RS與ArcScene支持下的環境污染源調查研究

彭 楓

（重慶市環境科學研究院，重慶 401147）

污染源是指造成環境污染的污染物發生源，通常指向環境排放有害物質或對環境產生有害影響的場所、設備、裝置或人體，按屬性可分為天然污染源和人為污染源。后者指人類社會活動所形成的污染源，是環境保護研究和控制的主要對象，也是目前環境保護工作中一項重要的工作內容。因此，了解一個區域的污染源現狀具有極其重要的作用。傳統中是利用人工實地調查，或者通過訪談等形式了解區域污染源狀況。這種方式簡單易行，但需要大量的人力、財力、物力，同時會占用大量時間，可謂事倍功半。隨著空間技術和計算機技術的發展，遙感技術及其應用研究獲得了空前發展，它以空間為信息獲取平臺，具有監測范圍廣、速度快、成本低，且便于進行長期動態監測等優勢，此外還能發現用常規方法往往難以揭示的污染源及其擴散的狀態［1］。一方面，遙感數據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，微波遙感實現了全天時、全天候的對地觀測，高光譜遙感能夠更精細地研究地物的光譜特性）；另一方面，遙感數據的處理也由早期的簡單光學圖像判讀發展到了數字圖像處理，由定性目視識別進入了定量建模反演，遙感應用也向著更廣和更深的層次發展［2－3］。在成果的展示方面，傳統的二維表達簡單、對數據的信息量要求相對較低，因而展示結果并不形象、美觀，有時甚至無法表達出一些特殊信息。三維形式的表達方式則可解決這一問題，能將成果直觀、生動地表示出來，因而其運用越來越廣泛［4］。

1 研究區簡介及基礎數據

研究區位于重慶市北部新區，該范圍是以區域內人和空氣環境自動監測點為中心，2 km為半徑形成的圓形區域，總面積22.32 km2。區域內有人和、新牌坊等大型立交，照母山市級植物園，擁有工廠、企業及商品住宅小區、辦公大樓等眾多污染源，其污染形勢不容忽視。

本文在研究過程中主要用到遙感影像和DEM兩種基礎數據，統一采用3度分帶的Gauss投影。遙感數據采用2008年拍攝的航空相片，空間分辨率1 m；DEM數據比例尺為1：10 000，空間分辨率5 m。

2 污染源遙感調查

2.1 土地利用現狀提取

污染源遙感調查，實質就是根據遙感影像所折射出的特征差異，根據解譯精度的相關要求，提取出感興趣的信息。本文在arc／info軟件的workstation環境下，通過目視解譯的方法提取區域內各種土地利用類型，解譯過程中使用的土地利用分類標準見表1。

表1 研究區土地利用分類系統

根據以上土地利用分類標準，在室內解譯與野外調查相結合的基礎上，提取出研究區土地利用現狀數據，結果見表2。

表2 研究區土地利用現狀統計

2.2 污染源提取

根據土地利用分級標準中的含義可知，提取出的土地利用現狀數據中，具備“污染條件”的用地類型有工業用地、住宿餐飲、商服用地、居民點和道路交通用地。其中有的工業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COD較高；住宿餐飲、商服用地和居民點則主要存在廢水排放問題，而道路交通主要是產生機動車尾氣污染和噪聲污染，嚴重影響空氣質量，進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實中真正的污染源，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污染源進行調查、展示，因此可簡單地將具備污染條件的土地當作潛在污染源。因此，各種“污染源”的空間分布及其構成狀況可大體折射出區域內的污染狀況。將土地利用現狀中的工業用地、住宿餐飲、商服用地、居民點和道路交通用地提取出來，作為區域內的主要污染源，其它用地類型作為非污染源。其空間分布狀況見圖1，各污染源構成情況見表3。

圖1 研究區污染源空間分布

表3 研究區污染源構成情況

從表3可知，人和自動監測站周邊2 km區域內污染類型最重的是機動車道路線源污染，主要包括道路的機動車尾氣污染和車場（站）的噪聲污染，其比例可達37%；其次是住宿餐飲、商服用地和城郊居民點這些具有形成潛在生活面源風險的生活源，其構成比例達26.91%；工業污染源占6.31%，僅從單位面積比例來看，這部分不是該區域的主要污染源。圖1表明，監測點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，工業用地在空間分布上相對較遠，這與表3得出的結論一致。

因此，該區域內主要的污染物應該是機動車尾氣污染及其伴隨的噪聲污染，其次是商業活動、人類生活產生的生活源污染。因而如何采取相應措施有效控制區域內機動車的尾氣排放，科學、合理地布局大型生活污染型企業便成為這一區域內環境質量是否得以改善的關鍵所在。

