劉蔚然

(中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司 北京 100088)

在城市建設(shè)不斷加快的背景下，交通噪聲逐漸成為城市環(huán)境污染的主要公害之一，迫切需要對(duì)交通噪聲進(jìn)行正確評(píng)估與實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲污染變化的科學(xué)預(yù)測(cè)，掌握環(huán)境噪聲現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢(shì)，從而對(duì)噪聲污染進(jìn)行精準(zhǔn)的控制和管理[1]。GIS技術(shù)能夠?yàn)榈缆吩肼曃廴镜挠?jì)算提供支撐，在計(jì)算機(jī)軟件、硬件系統(tǒng)的支持下對(duì)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、編輯和處理，主要解決的問題包括趨勢(shì)、條件、位置與模型，利用輸出可視化地理數(shù)據(jù)結(jié)果幫助人們直觀地預(yù)測(cè)分析道路噪聲污染情況。

1 道路交通噪聲的預(yù)測(cè)模型

在對(duì)道路交通噪聲預(yù)測(cè)的過程中，數(shù)據(jù)庫具有重要作用。

1.1 非空間數(shù)據(jù)庫

非空間數(shù)據(jù)庫一般使用表格存儲(chǔ)屬性信息，能夠?qū)ΜF(xiàn)象特性和事物進(jìn)行描述，在設(shè)計(jì)過程中需滿足三范式的要求，系統(tǒng)所屬數(shù)據(jù)來源于各個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。道路交通噪聲預(yù)測(cè)的非空間數(shù)據(jù)庫主要包括道路信息、環(huán)境噪聲、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，對(duì)各級(jí)城市功能區(qū)環(huán)境噪聲的等級(jí)聲級(jí)與各個(gè)區(qū)域環(huán)境噪聲的數(shù)據(jù)表進(jìn)行存儲(chǔ)[2]。各個(gè)數(shù)據(jù)表利用FID 字段和空間數(shù)據(jù)表相互連接，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表并不會(huì)關(guān)聯(lián)空間數(shù)據(jù)表，只能夠利用FID檢測(cè)查詢監(jiān)測(cè)點(diǎn)歷史監(jiān)測(cè)值。

1.2 空間數(shù)據(jù)庫

空間數(shù)據(jù)庫能夠?qū)κ挛锏牡乩砜臻g特性進(jìn)行存儲(chǔ)，是地理信息系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)。地理空間表達(dá)方法包括三角形不規(guī)則網(wǎng)、柵格、矢量和Voroni 等，由此創(chuàng)建地理空間不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模型，此系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括柵格和矢量。柵格數(shù)據(jù)指的是針對(duì)位置結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，能夠在連續(xù)空間變量中使用，通過列陣方式表示數(shù)據(jù)特征，列陣中的元素?cái)?shù)據(jù)值指的是每個(gè)屬性、每個(gè)元素只能夠有一個(gè)值，位置隱含在行列中[3]。因?yàn)闁鸥駭?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，分析處理方便，所以將柵格數(shù)據(jù)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型計(jì)算，與聲場(chǎng)在自由空間中的連續(xù)分布特點(diǎn)結(jié)合，模擬通過柵格數(shù)據(jù)保存結(jié)果[4]。系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫包括區(qū)域中各種要素，為滿足實(shí)際需求進(jìn)行組織和管理，根據(jù)各地理要素的特征，劃分為面圖層、線圖層和點(diǎn)圖層進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.3 道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型

目前，道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型備受人們的重視，模型所考慮的因素有：（1）聲源強(qiáng)度，包括行車速度、道路車流量、道路坡度、車型百分比、道路鋪設(shè)材質(zhì)等[5]；（2）噪聲傳播方式和路徑，包括接受點(diǎn)到聲源的距離、聲屏障、綠化帶對(duì)噪聲的阻擋等；（3）噪聲接受點(diǎn)空間位置[6]。

