基于GIS的三維交通噪聲屏障路段環評可視化技術研究與實踐

吳 培 寧

(中國勞動關系學院計算機網絡應用研究所 北京 100048)

0 引 言

隨著城市交通流量的增加與道路建設的加快，城市快速路、高架復合道路以及高速公路等交通干道的建設越來越多，交通噪聲給周邊環境特別是道路兩側的高層建筑帶來了嚴重的噪聲污染，是亟待解決的城市主要環境問題之一。GIS系統具有強大的空間數據處理和顯示功能[1]，可對空間數據及相關屬性信息進行有效的管理，近年來在社會需求的推動下飛速發展[2-3]。基于GIS的二維環評可視化系統在大氣環境與地面水環境環評中已取得了良好的應用效果[4-5]。

目前，基于GIS的二維評價區域交通噪聲環評可視化是研究的熱點[6-9]。文獻[7-8]分別實現了無路基聲影區的城市地面道路與高速公路地面路段的交通噪聲模擬計算與可視化。文獻[9]通過MapInfo系統二次開發，實現了有路基聲影區的高架道路交通噪聲環評可視化，但仍存在以下問題：1) 僅生成了評價區域地表平面處二維笛卡爾網格；2) 采用的交通噪聲環評計算模型中未考慮聲屏障的衰減量計算，無法用于有聲屏障路段的環評計算與可視化分析。

聲屏障已成為城市道路噪聲降噪的主要手段[10]，各種聲屏障插入衰減量計算模型以及新型聲屏障材質與結構的研究已成為研究的熱點與難點問題[11-15]。但目前對聲屏障降噪的預測計算僅局限于二維評價區域內離散點的噪聲預測計算，適用于區域噪聲環評可視化的三維大數據場預測計算目前還未實現。

基于GIS的聲屏障路段三維交通噪聲環評可視化能夠為環評提供科學依據、基礎資料與決策支持，對于高架道路聲屏障的規劃與建設也具有十分重要的指導意義。針對文獻[9]研究的不足以及聲屏障路段三維交通噪聲環評可視化在網格剖分、聲影區與聲照區判定、繞射聲衰減量計算及噪聲數據場可視化等方面的難點問題，本文實現了以下創新：1) 提出了基于自適應分層切割單元法的交通噪聲三維評價區域網格生成方法。2) 提出了各分層內聲照區長度計算公式，聲影區與聲照區判定及其笛卡爾網格生成方法。3) 提出了滿足區域環評計算要求的聲屏障插入衰減量計算方法。4) 采用了分層等值線可視化顯示方法。

應用上述方法開發了基于GIS的三維交通噪聲屏障路段環評可視化系統。

1 交通噪聲三維評價區域網格生成

1.1 道路交通噪聲三維評價區域

文獻[16]規定地面評價范圍為道路中心線外兩側200m以內，考慮到高架道路本身的高度以及地面反射對高處噪聲的增強作用，本文將評價區水平寬度設定為隨高度增加而增加，道路三維評價區域內距地面任一高度處的寬度由下式確定：

(1)

式中：Dh為距地面高度為h(h=0,1,…,h評)處，道路中心線至評價區域一側邊界的垂直距離；B為道路寬度，H為道路中心線距地面高度；θ(0<θ<90°)為評價區域外邊界面與地面的夾角，其取值與評價道路交通流量逆相關。

規劃道路中心線段集由下式表示：

R={(x0,y0,H0),…,(xi,yi,Hi),…,

(xn,yn,Hn)}

(2)

式中：R為規劃道路的中心線段集;(xi,yi)為某一道路中心線段的端點;Hi為該端點距地面高度。

交通噪聲三維評價區域為沿道路兩側的兩組梯形多面體。如圖1所示，其道路一側三維評價區域多面體的高度為評價區域高度h評，該多面體的內邊界為沿道路一側邊界線段且垂直于地面的一組平面，外邊界為距道路中心線Dh處與地面夾角為θ的一組平面。

