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城市大气污染地理信息系统模块的研究

文档作者：黄恺敏1 杨昆 1,2 文档来源： 1.云南师范大学旅游与地理科学学院 2.云南师范大学信息学院		点击数：	更新时间： 2025年05月06日
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应用研究数字技术
与应用
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1 绪论
1.1 研究意义
现在,越来越严重的大气污染问题已经成为了当前影响社会发
展进步的一大难题。随着我国经济发展和人民生活水平的不断提
高，生活与工作过程中对能源的需求也越来越大。1980年中国能源
消费总量为5 8 5 8 7万吨标准煤，到2 01 0年，中国能源消费总量为
307987万吨标准煤[1]。1980年以来，中国原煤消耗量已增加了两倍以
上，2002年原煤消耗量已达14.8亿吨。2011年中国原煤产量为35.2
亿吨，同比增加2.8亿吨，增量为历史最高水平。煤炭在一次能源生
产结构中的比重接近80%，石油则在20%左右变化。而煤炭和石油产
品为主的能源消耗是大气颗粒物的主要来源。大气颗粒物中PM10
（细颗物）和PM2.5（超细颗粒物）是对人体最为有害的两种物质。
城市不断发展，燃料消耗也越来越多。近几年来，我国各大中城
市的机动车数量大幅度增长。机动车数量增长也意味着而且城市内
的燃料、危险品运输和存储也会因为种种原因发生事故。对这些突
发事故设立预警和预案处理系统能减少损失。
所以，对大气污染状况分析、对大气污染的影响的控制和预警
已经是环境保护中的一个紧迫任务。对已有的固定点源大气污染状
况和突发事件引起的大气污染预警而建立专门的系统，能为整个城
市发展和规划带来很大的好处。
1.2 GIS 在大气环境研究中的应用
地理信息系统（GIS）技术是融合地理学、图形学、计算机科学
等多项技术的新兴交叉学科，是对空间信息进行采集、存储、处理与
输出的计算机系统。随着近些年来GIS技术的不断发展，利用GIS技
术进行大气环境研究的越来越多。GIS技术为大气环境研究提供了
强有力的技术保障，大气环境研究提供了理论支持，两者结合则为
科研人员提供了全方位的信息研究处理平台。
2 大气环境质量模型
2.1 大气环境质量模型的特点
大气环境质量模型是了解区域环境质量、分析污染物扩散的有
力工具。不同的大气环境质量模型适用于不同尺度和不同类型污染
源的各种大气扩散模式，能够在时间和空间尺度上准确描述各种污
染物的迁移、输送、转化等变化特征。
大气环境质量模型发展到现在，尽管它们具有不同的表达方
式，但是它们都具有以下几个特点：空间性、动态性、多元性、复杂
性、综合性。
2.2 几种常见的大气扩散模式
国内外有多种描述大气污染扩散过程的数学模型。点源扩散模
式常用的有高斯模式、萨顿模式以及赫－帕斯奎尔模式等；线源扩
散模式常用的有点源求和法、线源直线化模式等；面源扩散模式常
用的有箱模式、虚拟点源模式（或称等效点源模式、倒退点源模式）
和吉福德－汉纳模式（或称G－H模式）[2]。
一般研究认为，高斯模型是相对其他模型反应大气污染扩散的
过程是最简单的，利用高斯模型计算出的浓度场与实际的的浓度场
较为吻合。部分线源模型和面源模型也是由高斯模型发展而来的。
大气环境质量基本模型基本方程如式（2-1）：
（2-1）
式中：x轴为平均风向，z轴铅直向上，uz=0、uy=0，Et,x、Et,y、Et,z
为湍流扩散系数常数。在研究污染物对大气污染的整个研究过程
内，可忽略污染物的自身衰减，即K=0。可将公式简化，可得式（2-
2）：
（2-2）
当对上述模型使用不同的初始条件和边界条件来解的时，就能
表示不同情况的污染源在各种气象条件下所造成的大气污染情况。
2.2.1 高架连续点源扩散模式
城市大气污染最常见的污染源是工厂烟囱。一般将每一个排放
的烟囱视为一个污染点源。而由于烟囱自身的高度使得计算烟囱所
导致的大气污染于和在地面上污染源的不一样。一般将高度高于
15m的污染源视为高架点源，低于15m的污染源为非高架源。非高架
点源的大气污染扩散模式就为基本模型，而高架点源扩散模式则在
基本模型上有所修正。
高架连续点源扩散模式由于在推导过程中设定的假定条件，使
得它在使用时有很多情况不适用。并且当出现静风、微风或大气中
有逆温发生时，仍用这个模式计算会与实际情况出现比较大的偏
差。
2.2.2 线源扩散模式
线源扩散模型一般用于计算道路上的机动车尾气污染。线源扩
散的计算曾采用点源求和法计算公路下风向任一点的浓度，但计算
过程复杂。于是提出了线源直线化模式来解决上述方法的不足。目
前较为常用的线源直线化模式有垂直风模式、平行风模式和内插模
式三组模式。
2.2.3 面源扩散模式
城市中的低矮烟囱和大量分散的炉灶摊点产生的污染物数量
多，排放高度低，污染源强度不大，但是却会对城市大气质量产生比
较严重的影响。但实际操作时却无法用点源和线源模式处理。所以
城市大气污染地理信息系统模块的研究
黄恺敏1 杨昆*1,2
(1.云南师范大学旅游与地理科学学院,西部资源环境地理信息技术教育部工程研究中心 云南昆明 650500;
2.云南师范大学信息学院 云南昆明 650500)
