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        RS與ArcScene支持下的環(huán)境污染源調(diào)查研究

        2013-10-22 07:48:46
        關(guān)鍵詞:污染源土地利用污染

        彭 楓

        (重慶市環(huán)境科學(xué)研究院,重慶 401147)

        污染源是指造成環(huán)境污染的污染物發(fā)生源,通常指向環(huán)境排放有害物質(zhì)或?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生有害影響的場所、設(shè)備、裝置或人體,按屬性可分為天然污染源和人為污染源。后者指人類社會(huì)活動(dòng)所形成的污染源,是環(huán)境保護(hù)研究和控制的主要對(duì)象,也是目前環(huán)境保護(hù)工作中一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容。因此,了解一個(gè)區(qū)域的污染源現(xiàn)狀具有極其重要的作用。傳統(tǒng)中是利用人工實(shí)地調(diào)查,或者通過訪談等形式了解區(qū)域污染源狀況。這種方式簡單易行,但需要大量的人力、財(cái)力、物力,同時(shí)會(huì)占用大量時(shí)間,可謂事倍功半。隨著空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,遙感技術(shù)及其應(yīng)用研究獲得了空前發(fā)展,它以空間為信息獲取平臺(tái),具有監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、成本低,且便于進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì),此外還能發(fā)現(xiàn)用常規(guī)方法往往難以揭示的污染源及其擴(kuò)散的狀態(tài)[1]。一方面,遙感數(shù)據(jù)的獲得更加便易和廣泛(光譜分辨率和空間分辨率越來越高,波段越來越多,微波遙感實(shí)現(xiàn)了全天時(shí)、全天候的對(duì)地觀測(cè),高光譜遙感能夠更精細(xì)地研究地物的光譜特性);另一方面,遙感數(shù)據(jù)的處理也由早期的簡單光學(xué)圖像判讀發(fā)展到了數(shù)字圖像處理,由定性目視識(shí)別進(jìn)入了定量建模反演,遙感應(yīng)用也向著更廣和更深的層次發(fā)展[2-3]。在成果的展示方面,傳統(tǒng)的二維表達(dá)簡單、對(duì)數(shù)據(jù)的信息量要求相對(duì)較低,因而展示結(jié)果并不形象、美觀,有時(shí)甚至無法表達(dá)出一些特殊信息。三維形式的表達(dá)方式則可解決這一問題,能將成果直觀、生動(dòng)地表示出來,因而其運(yùn)用越來越廣泛[4]。

        1 研究區(qū)簡介及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

        研究區(qū)位于重慶市北部新區(qū),該范圍是以區(qū)域內(nèi)人和空氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為中心,2 km為半徑形成的圓形區(qū)域,總面積22.32 km2。區(qū)域內(nèi)有人和、新牌坊等大型立交,照母山市級(jí)植物園,擁有工廠、企業(yè)及商品住宅小區(qū)、辦公大樓等眾多污染源,其污染形勢(shì)不容忽視。

        本文在研究過程中主要用到遙感影像和DEM兩種基礎(chǔ)數(shù)據(jù),統(tǒng)一采用3度分帶的Gauss投影。遙感數(shù)據(jù)采用2008年拍攝的航空相片,空間分辨率1 m;DEM數(shù)據(jù)比例尺為1:10 000,空間分辨率5 m。

        2 污染源遙感調(diào)查

        2.1 土地利用現(xiàn)狀提取

        污染源遙感調(diào)查,實(shí)質(zhì)就是根據(jù)遙感影像所折射出的特征差異,根據(jù)解譯精度的相關(guān)要求,提取出感興趣的信息。本文在arc/info軟件的workstation環(huán)境下,通過目視解譯的方法提取區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型,解譯過程中使用的土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

        表1 研究區(qū)土地利用分類系統(tǒng)

        根據(jù)以上土地利用分類標(biāo)準(zhǔn),在室內(nèi)解譯與野外調(diào)查相結(jié)合的基礎(chǔ)上,提取出研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),結(jié)果見表2。

        表2 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)