圖1 高架道路YOZ平面噪音評價區域

如圖2所示，沿道路中心線前進方向，其道路左側及右側邊界線段集由Rl及Rr表示，則：

圖2 高架道路XOY平面噪音評價區域

與道路中心線位于同一水平高度H的評價區域邊界線段集由RL及RR表示，則：

在距地面高度h處(h=0,1,…,h評)且平行于XOY平面的平面上，沿順時針方向排列的左側評價區域邊界線端點集由CL,h表示，右側評價區域邊界線端點集由CR,h表示。

1.2 基于道路幾何特征的自適應變層厚切片算法

三維評價區域環評計算網格生成分為兩個步驟：1) 采用一組切割平面切割評價區域多面體；2) 在各切割平面內采用笛卡爾切割單元法生成二維笛卡爾網格。

對于復雜道路系統，若采用固定層厚切割平面族，則無法兼顧環評計算的精度與效率。因此本文采用了基于道路幾何特征的自適應變層厚技術，對于水平彎曲系數及縱坡坡度變化較小的評價道路采用較大的切割層厚度，反之則采用較小的層厚。其算法如下：

步驟1 對于由式(2)表示的規劃道路，計算其水平彎曲系數k及縱坡坡度η。

(3)

(4)

步驟2 對于切割平面族，先取一個固定層厚Zh，則自適應層厚為:

(5)

由評價區地面至h評，以ΔZh為層厚生成一組切割平面，每個平面與評價區域多面體求交，得到兩個評價多邊形。對于第j個切割平面，其沿道路中心線左側評價多邊形端點集為：

沿道路中心線右側評價多邊形端點集為：

步驟3 在第j個切割平面內，采用笛卡爾背景網格與其沿道路中心線左右側評價多邊形端點集CL,j與CR,j中的每一條邊界線段逐一求交，求交過程為切割單元交點追蹤過程。當完成交點追蹤后，將所有與CL,j與CR,j有交點的背景網格單元標記為切割網格單元，存入切割單元鏈表中。此算法的時間復雜度為O(n2)。

1.3 基于切割單元法的評價區域三維網格生成

切平面j內的背景網格完成與端點集CL,j與CR,j的切割后，被分為三類：1) 評價區域內網格；2) 評價區域外網格；3) 邊界線切割網格。其中:評價區域外網格作為無用網格需刪除；對于邊界線切割網格，采用碎片切割單元合并算法將其與相鄰切割單元合并。得到兩種網格單元后，結合當前切片層層厚信息即得到了第j層三維笛卡爾噪聲環評計算網格。分別存儲于左側、右側評價區域內網格單元鏈表，左側、右側評價區域合并單元鏈表。4個鏈表均為雙向鏈表，其數據域由下式描述：

式中：(xi1,yi1,jΔZh),(xi2,yi2,jΔZh)，(xi3,yi3,jΔZh),(xi4,yi4,jΔZh),(xi1,yi1,(j+1)ΔZh),(xi2,yi2,(j+1)ΔZh)，(xi3,yi3,(j+1)ΔZh),(xi4,yi4,(j+1)ΔZh)為三維笛卡爾網格單元8個節點坐標；(a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8)為節點屬性，其屬性分為邊界線段切割交點與背景網格點兩類。

2 聲屏障路段三維交通噪聲環評計算

2.1 聲屏障插入衰減量計算

聲屏障是降低地面運輸噪音的有效措施之一。依據文獻[17]，安裝聲屏障前后在某特定位置上的聲壓級之差為聲屏障插入衰減量Abar。

Abar=ΔLd-ΔLd有限-ΔLt-ΔLr-(ΔLS,ΔLG)max

(6)

式中：ΔLd為繞射聲衰減；ΔLt為透射聲修正量；ΔLr為反射聲修正量；ΔLS為障礙物聲衰減；ΔLG為地面吸收聲衰減；max表示取ΔLS與ΔLG中的最大值。單位均為dB(A)。

本文的研究對象為僅建有單側聲屏障的道路，因此反射聲修正量ΔLr為零。

2.2 有限長聲屏障繞射聲衰減量計算

當聲源為無限長聲源且聲屏障為無限長時，其繞射聲衰減由下式計算：

(7)

(8)

式中：f為聲波頻率，單位為Hz；δ=a+b-d為繞射路徑聲程差(如圖3所示)單位為m;c為聲速，單位為m/s。

圖3 交通噪聲繞射及透射路徑

當聲源為一無限長聲源而聲屏障為有限長時，其繞射聲衰減仍由式(7)、式(8)計算，但需要減去一個修正量,則：

(9)