摘要：当前城市大气污染的问题已经严重影响到了我国城市居民的生产与生活。为了能够有效对城市大气环境质量管理评价，利用GIS技
术和大气环境模型建立城市大气环境质量管理平台为政府决策和研究人员提供管理工具。
关键词：G I S大气质量模型
中图分类号：P2 08 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2013)01-0082-02
作者简介：黄恺敏（1 9 8 7 - ），男，江苏启东人，硕士研究生，研究方向：城市地理信息系统。
* 通讯作者：杨昆，男，教授，博士生导师，从事地理信息系统方面的研究。
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与应用
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我国绝大部分城市都采用简单箱模式、G－H模式及虚拟点源模式
来评估城市大气环境质量。
2.3 GIS 与大气环境模型的结合方式
GIS和大气环境模型的结合在不同阶段和技术条件下，按照结
合方式和数据交换形式分类，可分为三种：
松散结合：GIS和大气环境模型都为独立的系统并且有不同的
用户界面，GIS能够为大气环境模型提供数据并输入，大气环境模型
计算后的输出结果能够利用GIS处理或显示。
紧密结合：GIS和大气环境模型为独立的系统，但是有共用用
户界面来管理2个系统的公共数据和两者之间的数据交换。
完全集成：GIS和大气环境模型有共用的用户界面并实现两者
的数据共享。完全集成需要从底层开发来实现各部分的紧密融合。
由于各种条件的限制，当前GIS和大气环境模型完全集成的系
统非常少，主要的集成模式还是前两者，主要发展方向是紧密结合
方式。
3 系统设计与实现
3.1 系统的建模
为了实现出现污染源时候，计算某时刻某一坐标位置的污染物
浓度，需要将高斯模型转化成可以计算的解析式（3-1）。
前提条件：大气流场均匀稳定，忽略纵向弥散作用。
（3-1）
高斯模型解析式
式中：
C：浓度，mg/m3；
He：污染源高度，m；
Q：单位时间排放量，mg/s；
σy：横向扩散参数，mz；
σz：铅直扩散参数，m；
ux：平均风速，m/s。
3.2 GIS 与大气质量模型集成步骤
GIS与大气环境质量模型集成可由以下五个步骤完成（图1）。
图1 GIS 与大气质量模型集成的框架步骤
(1)问题定义：根据研究目的，确定污染物研究区域范围大小和
时间跨度，选择合适的大气污染扩散模型。
(2)数据输入：输入污染源信息，气象资料，地形资料。
(3)大气环境模型：输入气象环境数据和污染源数据，输出污染
物浓度信息。
(4)数据分析操作：对各种输入数据和模型计算计算出的结果
进行分析处理。
(5)数据显示输出：最终处理结果的显示和输出。
3.2 系统总体设计
城市大气环境污染模块是作为完整的地理信息系统的一个部
分而产生的。系统需要实现的功能包括污染数据输入，大气污染模
拟，污染区域可视化等几部分。由于是作为系统的一个模块，数据交
换由设定好的接口实现。
3.3 系统功能设计
城市大气环境污染模块主要需求是提供城市环境下的污染情
况模拟。并将模拟结果输出提供给其他系统模块处理生成预警信息
或模拟污染情况设定预案用。需要实现的功能包括：
污染数据输入：由多种方式输入污染源的情况数据，包括污染
源的空间信息。污染物类型，扩散参数。同时也需要设定模拟的环境
条件，包括大气温度，风向等等。
大气污染模拟：按照大气扩散模型，依照输入的污染源信息和
环境信息来计算模拟污染物的扩散的情况。
污染区域可视化：当污染物扩散情况计算完成之后。在地图显
示单元分级显示污染物的扩散分布等级，按照污染严重程度的不同
上不同的颜色。并在最后生成shape文件。这部分最后会共享给地理
信息系统的各部分模块来处理。
3.4 系统应用开发实验
采用.Net开发环境，基于ArcGis Engine开发组件，完成了城
市大气污染模拟模块的开发。系统模块基本达到了要求。能够为城
市大气污染预警和预案提供有效的支持。系统主界面如图2所示。
图2 城市大气污染模拟界面
4 结语
城市大气污染模拟模块能够在地理信息系统平台上增加大气
污染模拟功能，提供大气污染的模拟数据给预警和预案工作。实现
大气环境管理调控的现代化，为政府决策，居民出行，企业选址等提
供信息化平台。而且由于组件化的关系，能够方便灵活的与不同的
专业地理信息系统整合，提供处理服务，具有较高的实用价值。
参考文献
[1]国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴, 2011．
[2]华敏洁.大气环境质量模型和GIS 结合的研究[D].上海师范大学
硕士论文, 2 00 5．
[ 3 ] 蒋波涛. 插件式G I S 应用框架的设计与实现──基于C # 和
ArcGIS Engine 9.2［M］.北京:电子工业出版社,2008．
[4]赵碧云,贺彬,朱庆发.大气扩散空间信息系统[J].环境科学研究,
1999,12(6):10-12．
[5]刘毓.基于GIS 的面向对象大气环境信息系统[D].西北工业大学

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