道路交通噪聲預(yù)測(cè)理論模型的形式基本相同，預(yù)測(cè)點(diǎn)噪聲是通過車輛噪聲源強(qiáng)和修正項(xiàng)得出的，并結(jié)合實(shí)際情況針對(duì)其他影響因素進(jìn)行刪減和修正，使模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值吻合。其他影響因素選擇包括以下幾點(diǎn)：（1）不考慮建筑物反射修正，由于系統(tǒng)對(duì)噪聲數(shù)值模擬只是對(duì)距離地面高1.2 m 的接受點(diǎn)等效噪聲等級(jí)進(jìn)行計(jì)算，所以不考慮此因素的影響[7]；（2）因研究區(qū)域?yàn)槠皆貐^(qū)，城市道路坡度小于2%，所以在模擬過程中不考慮坡度因素對(duì)交通噪聲的影響；（3）噪聲擴(kuò)散衰減修正，計(jì)算點(diǎn)距離車道中線7.5 m 以上再計(jì)算。與實(shí)際情況結(jié)合，得出沒有擴(kuò)散衰減修正時(shí)交通噪聲等效聲級(jí)計(jì)算公式：

考慮擴(kuò)散衰減修正后，交通噪聲的等效聲級(jí)計(jì)算公式為

多個(gè)車道對(duì)同一計(jì)算點(diǎn)的影響，是利用能量疊加的方式進(jìn)行計(jì)算的。假設(shè)有n條道路單元，每條道路單元對(duì)計(jì)算點(diǎn)所產(chǎn)生的預(yù)測(cè)值為L(zhǎng)1，L2，L3，…，Ln，能量疊加后得出噪聲預(yù)測(cè)值為

2 道路交通噪聲的預(yù)測(cè)技術(shù)

2.1 總體架構(gòu)

該系統(tǒng)將GIS 作為操作平臺(tái)，利用其組件開發(fā)噪聲預(yù)測(cè)系統(tǒng)，主要目的是設(shè)計(jì)具備專業(yè)功能與GIS 基本功能相結(jié)合的城市道路交通預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

（1）對(duì)環(huán)境信息科學(xué)管理：對(duì)交通噪聲數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)信息進(jìn)行管理，提供環(huán)境信息服務(wù)[8]。（2）對(duì)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)：基于交通噪聲預(yù)測(cè)模型，通過GIS實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的分析、處理，計(jì)算道路附近接收點(diǎn)處的噪聲值，為城市道路建設(shè)提供基礎(chǔ)。（3）實(shí)現(xiàn)減噪模擬：利用綠化帶、聲屏障等減噪措施的設(shè)置實(shí)現(xiàn)減噪模擬，以相關(guān)法規(guī)為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)減噪后效果進(jìn)行評(píng)估，為城市道路規(guī)劃提供幫助。（4）分析區(qū)域環(huán)境噪聲：使用GIS 可視化功能使區(qū)域環(huán)境噪聲情況更加直觀、精準(zhǔn)[9]。

當(dāng)用戶成功登錄系統(tǒng)后，將用戶選擇區(qū)域的屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)嵌入噪聲預(yù)測(cè)模型中，對(duì)道路交通噪聲進(jìn)行計(jì)算，通過圖形、表格和消息框等方式對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示。用戶還能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果和環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)照，假如超標(biāo)，利用減噪模擬進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)新一輪數(shù)據(jù)計(jì)算、查詢和顯示，直到用戶滿意預(yù)測(cè)結(jié)果。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

基于GIS的城市道路交通噪聲預(yù)測(cè)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)不同，此系統(tǒng)為GIS和噪聲預(yù)測(cè)模型結(jié)合的功能，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)地理信息系統(tǒng)對(duì)于空間數(shù)據(jù)的處理、編輯、管理和分析，還能夠在系統(tǒng)中使用GIS 功能實(shí)現(xiàn)減噪模擬、噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算、噪聲分析評(píng)價(jià)等。

2.2.1 地圖基本操作

（1）實(shí)現(xiàn)視圖管理和圖層文件管理，視圖管理能夠?qū)崿F(xiàn)地圖的漫游、縮小、放大、全景等，還能夠提供鷹眼功能，使主視圖和縮略圖相互關(guān)聯(lián)，縮短快速定位到主視圖中；圖層文件管理能夠?qū)崿F(xiàn)圖層刪除、添加、圖層和保存。（2）實(shí)現(xiàn)地圖的編輯，主要編輯空間數(shù)據(jù)，也就是通過相應(yīng)圖層對(duì)地理要素進(jìn)行刪除和添加，并且實(shí)現(xiàn)地理要素屬性數(shù)據(jù)的編輯[10]。

2.2.2 數(shù)據(jù)輸出

系統(tǒng)用戶可將分析數(shù)據(jù)與圖表能夠通過文件方式進(jìn)行輸出和保存，也可將分析后的專題圖庫和圖層數(shù)據(jù)通過圖片的形式進(jìn)行保存，方便對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行管理。