步驟1 對于聲屏障路段聲影區內的每一網格節點，若該點處聲屏障遮蔽角百分率大于70%，則進入步驟2 。

步驟3 若該線段與9條曲線皆無交點，則該點處的修正量為2 dB(A)。若該線段與一條或多條曲線段有交點，則選取交點序號N最高的曲線為其取值曲線。該點處的修正量為:

計算出繞射聲衰減ΔLd后，透射聲修正量ΔLt、地面吸收聲衰減ΔLG可由文獻[17]中的公式計算得到，代入式(6)即得到了聲屏障插入衰減量Abar。

得到聲屏障衰減量Abar后，采用文獻[9]中的算法即可計算得到道路總車流聲效等級，單位為dB(A)。

2.3 評價區各分層內聲影區與聲照區笛卡爾網格生成

對于無聲屏障路段、有聲屏障路段的評價區域內網格，均需判斷哪些為聲影區網格，哪些為聲照區網格，再依據相應的噪聲模型完成計算。對于圖3所示聲屏障路段，本文提出了基于道路及聲屏障幾何參數的各分層內聲影區與聲照區笛卡爾網格生成算法。

步驟1 人機交互輸入道路幾何參數，包括：路基高度H、路面寬度B、路肩高度h肩、聲屏障起始點坐標[(xbs,ybs)、(xbe,ybe)]、聲屏障有效高度hb等參數，其等效車道高度為距路面1.2 m。將輸入參數存入道路幾何參數表中。

步驟2 以聲屏障位于沿中心線前進方向右側為例，計算聲屏障造成的聲影區長度，沿順時針方向排列的XOY平面內聲屏障影響區域邊界線段集由Cb表示：

讀取1.3節中生成的右側評價區域內網格單元鏈表、右側評價區域合并單元鏈表，判斷上述兩個鏈表中被Cb包圍的網格節點，將其存儲于新的聲屏障影響區網格鏈表中。

(10)

對于無聲屏障的高路堤及高架路段，基于道路幾何參數的各切割平面內路基聲影區長度為：

(11)

采用與聲屏障路段類似的算法，可生成左側路基聲影區、左側路基聲照區、右側路基聲影區及右側路基聲照區4個網格單元鏈表。

2.4 三維交通噪聲環評計算

評價區內三維交通噪聲預測計算由各分層內的二維噪聲環評計算組成。對于有聲屏障路段，采用了基于分層的評價區三維交通噪聲環評算法。

步驟1 人機交互輸入環評參數，將參數存入環評參數表中。

步驟2 依次遍歷左側路基聲照區、左側路基聲影區、右側路基聲影區、右側路基聲照區、聲屏障聲影區、聲屏障聲照區等網格單元鏈表。

3 可視化顯示與實驗分析

3.1 噪聲等值點追蹤與等值線生成

針對GIS系統的特點，對評價區域三維交通噪聲環評數據場，本文采用了分層等值線可視化顯示。

2.4節生成的三個區域噪聲值鏈表為噪聲等值線的繪制提供了數據基礎，每個鏈表均為雙向鏈表，其結點數據域由下式描述：

Si,j={{(xi,j,yi,j，jΔZh),i=1,2,…,n，j=0,1,…,n},a,b,Leq}

式中：(xi,j,yi,j，jΔZh)為網格節點Si,j的坐標；a為網格節點背景屬性，分為背景網格點與邊界線段切割交點兩類；b為網格節點噪聲屬性，分為路基聲影區、路基聲照區、聲屏障聲照區、無線長聲屏障聲影區、有限長聲屏障聲影區五類；Leq為Si,j節點處的總車流等效聲級。

本文提出了基于分層網格序列法的等值點追蹤算法。

步驟1 依次遍歷左側無聲屏障評價區域噪聲值鏈表、右側無聲屏障評價區域噪聲值鏈表及單側聲屏障影響區域噪聲值鏈表，對于任一鏈表中分層高度等于jΔZh(j=0,1,…,n)的所有結點執行下述步驟。

