基于GIS技術(shù)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化

程家盼

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基于GIS技術(shù)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化

程家盼

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，北京 100071）

隨著當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，以可吸入顆粒物、SO2、NOX、CO、O3等為主要污染物的空氣質(zhì)量問題日益嚴(yán)重，人們的生產(chǎn)、生活與大氣環(huán)境、空氣質(zhì)量的關(guān)系也日益密切。提出利用先進(jìn)的AcrGIS平臺(tái)及空氣質(zhì)量觀測(cè)資料，對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析的研究思路，根據(jù)某地區(qū)逐年逐日的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，研究地區(qū)空氣質(zhì)量狀況及時(shí)空分布特征，以可視化的方法對(duì)污染源、排放清單、污染物分布特征進(jìn)行研究分析，并為當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境控制管理、規(guī)劃等提供科學(xué)的依據(jù)。

GIS技術(shù)；數(shù)據(jù)挖掘；數(shù)據(jù)可視化；空氣質(zhì)量

1 概述

近年來我國(guó)地區(qū)城市空氣污染加劇，城市大氣污染的主要表現(xiàn)是霧霾污染，給人們的生活和健康都帶來了很嚴(yán)重的影響?？諝馕廴局饕ㄟ^人體接觸到污染物后受到傷害、食用含有大氣污染物的食物和水、吸入污染的空氣三條途徑危害人體。世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國(guó)環(huán)境組織發(fā)表的一份報(bào)告指出：“空氣污染已成為全世界城市居民生活中一個(gè)無法逃避的現(xiàn)實(shí)[1]”。城市工業(yè)化的發(fā)展越來越快，伴隨著為人類創(chuàng)造巨大財(cái)富的同時(shí)，也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題，并給城市的和諧發(fā)展、人類的健康生活帶來了巨大的災(zāi)難。

空氣污染作為一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)問題，它不僅要考慮到自然與人類的人為排放，更要涉及到當(dāng)?shù)貧庀?、氣候等條件的影響。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化，不僅包括污染類型、污染程度、分布區(qū)域、危害波及人數(shù)等各種海量的具體數(shù)據(jù)，還要基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以直觀交互的方式增強(qiáng)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)效果，以發(fā)現(xiàn)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)中所隱藏的關(guān)系、特征和模式[2]。

GIS作為一門融合了地理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等為一體的新興學(xué)科，是對(duì)空間對(duì)象及其屬性信息進(jìn)行采集編輯、存儲(chǔ)、分析與顯示輸出的大數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[3]。GIS可以在城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化的研究中作為輸入數(shù)據(jù)處理器，另外，GIS中一個(gè)重要的統(tǒng)計(jì)分析模塊能夠?qū)敵鰯?shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，并對(duì)結(jié)果進(jìn)一步分析，進(jìn)行相關(guān)查詢和對(duì)成果的可視化輸出。

本文提出了以AcrGIS為基礎(chǔ)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化思路，充分發(fā)揮其空間分析和可視化的優(yōu)勢(shì)，對(duì)掌握空氣質(zhì)量在時(shí)空維度的發(fā)展變化趨勢(shì)，為城市大氣污染的控制和管理工作提供了理論依據(jù)和技術(shù)路線。

2 基于GIS的大氣污染監(jiān)測(cè)分析對(duì)象

GIS空間分析是指獲取空間數(shù)據(jù)中有關(guān)地理對(duì)象的空間位置、分布、形態(tài)、形成和演變等信息并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響空氣質(zhì)量的不同要素之間的相互關(guān)系是GIS空間分析的最終目的[3]。GIS的空間分析總體上可以分為基于柵格數(shù)據(jù)和基于矢量數(shù)據(jù)兩大類的空間分析?；跂鸥駭?shù)據(jù)的空間分析包括柵格疊加分析、緩沖分析、鄰域分析、窗口分析和地形分析；基于矢量數(shù)據(jù)的空間分析包括矢量地理查詢、緩沖分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、地形分析、鄰域分析等。

而基于GIS的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析的分析對(duì)象主要是AQI（城市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)），AQI是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)，參與評(píng)價(jià)的分別是SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3等6項(xiàng)污染物。AQI等級(jí)與人們的外出活動(dòng)關(guān)系如表1所示。

