WebGIS技術支持的PM2.5空間分布分析系統(tǒng)研究

陳建容，胡俊杰，褚 東

（1.成都理工大學 地學空間信息技術國土資源部重點實驗室，四川 成都 610059；2.電子科技大學 資源與環(huán)境學院，四川 成都 611731；3.成都理工大學 地物理學院，四川 成都 610059）

WebGIS技術支持的PM2.5空間分布分析系統(tǒng)研究

陳建容1，胡俊杰2，褚 東3

（1.成都理工大學 地學空間信息技術國土資源部重點實驗室，四川 成都 610059；2.電子科技大學 資源與環(huán)境學院，四川 成都 611731；3.成都理工大學 地物理學院，四川 成都 610059）

依據成都市已公布的PM2．5數據，采用反距離加權插值算法，推算出成都市5城區(qū)的PM2．5濃度分布情況，并采用分級渲染，直觀地展示市區(qū)內PM2．5的濃度分布情況。同時，應用熱點分析模型，根據指定時間段內的PM2．5數據，分析出該時間段具有統(tǒng)計顯著性的高值和低值的空間聚類。該模型一方面可讓成都市民更好地了解成都市PM2．5的分布情況，為出行提供參考；另一方面可為政府治理環(huán)境污染提供參考依據。

PM2．5；WebGIS；反距離加權插值；熱點分析

細顆粒物（PM2．5）雖然只是地球大氣成分中含量很少的部分，但其對空氣質量和能見度有重要的影響，同時，高濃度的PM2．5會對人體健康產生嚴重影響，易引發(fā)哮喘、心血管病等疾病[1-4]。因此，建立科學的檢測評估體系、改善空氣質量已成為一項刻不容緩的任務[5]。本文基于WebGIS技術，利用反距離加權插值算法，統(tǒng)計分析成都市區(qū)PM2．5的濃度分布情況。

1 關鍵技術

1.1 WebGIS技術

WebGIS是Internet技術應用于GIS開發(fā)的產物。GIS通過WWW功能得以擴展，真正成為一種大眾使用的工具。從WWW的任意一個節(jié)點，Internet用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數據，制作專題圖，進行各種空間檢索和空間分析，從而使GIS進入千家萬戶[6]。目前已經有多種不同的技術方法被應用于研制實現WebGIS，包括CGI（通用網關接口）方法[7]、服務器應用程序接口（Server API）方法、插件法、Java Applet方法以及ActiveX方法[8]。

1.2 IDW算法

IDW是一種應用廣泛的空間插值方法，經常被用在各種GIS空間分析中，它通過計算未測量點附近區(qū)域各個點的測量值的加權平均來進行插值，其中，最近處點的權值最大。其原理為：令未知點的坐標值為x，各個觀測點的坐標為xi，如果有n個點，那么i從1到n。令未知點處的值為z（x），觀測點處的值為zi。同時，每一個觀測點都有一個權值di，這些權值是根據xi到x的距離計算出來的。由此，計算出x處的加權平均值如下：

其中，wi為權值，通常選擇距離平方的倒數作為權值，即

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 開發(fā)環(huán)境與運行平臺

本系統(tǒng)GIS服務器采用ESRI公司發(fā)布的ArcGIS Server 10．1[9]；建立Microsoft Access 2010數據庫；以JavaScript為前端開發(fā)語言；采用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)工具，進行系統(tǒng)的實現。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設計

本系統(tǒng)實現的主要功能模塊有等值面生成、監(jiān)測點信息查看以及熱點分析，系統(tǒng)框架如圖1所示。

1）根據地名查詢PM2．5濃度。設置好時間以及查詢地點后，點擊“查詢”按鈕，地圖上將展示出所選時間和地點的PM2．5濃度值。

2）根據所選時間生成等值面。設置好時間后，點擊“生成等值面”按鈕，地圖上將展示出插值生成的等值面。

3）查看監(jiān)測站當前時間PM2．5濃度。系統(tǒng)載入完成后，在“查看監(jiān)測點信息”面板中能看到監(jiān)測站在當前時間以及過去24 h的PM2．5濃度值。

4）熱點分析功能。設置好起始時間以及終止時間后，點擊“開始分析”按鈕，地圖上將展示出所選時間段內PM2．5的熱點圖像。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

2.3 數據庫設計

用Microsoft Access 2010創(chuàng)建數據庫，建立數據表，存儲從成都市環(huán)境監(jiān)測中心站獲取的PM2．5數據。數據結構如表1所示。

表1 數據結構設計表

3 系統(tǒng)功能實現

3.1 數據獲取模塊

成都市環(huán)境中心監(jiān)測站每隔1 h更新8個監(jiān)測點的環(huán)境數據。系統(tǒng)設計了一個類，該類每隔10 min訪問環(huán)境中心監(jiān)測站的官網，并檢查該網站公布的環(huán)境數據是否有更新。如有更新，則取出網站公布的數據，并寫入Access數據庫，如圖2所示。