步驟2 按照先X軸后Y軸的順序遍歷，對于每一鏈表中的結點依照其結點背景屬性及相鄰節點，構造合并網格單元或背景網格單元。對于節點背景屬性a為邊界線段切割交點的結點，構造如圖4所示合并網格單元。對于節點背景屬性a為背景網格點的結點，構造如圖5所示正方形背景網格單元。對于每一單元的頂點，比較其Leq值與給定等值線值的大小，Leq值大于等值線值的標記為“+”頂點，反之為“-”頂點，則：1) 只有一個“+”頂點或“-”頂點的單元有兩個等值點；2) 有兩個“+”頂點與兩個“-”頂點的單元，其等值點個數為2個或4個。對于由“+”頂點與“-”頂點共同組成的單元邊，采用線性插值計算等值線與該條邊的交點，將交點坐標按所屬鏈表存儲于GIS系統中的j層左側評價區等值線TAB表、j層右側評價區等值線TAB表或j層聲屏障影響區等值線TAB表。

圖4 合并單元網格等值點追蹤

圖5 背景單元網格等值點追蹤

步驟3 若背景網格單元頂點Leq值分布如圖5(d)所示，單元內必有四個等值點，則評價區域內同一個等值線值存在著兩條等值線。因此將該單元剖分為四個三角形單元，在四個三角內進行等值點追蹤。新增網格中心點處的Leq值為單元四個頂點處Leq的平均值。圖6 (a)中心點處為“-”頂點，圖6 (b)中心點處為“+”頂點。采用線性插值計算等值線與剖分單元8條邊的交點，可得到兩組共6個等值點。再通過判斷與哪條等值線有共享等值點，將兩組等值點的坐標分別存入擁有相同等值線值的兩條等值線TAB表中。

圖6 剖分單元等值點追蹤

步驟4 重復執行步驟1，直至完成j個平面上的等值點追蹤，分別生成左側評價區等值線TAB表、右側評價區等值線TAB及或聲屏障影響區等值線TAB表三類等值線表。此算法的時間復雜度為O(mn3)。

噪聲等值點追蹤算法為噪聲等值線繪制及等值線拓撲填充提供了基礎，采用三次樣條函數對存儲于三類TAB的等值點數據進行光滑，將求得的插值點坐標存入光滑TAB表中。可視化顯示階段，在GIS系統中創建j個圖層，讀取與每個圖層高度相對應的三類光滑TAB表，并用直線段將插值點依次連接起來即得到了光滑后的等值線。

等值線TAB表中某一等值線值的等值點連接后為評價區域內一條非閉合等值線，將其沿道路邊界線段及評價區域邊界線段進行封閉后形成等值線區域，判斷各條等值線區域的包含與并列關系后可生成等值線拓撲關系二叉樹。前序遍歷該二叉樹得到一個填充序列，按此序列采用不同顏色依次填充各條等值線內的區域即可得到等值線拓撲填充圖。

3.2 環評計算結果與實測數據對比分析

為驗證系統三維交通噪聲環評計算的準確性，將計算結果與交通噪聲實際測量數據進行了對比分析。選取京港澳高速一段單側有聲屏障路段為實驗道路，測量地點為一棟建設中的高樓，測量處距路基水平距離63 m。為便于通過視頻辨識與統計交通流量，監測時間選擇為晝間。監測儀器為HT-8352聲級計，高度測量采用HT-308激光測距儀，長度測量采用JY-361999測距輪。測量時間為30 min，并同時監測交通流量，然后再進行統計。表1為聲屏障路段噪聲垂直分布實際監測結果與環評計算結果的比較。表中數據顯示：低樓層處計算值高于實際監測值。原因為該路段已建成二十多年，兩側生長的已成林綠化帶降噪效果好于初建成的高速公路兩側綠化帶。高樓層處環評計算值低于實際監測值，原因為監測當天曾有降雨，路面較潮濕導致車輛輪胎噪聲增大，路面噪聲修正量不為零。

表1 聲屏障路段噪聲垂直分布監測結果與環評計算結果比較

3.3 噪聲環評可視化系統實現

應用本文提出的算法，在MapInfo桌面GIS系統上開發了三維交通噪聲屏障路段環評可視化系統，編程語言采用該系統自帶的二次開發語言MapBasic。系統流程如圖7所示，可視化顯示技術路線如圖8所示。