2.2.3 噪聲處理

噪聲處理功能可實(shí)現(xiàn)GIS城市道路交通噪聲預(yù)測(cè)系統(tǒng)的模塊功能，具體內(nèi)容敘述如下。

（1）噪聲計(jì)算：噪聲計(jì)算能夠應(yīng)用預(yù)測(cè)模型，對(duì)交通主干道噪聲進(jìn)行計(jì)算。（2）噪聲統(tǒng)計(jì)：系統(tǒng)能夠統(tǒng)計(jì)噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果，通過圖表的形式表示，并且可以與現(xiàn)有噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。（3）噪聲查詢：用戶可以根據(jù)坐標(biāo)、接收點(diǎn)名稱，或者以相應(yīng)的條件等多種方式進(jìn)行查詢，查詢內(nèi)容包括交通噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果與歷史噪聲。（4）減噪模擬：用戶通過圖層添加屏障或者草坪實(shí)現(xiàn)減噪，并且對(duì)比減噪前后的噪聲預(yù)測(cè)值，以噪聲相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)對(duì)減噪效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為相關(guān)部門提供減噪模擬措施，對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)進(jìn)行指導(dǎo)[11]。

2.2.4 區(qū)域環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)

（1）等值線：系統(tǒng)以某個(gè)年份的區(qū)域環(huán)境噪聲圖層數(shù)據(jù)能夠生成區(qū)域環(huán)境噪聲的等值線圖，將各地區(qū)噪聲情況展現(xiàn)出來。（2）噪聲超標(biāo)查詢：以環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)條件查詢，對(duì)噪聲超標(biāo)區(qū)域噪聲值進(jìn)行查詢，在地圖中實(shí)現(xiàn)高亮顯示，為城市環(huán)境規(guī)劃人員與環(huán)保工作提供決策支持。

2.2.5 其他功能

其他功能包括系統(tǒng)幫助、用戶管理、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)檢索。系統(tǒng)幫助可支持用戶盡快掌握系統(tǒng)功能與操作方法；用戶管理能夠?qū)崿F(xiàn)用戶添加、登錄、修改密碼等；法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)檢索包括聲環(huán)境相關(guān)法律、環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、排放標(biāo)準(zhǔn)和其他相關(guān)規(guī)范，能夠讓用戶對(duì)標(biāo)更加方便。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

道路交通噪聲預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫使用ArcMap 實(shí)現(xiàn)地圖矢量化工作，使用桌面應(yīng)用程序ArcToolbox 實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)換，使用數(shù)據(jù)資源根據(jù)ArcCatalog實(shí)現(xiàn)管理。

（1）將ArcMap 應(yīng)用程序打開，對(duì)道路和沿線帶狀地形圖柵格圖片文件進(jìn)行加載，將Georeferncing 工具條添加到工具欄中，實(shí)現(xiàn)空間配準(zhǔn)，對(duì)圖像進(jìn)行地理坐標(biāo)校正。選擇多個(gè)已知坐標(biāo)控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的輸出，從而完成配準(zhǔn)。

（2）在ArcMap工具欄中將ArcCatalog模塊打開，創(chuàng)建個(gè)人數(shù)據(jù)庫，以道路和沿線構(gòu)造物不同特征創(chuàng)建不同特征類，輸入特征類名稱、坐標(biāo)限差，對(duì)投影坐標(biāo)系進(jìn)行選擇。一個(gè)特征類和一個(gè)圖層對(duì)應(yīng)，在數(shù)據(jù)庫中對(duì)表進(jìn)行存儲(chǔ)。本文系統(tǒng)以功能需求對(duì)道路路橋、橋梁涵洞、道路路面、道路路基等特征類進(jìn)行創(chuàng)建。

（3）通過ArcMap加載上個(gè)新建特征類，使用editor工具條實(shí)現(xiàn)分層矢量化工作。因需要大量矢量化數(shù)據(jù)，通過edior工具手繪工作量大，所以轉(zhuǎn)變成為ArcGIS數(shù)據(jù)文件，在數(shù)據(jù)庫中以MDB格式存儲(chǔ)，之后以面圖層和線圖層的轉(zhuǎn)換和合理分層實(shí)現(xiàn)功能。完成以上工作后，就完成了空間數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。