3 數據成果三維表達

污染源數據給二維環境提供了相應的平面空間信息。然而，區域空氣污染是一種非常復雜的現象，與地形、地貌、海拔高度等因子均具有非常密切的聯系，僅了解其平面條件下的周邊環境狀況信息遠遠不夠，必須掌握一些立體條件下的信息才可能去發現、解決相應的環境污染問題。

地理信息系統是空間思維工具，三維顯示與分析一直是地理信息系統的重要功能。ESRI在其產品ArcInfo中首推TIN擴展模塊，后在Arc View GIS3.x上也推出3D Analyst擴展模塊，都是GIS中三維功能的經典之作。ESRI面向ArcGIS桌面系統（Arc View、ArcEditor、ArcInfo）推出了 ArcGIS三維分析擴展模塊（ArcGIS 3D Analyst），其核心是ArcScene，構筑在COM架構上，為實現三維顯示與分析提供了非常靈活的手段。

AreScene是一個適合于展示小范圍內三維精細場景刻畫的平臺［5－8］。本項目在此平臺中，利用DEM數據，將數據成果進行三維表達。在ArcS－cene中這主要是通過合理設置相關參數來實現，其中最重要的兩個參數是Base Heights和Extrusion，兩者共同決定其最終顯示效果。Base Heights主要設置各種污染源的基礎高程，相當于對各污染源圖斑進行“絕對高度”的設置。此處該值通過與土地利用現狀數據精確匹配的DEM數據進行自動獲??；Extrusion一項是實現數據的拉伸效果，類似于設置各污染源圖斑的“相對高度”。此處它通過存貯于污染源數據中具有類似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經驗估算得到，代表的是一般情況，要表現真實效果，需要取得它們的真實高度值，可通過國土或規劃相關部門獲取，或野外實地調查。

根據以上參數值，污染源數據在ArcScene中三維展示結果見圖2。

圖2 研究區景觀三維表達（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、生動且美觀的效果。更重要的是，這種表達形式可使用戶對于區域內地形條件、污染源的空間布局等一目了然。由圖可知，監測點周邊有一大型交通樞紐，即人和立交，這里將會長期性地大量產生機動車尾氣污染。但其周邊環境卻并不利于空氣的擴散，因為它周邊分布有住宿餐飲這類高樓，將機動車產生的尾氣包圍起來，進而慢慢向附近的居民小區擴散，因而區域內的空氣質量不可能很好。該點長期的空氣質量監測數據也證實了這一結果的正確性。

由此可知，數據成果通過三維形式進行表達，可以為了解區域內污染物的擴散條件，分析大氣污染的影響范圍、發展趨勢，解釋相關空氣環境問題等提供一些二維表達環境下無法提供的信息，充分體現了它在空間數據挖掘方面的潛力和價值。

4 結 論

本文選取一個自動監測站點為中心、半徑2 km的圓形區域為研究示范，通過航空影像（航片）獲取其土地利用現狀數據，快速、準確地掌握了區域內污染源的空間分布信息，充分體現了遙感技術在污染源調查中的優勢。

在成果數據展示方面，通過 ARC／INFO的ArcScene環境，對成果進行了3D表達，一方面充分體現了它的形象、直觀、美觀的特點，使得成果更易于用戶接受；另一方面，三維表達也表現出其空間數據挖掘方面的潛力，使用戶能夠獲取更多2D表達環境下無法提供的空間信息，充分反映了它在環境管理中的潛力和巨大價值。

［1］孫 震，蘇尚典，益建芳，等．遙感綜合技術在城市環境監測中的作用［J］．測繪與空間地理信息，2006，29（2）：92．

［2］覃志豪，Zhang M，Karnieli A，et al．用陸地衛星TM6數據演算地表溫度的單窗算法［J］．地理學報，2001，56（4）：456－466．

［3］覃志豪，Zhang M，Karnieli A．用NOAA－AVHRR熱通道數據演算地表溫度的劈窗算法［J］．國土資源遙感，2001（2）：33－41．

［4］蔣波濤，李建成．三維GIS在國土信息可視化中的運用研究［J］．測繪與空間地理信息，2006，29（1）：18－23．

［5］連 健，李小娟，趙文吉，等．基于ArcScene的三維可視化系統設計與實現［J］．地理空間信息，2008（1）：83－86．

［6］黃 樺，吳建平．基于ArcScene的建筑物日照分析模塊的設計與實現［J］．測繪與空間地理信息，2008（1）：86－89．

［7］俞 銳，黃 陽，張 軍，等．一種基于ArcScene平臺的城市生活垃圾填埋場堆體溫度場信息系統［J］．市政技術，2004，22（2）：120－125．

［8］劉海義，王貴林，姚 鑫，等．一種快速的礦床空間三維模型的建立及可視化方法［J］．礦山測量，2007（1）：57－59．