圖7 系統流程圖

圖8 可視化路線圖

3.4 可視化實例分析

如圖9所示，道路寬度B=60 m，高度H=5.8 m，采用式(3)、式(4)計算水平彎曲系數k及縱坡坡度η后，由式(5)得到切片層厚度ΔZh=3 m，道路前進方向左側有一座110 kV變電站，周圍為非居住區。前進方向右側為居住區，建有高度為3.6 m的聲屏障，此路段為單側無限長聲屏障路段。高度jΔZh=3 m分層內，評價區域邊界距道路中心線距離由式(1)計算得D3=283.93 m，各條等值線值由MapInfo系統以信息窗口形式輸出，等效聲級大于等于70 dB(A)的等值線采用紅色繪制(圖中以灰度表示)，小于70 dB(A)的等值線顏色保持系統默認值。因3 m分層高度小于道路與聲屏障高度之和，聲屏障一側評價區域全部為聲屏障聲影區，等效聲級等值線的最大值為69 dB(A)，最小值為56 dB(A)，符合4a類聲環境功能區的環境噪聲限值[18]。無聲屏障一側的評價區域，由式(11)可得該側的路基聲影區長度為46.7 m，路基聲影區內的等值線最大值為68 dB(A)。垂直距離大于該長度的路基聲照區內等值線的最大值為78 dB(A)，已超出環境噪聲限值。

圖9 無限長聲屏障路段高度3 m分層內噪聲等效聲級等值線

圖10 無限長聲屏障路段高度30 m分層內噪聲等效聲級等值線

圖11為單側有限長聲屏障路段，該路段為互通立交樞紐，寬度B=80 m，道路高度H=3.8 m，依式(3)-式(5)得到切片層厚度ΔZh=2 m。圖中的環境敏感點用五角星標注，聲屏障一側側評價區域從335 m處開始的主干道及彎道均建有高度為3.6 m的聲屏障。高度jΔZh=6 m分層內，評價區域邊界距道路中心線距離由式(1)計算得D6=278.65 m，由式(11)可知，評價區域內無聲屏障的路段全部為路基聲照區，其等效聲級等值線最大值為85 dB(A)。因6 m分層高度小于道路與聲屏障高度之和，此層內有聲屏障的路段全部為聲屏障聲影區，等值線最大值為70 dB(A)。

圖11 有限長聲屏障路段高度6 m分層內噪聲等效聲級等值線

圖12為將圖11中6條等值線沿邊界線段封閉并建立拓撲關系二叉樹后，等值線拓撲填充圖與背景地圖的疊加顯示。

圖12 有限長聲屏障路段高度6 m分層內等值線拓撲填充圖

圖13為6 m分層高度內評價區域笛卡爾網格單元節點與背景地圖疊加顯示，從左至右的網格節點噪聲屬性b分別為無線長聲屏障聲影區、有限長聲屏障路段聲影區及路基聲照區共三類網格單元節點，節點間距20 m，采用顏色漸變加以區分。其中有限長聲屏障路段聲影區網格單元節點的遮蔽角百分率大于70%、小于90%。

圖13 有限長聲屏障路段高度6 m分層內計算網格單元節點

圖14 有限長聲屏障路段高度12 m分層內計算網格單元節點

4 結 語

本文首次實現了基于GIS的聲屏障路段三維交通噪聲環評可視化。實驗結果表明，基于GIS的三維交通噪聲環評可視化能夠準確直觀地反映道路周邊評價區域內噪聲的空間分布特征，提高了交通噪聲環境影響評價的準確性與效率。結合GIS系統獨特的空間與屬性數據管理功能，對經過醫院、學校、住宅等噪聲敏感建筑物集中區域的高速公路與城市高架道路兩側聲屏障的設計與安裝具有非常重要的指導意義。通過對比分析，系統采用的聲屏障衰減量計算模型較準確，環評預測計算值與實測噪聲值之間的差值在2～4 dB(A)以內。下一步將研究道路兩側已成林綠化帶的吸收聲衰減以及潮濕瀝青路面的噪聲修正量。