3 可視化和實(shí)例分析

3.1 噪聲等值線生成

道路左右兩側(cè)計(jì)算區(qū)域的兩個(gè)噪聲鏈表生成為繪制噪聲等值線提供基礎(chǔ)，此鏈表屬于雙向鏈表，結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)域描述為

式（4）中，(xi,yi)為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)Vi坐標(biāo)，二維標(biāo)量場(chǎng)等值線的抽取有網(wǎng)格無關(guān)法和網(wǎng)格序列法兩種，網(wǎng)格無關(guān)法能夠在等值線分布規(guī)則的情況下使用，網(wǎng)格序列法的使用比較廣泛，但是針對(duì)四邊形網(wǎng)格馬鞍點(diǎn)二義性解決比較復(fù)雜。目前，一般使用網(wǎng)格序列法，三角形或者矩形網(wǎng)格，但是此算法都無法在非結(jié)構(gòu)化異性笛卡爾網(wǎng)格數(shù)據(jù)場(chǎng)中使用。針對(duì)非結(jié)構(gòu)化異性笛卡爾網(wǎng)格數(shù)據(jù)場(chǎng)，網(wǎng)格單元尺寸具有較大的差別，在大網(wǎng)格單元區(qū)域中將鋸齒狀等值線充分展現(xiàn)出來，并且單色等值線無法將區(qū)域噪聲變化情況展現(xiàn)出來，所以，針對(duì)等值線后續(xù)處理，使用等值線光滑和顏色映射算法。完成等值點(diǎn)追蹤和連接之后的等值線數(shù)據(jù)在GIS 系統(tǒng)TAB表中存儲(chǔ)，使其依次連接等值線。

對(duì)等值線數(shù)據(jù)TAB 表進(jìn)行讀取，使用三次樣條函數(shù)實(shí)現(xiàn)等值線光滑，得到的差值點(diǎn)坐標(biāo)在光滑等值線TAB表中存儲(chǔ)；創(chuàng)建顏色映射表，根據(jù)每條等值線的等效A 聲級(jí)利用顏色漸變算法賦予顏色；在GIS 中實(shí)現(xiàn)圖層的創(chuàng)建，對(duì)光滑等值線TAB表進(jìn)行讀取，使差值點(diǎn)通過給定顏色值依次連接直線段，繪制3 次樣條函數(shù)光滑等值線；繪制的等值線圖層和背景地圖進(jìn)行疊加展示，從而實(shí)現(xiàn)可視化。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

使用本文提出的方法通過ArcMap平臺(tái)實(shí)現(xiàn)交通噪聲計(jì)算和可視化，根據(jù)評(píng)價(jià)導(dǎo)則的要求設(shè)置等值線的間隔為5 dB，通過繪制等值線的方式實(shí)現(xiàn)等效A聲級(jí)值的可視化輸出。根據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096-2008），道路兩側(cè)一定距離內(nèi)執(zhí)行4a類聲環(huán)境功能區(qū)環(huán)境噪聲限值，即晝間70 dB（A），夜間55 dB（A），比限值小就保持系統(tǒng)默認(rèn)色。

3.3 實(shí)例分析

為驗(yàn)證該系統(tǒng)在道路噪聲預(yù)測(cè)過程中的效果，對(duì)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果和噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為某道路中，地理環(huán)境優(yōu)越，測(cè)量場(chǎng)地開闊，且沒有反射物。測(cè)量時(shí)間為晝間，聲級(jí)計(jì)距離地面1.2 m。使用HT-308激光測(cè)距儀對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過表1數(shù)據(jù)可以看出，GIS環(huán)境系統(tǒng)的噪聲預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值接近，但是存在下偏差，主要是因?yàn)橄到y(tǒng)在對(duì)地面效應(yīng)衰減計(jì)算的過程中，使用的是疏松地面模型，而實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為非典型的疏松地面，因此衰減計(jì)算結(jié)果有所偏差。

表1 計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，機(jī)動(dòng)車擁有量將不斷增加，城市道路聲環(huán)境質(zhì)量也會(huì)隨之惡化，城市環(huán)境和交通噪聲的關(guān)系越來越密切，兩者矛盾加深，對(duì)環(huán)境是非常不利的。隨著城市居民對(duì)聲環(huán)境知識(shí)越來越了解，逐漸認(rèn)識(shí)到城市聲環(huán)境的重要性。所以，今后要對(duì)城市道路交通噪聲進(jìn)行管理，并且使用相應(yīng)的控制措施，從而避免對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市居民生活的影響。