        2.2 污染源提取

        根據(jù)土地利用分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的含義可知,提取出的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中,具備“污染條件”的用地類型有工業(yè)用地、住宿餐飲、商服用地、居民點(diǎn)和道路交通用地。其中有的工業(yè)用地可排放空氣污染物,如SO2,NOx,顆粒物,有的能排放出水體污染物,如重金屬、油類,致使水質(zhì)COD較高;住宿餐飲、商服用地和居民點(diǎn)則主要存在廢水排放問題,而道路交通主要是產(chǎn)生機(jī)動(dòng)車尾氣污染和噪聲污染,嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量,進(jìn)而威脅人類生命安全。

        雖然具備污染條件的用地類型并不一定是現(xiàn)實(shí)中真正的污染源,但污染源必然來源于這些具備污染條件的土地利用類型中。本文主要從宏觀角度對(duì)污染源進(jìn)行調(diào)查、展示,因此可簡單地將具備污染條件的土地當(dāng)作潛在污染源。因此,各種“污染源”的空間分布及其構(gòu)成狀況可大體折射出區(qū)域內(nèi)的污染狀況。將土地利用現(xiàn)狀中的工業(yè)用地、住宿餐飲、商服用地、居民點(diǎn)和道路交通用地提取出來,作為區(qū)域內(nèi)的主要污染源,其它用地類型作為非污染源。其空間分布狀況見圖1,各污染源構(gòu)成情況見表3。

        圖1 研究區(qū)污染源空間分布

        表3 研究區(qū)污染源構(gòu)成情況

        從表3可知,人和自動(dòng)監(jiān)測(cè)站周邊2 km區(qū)域內(nèi)污染類型最重的是機(jī)動(dòng)車道路線源污染,主要包括道路的機(jī)動(dòng)車尾氣污染和車場(站)的噪聲污染,其比例可達(dá)37%;其次是住宿餐飲、商服用地和城郊居民點(diǎn)這些具有形成潛在生活面源風(fēng)險(xiǎn)的生活源,其構(gòu)成比例達(dá)26.91%;工業(yè)污染源占6.31%,僅從單位面積比例來看,這部分不是該區(qū)域的主要污染源。圖1表明,監(jiān)測(cè)點(diǎn)本身位于商服用地之中,周邊主要用地類型是交通用地和住宿餐飲,工業(yè)用地在空間分布上相對(duì)較遠(yuǎn),這與表3得出的結(jié)論一致。

        因此,該區(qū)域內(nèi)主要的污染物應(yīng)該是機(jī)動(dòng)車尾氣污染及其伴隨的噪聲污染,其次是商業(yè)活動(dòng)、人類生活產(chǎn)生的生活源污染。因而如何采取相應(yīng)措施有效控制區(qū)域內(nèi)機(jī)動(dòng)車的尾氣排放,科學(xué)、合理地布局大型生活污染型企業(yè)便成為這一區(qū)域內(nèi)環(huán)境質(zhì)量是否得以改善的關(guān)鍵所在。

        3 數(shù)據(jù)成果三維表達(dá)

        污染源數(shù)據(jù)給二維環(huán)境提供了相應(yīng)的平面空間信息。然而,區(qū)域空氣污染是一種非常復(fù)雜的現(xiàn)象,與地形、地貌、海拔高度等因子均具有非常密切的聯(lián)系,僅了解其平面條件下的周邊環(huán)境狀況信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,必須掌握一些立體條件下的信息才可能去發(fā)現(xiàn)、解決相應(yīng)的環(huán)境污染問題。

        地理信息系統(tǒng)是空間思維工具,三維顯示與分析一直是地理信息系統(tǒng)的重要功能。ESRI在其產(chǎn)品ArcInfo中首推TIN擴(kuò)展模塊,后在Arc View GIS3.x上也推出3D Analyst擴(kuò)展模塊,都是GIS中三維功能的經(jīng)典之作。ESRI面向ArcGIS桌面系統(tǒng)(Arc View、ArcEditor、ArcInfo)推出了 ArcGIS三維分析擴(kuò)展模塊(ArcGIS 3D Analyst),其核心是ArcScene,構(gòu)筑在COM架構(gòu)上,為實(shí)現(xiàn)三維顯示與分析提供了非常靈活的手段。