圖2 獲取數據流程圖

3.2 數據查詢模塊

1）根據所選時間和地點查詢PM2．5濃度。輸入時間和地點后，點擊“查找”按鈕，系統(tǒng)將把查詢出的監(jiān)測點PM2．5濃度顯示在地圖上。查詢功能流程見圖3，查詢功能界面截圖見圖4。

在圖4中，設置的時間為“2013-05-12 07∶00∶00”，地點為“電子科技大學”，最終系統(tǒng)將在地圖上展示出信息面板，同時信息面板的箭頭指向電子科技大學所處位置。

2）根據所選時間，生成等值面。輸入時間后，點擊“生成等值面”按鈕，系統(tǒng)將根據所選時間的監(jiān)測點PM2．5數據生成等值面，并在地圖上展示。生成等值面流程見圖5，等值面功能運行界面見圖6。

圖3 查詢功能流程圖

圖4 單點PM2.5查詢功能界面

圖5 根據時間生成等直面流程圖

圖6 等值面功能界面

3.3 信息展示模塊

該模塊用來展示當前時間以及過去24 h的PM2．5數據，當系統(tǒng)載入完成后，將在 “查看監(jiān)測點信息”面板中展示PM2．5數據。該功能流程見圖7，信息展示見表2。

圖7 查看監(jiān)測點信息流程圖

表2 PM2.5信息展示/μg/m3

3.4 熱點分析模塊

該模塊用來分析選定時間段內PM2．5分布情況。選定起始時間和終止時間后，點擊“開始分析”按鈕，系統(tǒng)將執(zhí)行熱點分析模型，最終將生成的圖像在前端展示。熱點分析流程見圖8, 熱點分析運行界面見圖9。

圖8 熱點分析流程圖

圖9 熱點分析截圖

在圖9中，起始時間設置為“2013-05-08 20∶00∶00”，終止時間設置為“2013-05-12 22∶00∶00”。最終系統(tǒng)將在地圖上展示出熱點圖像，同時在右側的面板中展示圖例信息，監(jiān)測點信息展示如表3。

4 結 語

本文以成都市5城區(qū)為研究范圍，以成都市環(huán)境監(jiān)測中心站公布的PM2．5數據為基礎數據，采用B/S開發(fā)方式，構建了一套具備數據查詢、空間分析等功能的PM2．5Web應用系統(tǒng)。論文通過該系統(tǒng)的研究與實現，取得了以下成果：

表3 熱點分析監(jiān)測點信息展示/μg/m3

1）采用WebGIS方式研究、實現了成都市5城區(qū)PM2．5短時（1 h）、中時（1 d）、長時（1月）的區(qū)域分布分析WebGIS系統(tǒng)。系統(tǒng)以成都市5城區(qū)行政區(qū)劃為地理底圖，提供了單點查詢、區(qū)域等值面、區(qū)域熱點分析等查詢與分析功能。

2）運用反距離加權插值算法模型和熱點分析算法模型對成都市PM2．5監(jiān)測點單點采樣數據插值生成了區(qū)域分布數據，為系統(tǒng)5城區(qū)區(qū)域數據的構建提供了算法理論基礎。

[1] 楊復沫,馬永亮,賀克斌．細微大氣顆粒物PM2．5及其研究概況[J]．世界環(huán)境,2000(4)∶32-34

[2] Seinfeld J H．空氣污染——物理和化學基礎[M]．北京∶科學出版社,1986

[3] Glantz S A． Air Pollution as a Cause of Heart Disease[J]． J Am Coil Cardliol, 2002, 39∶ 943-945

[4] Mar T F,Norris G A,Koenig J Q,et al．Associations between Air Pollution and Mortality in Phoenix,1995-1997[J]． Environmental Health Perspectives,2000,108(4)∶347

[5] Schwartz J,Dockery D W,Neas L M．Is Daily Mortality Associated Specifically with Fine Particles?[J]．Journal of the Air & Waste Management Association,1996,46(10)∶927-939

[6] 宋關福,鐘耳順,王爾琪．WebGIS——基于Internet的地理信息系統(tǒng)[J]．中國圖像圖形學報,1998(3)∶251-254

[7] 鄔倫,劉瑜,張晶,等．地理信息系統(tǒng)原理方法和應用[M]．北京∶科學出版社,2004

[8] 賀媛媛,張穎．WebGIS的發(fā)展現狀及前景[J]．石家莊鐵路職業(yè)技術學院學報,2008,7(1)∶1-3

[9] ESRI．ArcGIS Resource Center[EB/OL]．http∶//resources．arcgis．com/zh-cn/help/main/10．1/ index．html#/na/0154000003 7p000000/,2013-05-20/2014-10-01

[10] Longley P A,Goodchild M F,Maguire D J,et al．Geographic Information System and Science[M]．New York∶ John Wiley&Sons,2005

[11] 陳萱華．如何利用ASP．NET技術訪問數據庫[J]．計算機與現代化,2003(2)∶53-55

P208

B

1672-4623（2016）01-0046-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.014

陳建容，碩士，主要從事遙感地質解譯工作。

2014-11-04。