3 基于GIS 技術(shù)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化

3.1 大氣污染擴(kuò)散模擬

大氣污染擴(kuò)散模擬是指利用數(shù)學(xué)模型，定量模擬計(jì)算了大氣污染物時(shí)空分布及擴(kuò)散遷移狀況的一種方法[3]。

在前期數(shù)據(jù)處理階段，GIS技術(shù)能夠更加合理、更高精度地建立模型。它不僅可以采集、管理海量的空氣質(zhì)量及污染數(shù)據(jù)，還能以不同的比例尺、投影方式、精度及格式等將這些數(shù)據(jù)按照模型的需求反饋給我們所建立的模型。另外，GIS技術(shù)還能夠輕易地將點(diǎn)源、線源及面源等污染源提取出來。在數(shù)據(jù)的后期處理及結(jié)果輸出顯示階段，GIS技術(shù)極大程度上豐富了大氣污染擴(kuò)散模擬研究的結(jié)果表達(dá)形式，它能夠以數(shù)值、圖形圖像、報(bào)表等多種不同的形式進(jìn)行輸出顯示。

3.2 排放清單及污染物分析

大氣污染源排放清單是指某地區(qū)、某類型、某時(shí)間大氣污染物排放等信息完整全面的數(shù)據(jù)庫(kù)，完整的排放清單包括了SO2、NOX、CO、NH3、VOC、TSP、PM10、PM2.5等所有常規(guī)的大氣污染物種類[5]。建立污染物排放清單的目的是搞清楚污染物的排放量，為空氣質(zhì)量的模擬、預(yù)警提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，定量分析各類污染源的貢獻(xiàn)，制訂空氣質(zhì)量改善措施，同時(shí)也是有效建立排污許可證和排污權(quán)交易制度、提升環(huán)保部門管理能力與管理水平的前提。

在收集已有排放源數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以利用GIS技術(shù)對(duì)污染源位置及污染物排放量、濃度等建立網(wǎng)格模型，繼而估算分析污染源及污染物的空間分布，能夠準(zhǔn)確完善地形成該地區(qū)多尺度、高時(shí)空分辨率的大氣污染源排放清單。

3.3 空氣質(zhì)量空間可視化

GIS技術(shù)在空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化中的最大優(yōu)勢(shì)就是能夠做到空間的可視化。例如某個(gè)城市或區(qū)域的污染時(shí)空分布，通過GIS技術(shù)可以清晰地看到此城市或區(qū)域的時(shí)空分布特征及趨勢(shì)。污染源的可視化就是把污染點(diǎn)源的具體坐標(biāo)位置、線源的方位走向、面源的分布范圍等利用電腦數(shù)字圖形技術(shù)，以圖形方式直觀地在屏幕上表示出來。

表1 AQI與人們活動(dòng)之間的關(guān)系

AQI數(shù)值級(jí)別顏色影響建議措施 0～50一級(jí)綠色令人滿意可正常活動(dòng) 51～100二級(jí)黃色只有少數(shù)有較弱影響應(yīng)適當(dāng)減少戶外活動(dòng) 101～150三級(jí)橙色可能會(huì)出現(xiàn)刺激性癥狀減少長(zhǎng)時(shí)間戶外鍛煉 151～200四級(jí)紅色可能會(huì)對(duì)心臟、呼吸系統(tǒng)有影響避免長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的戶外鍛煉 201～300五級(jí)紫色心臟病和肺病患者癥狀顯著加劇應(yīng)減少戶外活動(dòng) 大于301六級(jí)褐紅色可能會(huì)提前出現(xiàn)某種疾病避免戶外活動(dòng)

4 結(jié)束語

本文利用先進(jìn)的ArcGIS平臺(tái)對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析，研究海量空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間等不同維度的特征和影響，同時(shí)結(jié)合其他氣象資料，揭示不同地區(qū)在不同時(shí)間、空間尺度下的污染物排放狀況、空氣污染狀況以及空氣質(zhì)量等級(jí)的變化發(fā)展規(guī)律等，為當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境控制管理、規(guī)劃等提供科學(xué)的依據(jù)。

［1］武裝，覃愛明.基于大數(shù)據(jù)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化［J］.廣角鏡，2015（3）：249-251.

［2］雷寶.基于大數(shù)據(jù)的探索性空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)分析［J］.電子世界，2017（16）：5-6.

［3］牟文君.基于GIS的城市大氣污染分析方法［J］.甘肅科技，2014，30（01）：46-48.

［4］劉瑞兵.GIS和SURFER軟件在城市大氣污染空間分析中的應(yīng)用［D］.青島：青島大學(xué)，2007.

［5］張曉郁，陳振飛，徐文哲.ArcGIS在大氣污染源排放清單建立中的應(yīng)用研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2017，42（01）：135-139.

2095－6835（2018）18－0118－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.118

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