期：6669-6670.

[6] 胡頡. 我國PM2.5的污染現(xiàn)狀及監(jiān)測[J]，城市建設理論研究（電子版），2013，（24）

[7] 白世彪，王建，常直楊. Surfer 10地學計算機制圖[M].北京：科學出版社，2012

[8] 劉燁焜. 基于VB與Surfer氣象要素等值線圖形繪制[J]，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2014，（3）：93—94