2024年6月13日发(作者：)

GIS在大气污染扩散模型中的应用分析

摘要 GIS与大气扩散模型的整合是当前重要的发展趋势，两者的结合不仅发挥了

GIS强大的空间信息可视化管理和分析功能, 也能将环境模型的分析预测功能直

观应用于对各类污染源的宏观与微观模拟表达, 实现了对大气污染扩散模型的

可视化管理, 为工程决策者和管理人员提供了一种强有力的决策支持方案。本文

综述了该技术的原理，存在的主要问题和解决方法，介绍了系统的结构设计，数

据库设计及系统主要功能的实现，以及基于GIS的大气污染扩散可视化系统的设

计思路及开发方案。

关键词 地理信息系统 大气污染扩散模型 系统集成 大气信息系统 可视化

与大气模型结合的研究

大气污染扩散模拟和空气质量评价是环境管理部门进行大气污染控制与管

理的有效手段之一，而传统的环境管理手段落后、工作量大、数据难以实现共享，

已不能适应环境管理要求，寻求新的管理手段势在必行。将 GIS 技术与环境模

型相结合，实现地图基本功能、污染源评价、大气质量模拟，空气质量评价等，

可以发挥 GIS 的空间分析和空间数据处理的优势。[1]国内外大量学者都对该问

题进行了研究, 并取得了不少有益的研究成果。如Rebolj等将道路交通污染扩散

模型和MapObjects相集成, 用于研究由交通引起的空气污染问题[2] 。Trozzi

等利用GIS技术实现区域大气污染源和排放量的可视化管理[3] 。

1.1技术原理概述

地理信息系统(GIS)技术是融地理学、几何学、计算机科学为一体的新兴交

叉学科，是对空间信息及其属性信息进行采集、存储管理、分析处理与显示输出

的计算机系统。它能将自然过程和人类社会活动的各种信息与空间位置、空间分

布及其空间关系通过数字化而有机地结合在一起，非常适合于环境科学领域的有

关问题的研究[4]。近年来随着地理信息系统应用领域的不断扩展，它在大气环

境科学领域的应用正处于方兴未艾的阶段，在环境建模的不同阶段GIS都发挥了

不同的作用，如数据准备、软件开发、数据的后期处理和结果显示输出等。[5]

