石嘴山市空氣質量數據分析與可視化

吳 燕

（寧夏理工學院，寧夏 753000）

1 研究背景及意義

空氣質量與人們的生活和健康息息相關，不論在室內還是室外，人們的生活都離不開空氣。我國自90 年代以來，已建成5000 多個環境空氣質量監測點，其中涉及到的有從縣、到市、到省最后到國家。從監測功能上講，涵蓋城市環境空氣質量監測、區域環境空氣質量監測、背景環境空氣質量監測，還包括溫室氣體、酸雨、沙塵影響空氣質量監測等[1]。同時基于物聯網技術、互聯網、網絡爬取技術等應用將不同類型、不同地域的監測點的數據實時匯總至國家氣象局并進行實時分析和統計，數據對民眾開放。

寧夏石嘴山市是傳統的資源依賴型城市，形成了以煤炭、冶金、機械、化工、陶瓷等多類非常齊全的重工業體系。石嘴山市地處寧夏回族自治區最北端，緊靠內蒙古地區。蒸發強烈、空氣干燥，年平均降水量不到蒸發量的十分之一。多年來快速的工業化發展進程，雖然帶來了經濟體量的提升和該地區人們物質生活質量的提升，但同時也帶來了嚴重的空氣污染問題。

基于當前石嘴山地區的空氣質量監測已經較為完整的情況，本文通過對該地區自2013 年至今的所有空氣質量數據、境內企業相關數據、城市周邊環境數據等進行數據獲取和數據分析。選取合適的數據分析方法和可視化技術，設計具有實時數據、歷史數據、PM2.5 濃度分析、AQI 指數分析的空氣質量分析系統，該系統能夠在一定程度上具有自動化、網絡化等特點。通過對影響空氣質量的各種因子（如PM2.5、SO2、NO2、CO、O3）的數據分析結果為為政府部門制訂空氣質量提升政策提供依據。

2 需求分析

2.1 對石嘴山地區空氣質量數據進行實時采集，并在此基礎上進行相關數據分析

通過獲取石嘴山地區空氣質量實時數據，分別采用圖形UI、監測點數據列表的方式展示24 小時內的AQI 指數趨勢。

2.2 基于歷史數據進行相關分析與結果展示

數據統計分析模塊采用多樣化的圖表展示，根據獲取數據的內容，統計分析模塊包括對歷年數據的整體統計（可以使用PM2.5 或AQI 指數），對比多年來的數據均值，以直觀對比年度數據。

2.3 繪制2021 年以來PM2.5 數據折線圖，直觀展示空氣質量走勢

為更加直觀的了解到歷年來空氣質量高點變化情況，對歷年數據中AQI 指數>50 的數值進行統計展示。

3 系統可行性分析

3.1 經濟可行性

系統設計開發對硬件要求需求不高，所需開發工具均為開源，無需過多支出，因此在開發階段實現了經濟可行。

3.2 技術可行性

系統實現過程所需相關技術主要涉及到的有Python 語言、CSS 和成熟的網頁解析技術以及數據庫等技術[2]，均為市場成熟技術且被開發者熟練掌握，因此實現了技術可行。

3.3 操作可行性

該系統布局簡單、操作簡便、互動性強，便于用戶使用，因此實現了操作可行。

4 系統總體設計

石嘴山市空氣質量分析系統包括實時數據可視化管理模塊、歷史數據可視化管理模塊兩大模塊，每個模塊下又包含若干子模塊，具體內容如下圖1 所示。

圖1 系統總體結構圖

4.1 實時數據分析與展示模塊設計

該模塊分為數據獲取、圖形化數據展示、AQI 數據可視化三個子模塊。

4.2 歷史數據分析與展示模塊設計

該模塊分為歷史數據列表展示、歷史數據分析、歷史數據可視化三個子模塊。

5 系統數據庫設計

根據系統需求分析，本文所實現的系統在滿足功能設計的基礎上，數據庫包含實時數據管理表、歷史數據管理表。

5.1 數據庫E-R 圖設計

空氣質量管理主要有城市、空氣質量、監測站點等實體，城市信息實體的屬性有ID、名稱。空氣質量實體的屬性有二氧化硫、監測站點名稱、監測時間、空氣質量指數、AQI等信息。監測站實體包括監測站名稱、監測ID 等信息。相關E-R 圖，如圖2 所示。

