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)濟貿(mào)易大學，北京 100071）

隨著當代社會經(jīng)濟的持續(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。提出利用先進的AcrGIS平臺及空氣質(zhì)量觀測資料，對空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進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)量狀況及時空分布特征，以可視化的方法對污染源、排放清單、污染物分布特征進行研究分析，并為當?shù)卮髿猸h(huán)境控制管理、規(guī)劃等提供科學的依據(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)合國環(huán)境組織發(fā)表的一份報告指出：“空氣污染已成為全世界城市居民生活中一個無法逃避的現(xiàn)實[1]”。城市工業(yè)化的發(fā)展越來越快，伴隨著為人類創(chuàng)造巨大財富的同時，也帶來了嚴重的環(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。

空氣污染作為一個很復雜的系統(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?shù)貧庀?、氣候等條件的影響。在環(huán)境監(jiān)測領(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)進行綜合分析，以直觀交互的方式增強空氣質(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、計算機科學等為一體的新興學科，是對空間對象及其屬性信息進行采集編輯、存儲、分析與顯示輸出的大數(shù)據(jù)處理計算機系統(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中一個重要的統(tǒng)計分析模塊能夠?qū)敵鰯?shù)據(jù)進行綜合處理，并對結(jié)果進一步分析，進行相關(guān)查詢和對成果的可視化輸出。

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，對掌握空氣質(zhì)量在時空維度的發(fā)展變化趨勢，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)測分析對象

GIS空間分析是指獲取空間數(shù)據(jù)中有關(guān)地理對象的空間位置、分布、形態(tài)、形成和演變等信息并進行分析，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)測分析的分析對象主要是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)，參與評價的分別是SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3等6項污染物。AQI等級與人們的外出活動關(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 大氣污染擴散模擬

大氣污染擴散模擬是指利用數(shù)學模型，定量模擬計算了大氣污染物時空分布及擴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散模擬研究的結(jié)果表達形式，它能夠以數(shù)值、圖形圖像、報表等多種不同的形式進行輸出顯示。

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、某時間大氣污染物排放等信息完整全面的數(shù)據(jù)庫，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)警提供準確的數(shù)據(jù)，定量分析各類污染源的貢獻，制訂空氣質(zhì)量改善措施，同時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，可以利用GIS技術(shù)對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，能夠準確完善地形成該地區(qū)多尺度、高時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)勢就是能夠做到空間的可視化。例如某個城市或區(qū)域的污染時空分布，通過GIS技術(shù)可以清晰地看到此城市或區(qū)域的時空分布特征及趨勢。污染源的可視化就是把污染點源的具體坐標位置、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與人們活動之間的關(guān)系

AQI數(shù)值級別顏色影響建議措施 0～50一級綠色令人滿意可正?；顒?51～100二級黃色只有少數(shù)有較弱影響應(yīng)適當減少戶外活動 101～150三級橙色可能會出現(xiàn)刺激性癥狀減少長時間戶外鍛煉 151～200四級紅色可能會對心臟、呼吸系統(tǒng)有影響避免長時間、高強度的戶外鍛煉 201～300五級紫色心臟病和肺病患者癥狀顯著加劇應(yīng)減少戶外活動 大于301六級褐紅色可能會提前出現(xiàn)某種疾病避免戶外活動

4 結(jié)束語

本文利用先進的ArcGIS平臺對空氣質(zhì)量進行數(shù)據(jù)可視化分析，研究海量空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)在時間、空間等不同維度的特征和影響，同時結(jié)合其他氣象資料，揭示不同地區(qū)在不同時間、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)量等級的變化發(fā)展規(guī)律等，為當?shù)卮髿猸h(huán)境控制管理、規(guī)劃等提供科學的依據(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，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：嚴麗琴〕