基于GIS的空氣質(zhì)量監(jiān)管系統(tǒng)

崔 瑾

(西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 云南 昆明 650224)

基于GIS的空氣質(zhì)量監(jiān)管系統(tǒng)

崔 瑾

(西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 云南 昆明 650224)

隨著近年來人們對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量問題的重視，環(huán)境部門也加強(qiáng)了對(duì)空氣質(zhì)量的監(jiān)管，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量的可視化管理，系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ArcGISengine組件進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建GIS管理平臺(tái)，具備基本的空間數(shù)據(jù)的查看功能，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)注、查看，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入、存儲(chǔ)，并運(yùn)用空間插值方法，生成污染物濃度等值線功能，從而達(dá)到了由點(diǎn)及面——根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按污染程度顯示區(qū)域受污染的程度范圍，以便更好對(duì)空氣質(zhì)量行評(píng)估。

空氣質(zhì)量監(jiān)管;GIS;空間插值

一、引言

世界衛(wèi)生組織于2014年最新發(fā)布的一份報(bào)告顯示，全球每年大約有700萬人死于空氣污染，空氣污染已成為全球最大的單一環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)[1]。隨著近年來，中國北方地區(qū)的嚴(yán)重的霧霾問題，使飛行交通受阻，出行生活受限，更給人們的健康造成了威脅，這人們?cè)絹碓街匾暱諝赓|(zhì)量問題，環(huán)境部門也越來越重視生態(tài)環(huán)境的建設(shè)工作，加強(qiáng)了日?？諝赓|(zhì)量的監(jiān)管，在一些重污染地區(qū)，以及一些醫(yī)院、學(xué)校等重點(diǎn)單位設(shè)置空了空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行有毒有害氣體污染物濃度值的測(cè)量。如何由點(diǎn)及面，更好的、更準(zhǔn)確的、更直觀的了解受污染的范圍、嚴(yán)重程度，這就需要與GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的可視化監(jiān)管系統(tǒng)。

二、GIS在空氣質(zhì)量監(jiān)管的方面的應(yīng)用與發(fā)展

地理信息系統(tǒng)是一種決策支持系統(tǒng)，它具有信息系統(tǒng)的各種特點(diǎn)。地理信息與其他系統(tǒng)的主要區(qū)別在于其存儲(chǔ)和處理的信息是經(jīng)過地理編碼的，地理位置及與該位置有關(guān)的地物屬性信息成為信息檢索的重要部分。在地理信息系統(tǒng)中，現(xiàn)實(shí)世界被表達(dá)成一系列的地理要素和地理現(xiàn)象[3]。

由于地理信息系統(tǒng)的具有地理位置與空間特性，從而可以滿足很多系統(tǒng)管理在空間位置表現(xiàn)上的虛擬化與可視化的要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化管理，這使得地理信息系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域包括在大氣環(huán)境監(jiān)管得到了廣泛的應(yīng)用，并作為了很多系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在空間上的，即在電子地圖上的展示。當(dāng)然，地理信息系統(tǒng)也不只是地圖數(shù)字化系統(tǒng)化的結(jié)果，更重要的是可以進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的查詢、量算、分析、統(tǒng)計(jì)以及空間插值等普通管理信息系統(tǒng)所不具備的空間分析等功能。而要實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)及面，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)到受污染范圍區(qū)域的分析，就需要運(yùn)算空間插值算法。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)技術(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：C/S結(jié)構(gòu)

開發(fā)語言/工具：C#/.net

gis組件：ArcGISEngine組件

數(shù)據(jù)庫：Geodatabase

近些年，很多管理系統(tǒng)都較廣泛的采用B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)，B/S結(jié)構(gòu)在瀏覽器進(jìn)行操作，所以不需要另外安裝程序，當(dāng)程序更新版本時(shí)，只需要更新服務(wù)器端的程序，不需要重新下載程序，系統(tǒng)維護(hù)方便，特別適用于系統(tǒng)功能升級(jí)較頻繁，使用用戶較多的情況，但由于大量工作也是在服務(wù)器端進(jìn)行，造成服務(wù)器端負(fù)荷較大。由于系統(tǒng)要進(jìn)行空間插值，這對(duì)系統(tǒng)要求較高，C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)，由客戶端承擔(dān)了主要運(yùn)算處理工作，更適用于需要進(jìn)行大量空間分析的專業(yè)系統(tǒng)。

目前功能比較強(qiáng)大的GIS軟件，主要有ArcGIS、MapInfo等，本文將研究基于ArcGISEngine來進(jìn)行二次開發(fā)。ArcGISEngine提供了大量的高級(jí)開發(fā)控件，使開發(fā)人員可以建立或擴(kuò)展GIS應(yīng)用程度和創(chuàng)建高質(zhì)理的地圖用戶界面。ArcGISEngine是一種組件式GIS，包括了ArcObjects的核心功能，組件庫的每一個(gè)組件中定義有不同的類、接口。

(二)技術(shù)路線

系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖1所示

圖1

(三)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊圖如圖2:

圖2

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(一)GIS主控制臺(tái)