圖2 系統E-R 圖

5.2 數據庫邏輯結構設計

數據庫邏輯結構設計就是把概念結構設計階段完成的實體-關系圖轉化為與選用數據庫管理系統產品所支持的數據模型相符合的邏輯結構。本系統數據庫包含實時空氣質量表與歷史空氣質量表。

6 基于網絡爬蟲與API 的數據獲取實現

通過網絡爬取來獲取網頁中包含的數據，從而獲取歷史空氣質量。通過開發者工具分析網頁結構，所獲取的數據是以半結構化(HTML)的格式存在于該網站，主要獲取的字段包括日期、質量等級、AQI 指數、當天AQI 排名、PM2.5、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧等。

通過API（應用程序編程接口）可以更為便捷地獲取目標地區的空氣質量數據，如AQI 指數、空氣質量等級等。該接口調用由Python 的請求庫訪問，一般為get 或post 請求[3]。請求返回結果以JSON 格式解析，經提取數據后存入到數據庫中。

7 數據分析過程及結果

7.1 歷史空氣數據的獲取

空氣質量數據的獲取通過爬取目標網站“天氣網”中的石嘴山市所有發布的空氣質量監測的數據，存儲于MYSQL數據庫中，通過JSON 轉換等加載到前臺界面中。

7.2 歷史空氣質量數據列表化展示

該列表支持用戶自動設置界面每次展示多少條數據、界面上翻和下翻的后臺服務端分頁的功能。

7.3 歷史空氣質量數據可視化展示

數據統計分析模塊采用多樣化的圖表展示，幫助用戶直觀了解過去以及現在空氣質量指數以及PM2.5 的變化情況及趨勢[4]。

根據本系統的數據獲取的內容，數據統計分析模塊應包括對歷年來獲取的數據整體統計（可使用PM2.5 或AQI指數），并通過對比多年來的數據均值，以直觀查看各年度數據。

7.4 數據分析結論

根據均值對比圖統計，可知：2014 年到2017 年底，石嘴山市的PM2.5 濃度一直較高。結合相關資料調查，這是由于石嘴山市在2018 年前推動大氣污染治理還未取得較好效果，境內以煤炭為主的生產加工企業較多。從2018 年開始PM2.5 濃度明顯下降，說明政府以及民眾的重視度提高，采取很大力度的措施得到顯著的效果。但是2020 年PM2.5又有了上升的趨勢，是由于靜穩天氣的影響使得一月份PM2.5 有升高的趨勢，從而影響了整年度的PM2.5 值。

從2021 年變化走勢圖可知：2021 年PM2.5 濃度總體有所改善，僅有個別幾天有明顯上升的趨勢。以3 月15 日為例，石嘴山市出現大范圍沙塵暴天氣，嚴重是影響空氣質量。

結論：對比2013 年到2021 年3 月份空氣質量指數數據顯示，以AQI 指數為衡量標準，石嘴山市2018 年以前的空氣質量大于50 的天氣比較密集也比較多，從2018 年以后污染情況逐漸改善。

8 結語

隨著人們對空氣污染問題的重視度越來越高，空氣質量在逐漸改善，基于該系統的實現，相信在以后的發展中，空氣監測系統會越來越完善，會通過歷史數據作出分析、預測，為監測人員提供依據。

總體而言，系統功能完備、界面交互性強，具有非常好的社會價值和使用意義。通過Bootstrap、CSS 使界面更加美觀，并減少開發所需時間，提高開發效率。隨著人們對空氣污染問題的重視度越來越高，空氣質量在逐漸改善，基于該系統的實現，相信在以后的發展中，空氣監測系統會越來越完善，會通過歷史數據作出分析、預測，為監測人員提供依據。