        AreScene是一個(gè)適合于展示小范圍內(nèi)三維精細(xì)場景刻畫的平臺(tái)[5-8]。本項(xiàng)目在此平臺(tái)中,利用DEM數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)成果進(jìn)行三維表達(dá)。在ArcS-cene中這主要是通過合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn),其中最重要的兩個(gè)參數(shù)是Base Heights和Extrusion,兩者共同決定其最終顯示效果。Base Heights主要設(shè)置各種污染源的基礎(chǔ)高程,相當(dāng)于對(duì)各污染源圖斑進(jìn)行“絕對(duì)高度”的設(shè)置。此處該值通過與土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)精確匹配的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)獲取;Extrusion一項(xiàng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拉伸效果,類似于設(shè)置各污染源圖斑的“相對(duì)高度”。此處它通過存貯于污染源數(shù)據(jù)中具有類似Z值屬性的“樓高”字段獲取,各污染源用地類型的樓高取值見表4。

        表4 各污染類型建筑物樓高取值

        表4中的取值是通過行業(yè)經(jīng)驗(yàn)估算得到,代表的是一般情況,要表現(xiàn)真實(shí)效果,需要取得它們的真實(shí)高度值,可通過國土或規(guī)劃相關(guān)部門獲取,或野外實(shí)地調(diào)查。

        根據(jù)以上參數(shù)值,污染源數(shù)據(jù)在ArcScene中三維展示結(jié)果見圖2。

        圖2 研究區(qū)景觀三維表達(dá)(拉伸效果)

        由圖2可見,將污染源信息通過三維形式在空間展示出來,具有非常形象、生動(dòng)且美觀的效果。更重要的是,這種表達(dá)形式可使用戶對(duì)于區(qū)域內(nèi)地形條件、污染源的空間布局等一目了然。由圖可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊有一大型交通樞紐,即人和立交,這里將會(huì)長期性地大量產(chǎn)生機(jī)動(dòng)車尾氣污染。但其周邊環(huán)境卻并不利于空氣的擴(kuò)散,因?yàn)樗苓叿植加凶∷薏惋嬤@類高樓,將機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的尾氣包圍起來,進(jìn)而慢慢向附近的居民小區(qū)擴(kuò)散,因而區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量不可能很好。該點(diǎn)長期的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一結(jié)果的正確性。

        由此可知,數(shù)據(jù)成果通過三維形式進(jìn)行表達(dá),可以為了解區(qū)域內(nèi)污染物的擴(kuò)散條件,分析大氣污染的影響范圍、發(fā)展趨勢(shì),解釋相關(guān)空氣環(huán)境問題等提供一些二維表達(dá)環(huán)境下無法提供的信息,充分體現(xiàn)了它在空間數(shù)據(jù)挖掘方面的潛力和價(jià)值。

        4 結(jié) 論

        本文選取一個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為中心、半徑2 km的圓形區(qū)域?yàn)檠芯渴痉叮ㄟ^航空影像(航片)獲取其土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),快速、準(zhǔn)確地掌握了區(qū)域內(nèi)污染源的空間分布信息,充分體現(xiàn)了遙感技術(shù)在污染源調(diào)查中的優(yōu)勢(shì)。

        在成果數(shù)據(jù)展示方面,通過 ARC/INFO的ArcScene環(huán)境,對(duì)成果進(jìn)行了3D表達(dá),一方面充分體現(xiàn)了它的形象、直觀、美觀的特點(diǎn),使得成果更易于用戶接受;另一方面,三維表達(dá)也表現(xiàn)出其空間數(shù)據(jù)挖掘方面的潛力,使用戶能夠獲取更多2D表達(dá)環(huán)境下無法提供的空間信息,充分反映了它在環(huán)境管理中的潛力和巨大價(jià)值。

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