要構(gòu)建GIS主控制臺(tái)，需要兩個(gè)基本的組件AxLicenseControl、AxMapControl組件，由于繪制等值線時(shí)要進(jìn)行插值，所以AxLicenseControl中要鉤選SpatialAnalyst空間分析除此以外，還需要工具條AxToolbarControl，添加基本地圖操作工具，打開地圖文件，放大、縮小地圖，按比例尺顯示地圖等，圖層顯示列表控件AxTOCControl，并與AxMapControl綁定，以實(shí)現(xiàn)同步變換。

(二)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理

為了進(jìn)行后續(xù)的空間插算法，要標(biāo)注監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在的位置。相較于其它管理信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的主要區(qū)別在于包括空間位置信息，需要數(shù)據(jù)庫支持空間信息的存儲(chǔ)，在本文的研究中選用Geodatabase數(shù)據(jù)庫。Geodatabase是Esri公司推出的支持空間數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)的全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫。Geodatabase采用的是面向?qū)ο蟮拇鎯?chǔ)模式，提供包括非空間數(shù)據(jù)的一般對(duì)象、矢量要素對(duì)象類型、柵格數(shù)據(jù)要素類型等，以及表示對(duì)象與對(duì)象關(guān)系的關(guān)系對(duì)象類型的存儲(chǔ)。

ArcGISengine提供了點(diǎn)、線、面要素的標(biāo)注編輯功能，可以在地圖上的找到相應(yīng)的位置標(biāo)注出監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并填寫一些基本信息，后保存到Geodatabase中，在系統(tǒng)中可能加載出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圖層，可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)的要素——即監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)一步填寫各種有毒有害氣的檢測(cè)值存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，待下一步進(jìn)行空間插值。

(三)生成污染濃度等值線

設(shè)置好各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并錄入所監(jiān)測(cè)氣體的濃度后，需要通過空間插值方法，生成污染物濃度等值線，以更好的了解受污染區(qū)域的范圍，受污染程度信息。

空間插值算法即通過已存在的點(diǎn)，根據(jù)空間位置上越靠近的點(diǎn)，濃度值等特征值越相近的原則，按一定的插值算法，計(jì)算出未知的點(diǎn)污染物濃度值。把這些已存在的點(diǎn)與通過插值算法計(jì)算出來的連接起來，就生成了污染物濃度等值線，并按濃度值用不同深淺的顏色表示，并保存為一個(gè)新圖層，在系統(tǒng)中加載顯示如上圖3。ArcGISengine已經(jīng)提供了上面一系列操作的組件，并且提供了多種插值算法，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，本文通過ArcGISEngine調(diào)用IDW內(nèi)插值所生成的柵格數(shù)據(jù)的分類和顏色不是我所想要的分類和顏色，我們可以對(duì)生所的柵格圖像進(jìn)行再分類和配色，可以調(diào)用IRasterClassifyColorRampRenderer來實(shí)現(xiàn)。

(四)空氣質(zhì)量變化查看

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存了，不同時(shí)間點(diǎn)的污染物濃度值，在系統(tǒng)中可以單擊觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)一步選擇查看設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，污染物濃度值的變化曲線路，以了解污染情況的變化發(fā)展趨勢(shì)，以輔助進(jìn)行決策。

五、結(jié)論與討論

目前，系統(tǒng)在ArcGISengine的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)注、屬性數(shù)據(jù)的編輯和查看，可以選中相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)錄入有毒有害氣體污染物濃度，并可以存儲(chǔ)到Geodatabase中，在生成污染物濃度等值線時(shí)，從數(shù)據(jù)庫中按時(shí)間點(diǎn)查出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，利用空間插值算法，最后生成等值線。另外，可以選擇，橫向縱向的觀察受污染及污染物濃度的變化情況。

未來，運(yùn)用3S技術(shù)，即結(jié)合RS遙感技術(shù)與GPS全球定位統(tǒng)，進(jìn)行大氣環(huán)境的反演，從整體上掌握的受污染情況。并進(jìn)一步擴(kuò)展GIS平臺(tái)的功能，對(duì)重點(diǎn)污染源進(jìn)行排查分析，以便對(duì)造成重污染的工廠企業(yè)進(jìn)行管理，進(jìn)而還提供根據(jù)居民小區(qū)、學(xué)校醫(yī)院等人口較多的地方空間分布情況，重新選址，盡量選擇人員活動(dòng)較少的地方，等等這些規(guī)劃決策功能。

[1]WorldHealthOrganization.2014.Reviewofevidenceonhealthaspectsofairpollution——REVIHAPP．

[2]廖永豐,張莉,王五一,王欽敏,楊林生. 城市空氣質(zhì)量GIS數(shù)據(jù)模型及分析系統(tǒng)的集成與應(yīng)用[J]. 地球信息科學(xué),2007,(01):123-128.

[3]鄔倫,劉瑜,張晶,馬修軍,韋中亞,田原.地理信息系統(tǒng)——原理、方法和應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2001.2.

[4]鐘流舉,鄭君瑜,雷國強(qiáng),陳晶,車汶蔚. 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測(cè),2007,(02):113-118.

崔瑾(1980-)，女，漢族，貴州貴陽人，碩士，西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 地理信息系統(tǒng)，研究方向:3s技術(shù)。