1.2主要问题与解决

大气污染扩散模型的输入参数是很复杂的，主要的参数有风向、风速、温度、大

气稳定度等级、盖度、经纬度、源的位置、源的强度等，复杂的模型还需要输入

地形、湿度、源的性质、喷射角度、喷射速度、地表类型等、Monin- Obukhov 长

度、混合层高度、风速廓线指数、地表摩擦系数、地表粗糙度、降水速率等参数。

[6]美国阿尔贡国家实验室开发了一系列应急反应系统，在他们开发的“特别污

染计划者”（Special PopulationPlanner （SPP））系统中，GIS 软件可以从

D2PC 模型中输入大气扩散结果（目前正在扩展对D2Puff 模型的支持）。该系统

也是基于ArcView 软件进行的二次开发。[7]但是此类语言的功能往往相对薄弱，

只能进行简单的数据处理，能够实现的功能有限，如果想将GIS、大气扩散模型

和实际工作流程紧密结合起来就比较困难。解决上述问题的途径主要有两个：一

是加强大气扩散模型本身的GIS 开发；二是利用ActiveX 控件等形式的GIS 二次

开发工具，根据具体工作进行系统地开发。前者的问题在于GIS 开发工作本身就

是非常专业的问题，由模型开发团队来进行GIS 开发会有开发难度大和成本高、

数据格式通用性范围窄、专业性差等缺点。比较而言，后者更为灵活，利用专业

GIS 公司提供的GIS 二次开发工具，可解决数据格式和实现GIS 的功能，开发自

由度大，可以与具体工作深入结合，但是具有一定的技术难度。

2.系统设计

2.1系统结构设计

首先收集研究区原有的地形、地貌、大气特征、污染源、气象及风向等数

据资料, 并按数据库规则将这些数据进行相应的综合、整理、筛选、归纳及转换,

建立以ArcGIS 数据结构为标准的多源空间数据库和相关属性数据库[8]。多源数

据库的建立为大气污染扩散模拟及大气质量评价分析提供数据支持。系统开发设

计的总体思想是采用. NET 平台和ArcEngine组件开发, 通过ArcSDE 和专用开

发数据接口, 来管理和转换空间数据及属性数据, 并为其提供动态的数据交换

功能[9]。系统从结构功能上由3大功能模块构成, 即大气环境数据库系统、大气

污染GIS操作平台和大气污染GIS应用平台。其中大气环境数据库系统是系统构建

的基础, 主要由数据获取、数据组织存储和数据管理等部分组成; 大气污染GIS

操作平台主要提供GIS基本功能及其基础操作环境, 主要由空间数据查询、空间

数据编辑、空间数据发布、空间分析、等值线分析以及数据管理等部分组成; 大

气污染GIS应用平台主要提供基于GIS的大气污染模拟应用和评价分析功能, 该

部分是系统构建的核心。

2.2系统数据库设计

系统数据库的设计主要遵循当前业务需求和中、远期目标相结合的原则, 并

充分考虑到大气环境保护工作保护机构职能的可调整性和可扩展性, 同时还要

注意到系统数据专用性和通用性的相结合[10] 。系统数据库分为SQL Server数

据库和Access本地数据库两类。SQL Server中的数据主要包括通过ArcSDE空间数

据引擎管理的空间数据和系统底层的属性数据(污染源数据、环境质量数据、气

象数据三部分)。本地Access数据库主要用来保存程序的中间数据和一些经常需

要改动的非地理信息数据，如大气监测数据、网格数据表、面源排放表等。[11]

3.系统主要功能的实现

3.1GIS支持下的大气扩散模型综合应用

GIS的空间分析和空间数据管理的优势可以为大气扩散模型提供一整套基于G

IS逻辑原理的空间操作规范, 特别适用于具有空间分布特性的大气扩散模型此

类问题的迁移、扩散、动态变化及相互作用研究等。

3.2GIS在大气污染扩散数值模拟中的应用

在GIS支持下的大气污染扩散模拟实现过程中, 关键在于将GIS空间分析手段

与大气污染物扩散模型进行系统集成。大气污染扩散数值模拟过程主要分为预处

理、模拟计算和GIS输出3个阶段。[12]

3．3GIS环境下大气质量评价功能的实现

在选定了大气环境质量评价参数之后, 收集整理待评价的样本及对应的参

数数据, 将大气质量评价样本与规定的各级环境质量标准进行比较辨识,判定与

哪一级环境标准最接近, 从而得出相应的大气环境质量评价结论[13]; 然后在G

IS 系统的支持下基于网格数据, 通过空气污染指数法对大气空气质量进行等级

评价; 最后在GIS系统平台下利用专题图分析功能实现对大气质量的评价分析。

4.可视化研究

在具体的某一项目区进行大气污染扩散研究时, 利用数字技术, 在电脑平

台上对具有空间内涵的对象作可视化处理, 能够很直观地在屏幕上反应污染源

分布及大气污染扩散结果。在可视化时, 首先要求统一坐标系, 这样才能直观地

反映真实, 也便于进行空间分析, 获取所需的地理信息, 如距离、面积等。[14]

近年来GIS与空气质量模式的结合应用越来越多。美国环境保护署（Environmental

ProtectionAgency，EPA），将酸沉降模式、城市空气质量模式、拉格朗日空气

污染模式等多种区域空气质量模式模拟的结果以 GIS 为工具进行空间分析，并

提出建设能够分析 GIS 支持下的大气污染扩散模拟与总量控制研究以及进行

空间模拟的模式集成体系，为用户提供便利快捷的空间分析工具[15]。Tchepel 等

[16]以 GIS 为工具，利用中尺度大气模式，对 O

3

浓度的时间和空间分布进行模

拟，模拟过程显示 GIS 在中尺度大气模式的数据处理中具有无法替代的作用。

Dragosits 等[17]以局地 SO

2

的干沉降模式为基础，前者用Arc/Info 本身的宏语言

AML 编程建模，后者由 AML 及 Fortran 语言共同编程建模，通过 ASCII 文

件交换数据模拟结果，然后定性和定量地对比了两种模拟结果，显示单纯 GIS

模式的模拟结果比后者 GIS 与 SO

2

干沉降模式相结合的模拟结果慢 2 个数量

级，说明现有的 GIS 软件本身对复杂问题的模拟效果较差，而GIS 与大气质量

模型的结合则可以发挥两者的优势。

5.结语

与GIS 整合是大气扩散模型的重要发展趋势。该技术的主要发展方向一是商

业化与GIS 软件结合的大气扩散模型正在不断发展；二是利用通用的开发语言和

GIS 开发工具由模型应用者进行不断深入地开发，从而实现GIS、大气模型和具

体工作的深入结合。