基于GIS技術的空氣質量數據可視化

程家盼

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基于GIS技術的空氣質量數據可視化

程家盼

（首都經濟貿易大學，北京 100071）

隨著當代社會經濟的持續高速發展，以可吸入顆粒物、SO2、NOX、CO、O3等為主要污染物的空氣質量問題日益嚴重，人們的生產、生活與大氣環境、空氣質量的關系也日益密切。提出利用先進的AcrGIS平臺及空氣質量觀測資料，對空氣質量監測數據進行可視化分析的研究思路，根據某地區逐年逐日的空氣質量數據，研究地區空氣質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，并為當地大氣環境控制管理、規劃等提供科學的依據。

GIS技術；數據挖掘；數據可視化；空氣質量

1 概述

近年來我國地區城市空氣污染加劇，城市大氣污染的主要表現是霧霾污染，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。世界衛生組織和聯合國環境組織發表的一份報告指出：“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實[1]”。城市工業化的發展越來越快，伴隨著為人類創造巨大財富的同時，也帶來了嚴重的環境問題，并給城市的和諧發展、人類的健康生活帶來了巨大的災難。

空氣污染作為一個很復雜的系統問題，它不僅要考慮到自然與人類的人為排放，更要涉及到當地氣象、氣候等條件的影響。在環境監測領域應用數據可視化，不僅包括污染類型、污染程度、分布區域、危害波及人數等各種海量的具體數據，還要基于這些數據進行綜合分析，以直觀交互的方式增強空氣質量數據的呈現效果，以發現空氣質量數據中所隱藏的關系、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據處理計算機系統[3]。GIS可以在城市空氣質量數據可視化的研究中作為輸入數據處理器，另外，GIS中一個重要的統計分析模塊能夠對輸出數據進行綜合處理，并對結果進一步分析，進行相關查詢和對成果的可視化輸出。

本文提出了以AcrGIS為基礎的空氣質量數據可視化思路，充分發揮其空間分析和可視化的優勢，對掌握空氣質量在時空維度的發展變化趨勢，為城市大氣污染的控制和管理工作提供了理論依據和技術路線。

2 基于GIS的大氣污染監測分析對象

GIS空間分析是指獲取空間數據中有關地理對象的空間位置、分布、形態、形成和演變等信息并進行分析，發現影響空氣質量的不同要素之間的相互關系是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據和基于矢量數據兩大類的空間分析?；跂鸥駭祿目臻g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；基于矢量數據的空間分析包括矢量地理查詢、緩沖分析、疊置分析、網絡分析、地形分析、鄰域分析等。

而基于GIS的空氣質量監測分析的分析對象主要是AQI（城市空氣質量綜合指數），AQI是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數，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系如表1所示。

3 基于GIS 技術的空氣質量數據可視化

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]。

在前期數據處理階段，GIS技術能夠更加合理、更高精度地建立模型。它不僅可以采集、管理海量的空氣質量及污染數據，還能以不同的比例尺、投影方式、精度及格式等將這些數據按照模型的需求反饋給我們所建立的模型。另外，GIS技術還能夠輕易地將點源、線源及面源等污染源提取出來。在數據的后期處理及結果輸出顯示階段，GIS技術極大程度上豐富了大氣污染擴散模擬研究的結果表達形式，它能夠以數值、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、某類型、某時間大氣污染物排放等信息完整全面的數據庫，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，為空氣質量的模擬、預警提供準確的數據，定量分析各類污染源的貢獻，制訂空氣質量改善措施，同時也是有效建立排污許可證和排污權交易制度、提升環保部門管理能力與管理水平的前提。

在收集已有排放源數據的同時，可以利用GIS技術對污染源位置及污染物排放量、濃度等建立網格模型，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多尺度、高時空分辨率的大氣污染源排放清單。

3.3 空氣質量空間可視化

GIS技術在空氣質量數據可視化中的最大優勢就是能夠做到空間的可視化。例如某個城市或區域的污染時空分布，通過GIS技術可以清晰地看到此城市或區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字圖形技術，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系

AQI數值級別顏色影響建議措施 0～50一級綠色令人滿意可正常活動 51～100二級黃色只有少數有較弱影響應適當減少戶外活動 101～150三級橙色可能會出現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減少戶外活動 大于301六級褐紅色可能會提前出現某種疾病避免戶外活動

4 結束語

本文利用先進的ArcGIS平臺對空氣質量進行數據可視化分析，研究海量空氣質量數據在時間、空間等不同維度的特征和影響，同時結合其他氣象資料，揭示不同地區在不同時間、空間尺度下的污染物排放狀況、空氣污染狀況以及空氣質量等級的變化發展規律等，為當地大氣環境控制管理、規劃等提供科學的依據。

［1］武裝，覃愛明.基于大數據的空氣質量數據可視化［J］.廣角鏡，2015（3）：249-251.

［2］雷寶.基于大數據的探索性空氣質量數據分析［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用研究［J］.環境科學與管理，2017，42（01）：135-139.

2095－6835（2018）18－0118－02

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.118

〔編輯：嚴麗琴〕