基于GIS的大气污染物扩散模拟系统设计与实现

摘要

近年来，我国频繁发生雾霾等大气污染事件，不但危害了人们的身体健康，同时影响能见度，给人们的日常出行带来极大的不便，因此，有必要对其进行治理。准确把握大气污染物在空气中的扩散迁移规律，是对其进行治理的前提和依据。大气扩散模型是模拟污染物扩散规律的重要工具，可以根据污染源的位置、排放量和当地的气象条件等信息，预测出污染源周围污染物的浓度。但大气扩散模型的不足之处在于，模型计算的结果通常以数据文本文件的形式输出，表现力不够，对于非专业人士难以理解。地理信息系统是对气象、地形、人口等地理信息进行存储和管理的工具，具有强大的空间表现能力，但其缺点是缺乏必要的数据分析和处理能力。
　　针对上述地理信息系统与大气扩散模型各自的优势与不足，本文在对高斯扩散模型的基本结构、参数确定方式、GIS二次开发方式等做了深入研究后，基于高斯烟羽模型AUSPLUME与GIS二次开发平台ArcGIS Engine设计并实现了大气污染物的扩散模拟系统，该系统采用紧密耦合的方式将二者进行结合，通过统一的用户界面，实现扩散模型从地理信息系统中获取模型运行所需要的气象、地形等数据，地理信息系统对扩散模型的计算结果以等值线、区域面的方式进行可视化表达，二者在功能上实现互补。
　　利用天津市环保物联网发布的天津蓟县地区2014年1月和2月的气象数据，对本文设计并实现的扩散模拟系统进行验证，结果表明，该系统可以实现扩散模型和地理信息系统之间的内部数据交换，操作简便出错率低，同时能够直观的反应出主要受影响区域及污染的程度，实现扩散结果的查询、分析等功能。为进一步对系统的功能进行验证，将系统在天津市环保局进行在线试运行，运行结果表明，该系统性能稳定、所得计算结果与实际监测结果吻合较好，对扩散结果进行可视化后能够直观准确的把握污染物的影响范围，可以为大气污染的研究和治理提供有力的支持，同时能够在突发性大气污染事件的应急处理中起到辅助决策的作用，系统的功能和性能得到了环保局工作人员的肯定。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．1．1 大气污染物的定义及分类

1．1．2 大气污染物的来源

1．1．3 大气污染的危害

1．1．4 我国大气污染现状

1．2 大气污染扩散模拟系统的研究综述

1．2．1 常用大气扩散模型

1．2．2 大气扩散模型的研究现状

1．2．3 GIS与扩散模型结合现状研究综述

1．2．4 当前大气污染物扩散模拟系统的缺陷

1．3 本文研究目标与内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 本文章节安排

第二章 地理信息系统及其开发平台概述

2．1 地理信息系统概述

2．2 桌面GIS概述

2．3 嵌入式GIS

2．3．1 ArcGIS Engine概述

2．3．2 ArcGIS Engine主要类库

2．4 空间数据库

2．4．1 空间数据库的定义

2．4．2 空间数据库的特点

2．4．3 Geodatabase空间数据模型

2．4．4 Geodatabase的统一存储框架

2．5 大气扩散模型与GIS的集成方式

2．5．1 松散耦合

2．5．2 紧密耦合

2．5．3 完全集成

2．6 本章小结

第三章 大气污染物扩散模型

3．1 高斯扩散模型

3．1．1 高斯扩散模型的假设条件

3．1．2 高斯烟团模型

3．1．3 高斯烟羽模型

3．2 高斯模型中参数的确定

3．2．1 大气稳定度等级的确定

3．2．2 扩散系数σx、σy、σz的确定

3．2．3 烟气抬升高度的确定

3．2．4 混合层高度的确定

3．3 污染物扩散过程影响因子研究

3．3．1 风速风向

3．3．2 大气稳定度等级

3．3．3 泄漏源参数

3．3．4 地形状况及地面物体

3．3．5 大气污染物自身的性质

3．4 高斯烟羽模型AUSPLUME

3．4．1 扩散模型AUSPLUME运行数据

3．4．2 AUSPLUME扩散模型输出文件

3．5 本章小结

第四章 基于GIS的大气污染物扩散模拟系统的设计与实现

4．1 系统需求分析

4．1．1 系统目标及系统总体需求分析

4．1．2 系统数据需求分析

4．1．3 系统开发环境

4．2 系统功能架构及总体设计

4．3 GIS功能模块设计

4．3．1 地图浏览与测量功能实现

4．3．2 信息查询统计

4．3．3 鹰眼图

4．4 扩散模拟结果可视化功能模块设计

4．4．1 浓度图层的生成

4．4．2 IDW插值

4．4．3 生成等值线

4．4．4 等值线区域填充

4．5 本章小结

第五章 系统核心功能测试

5．1 地图基本功能展示

5．1．1 主要控件说明

5．1．2 鹰眼图功能展示

5．2 扩散模拟及可视化功能展示

5．2．1 单一点源的污染物扩散过程模拟

5．2．2 单一区域污染源扩散过程模拟

5．2．3 属性查询功能展示

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文主要工作及成果总结

6．1．1 论文主要工作

6．1．2 论文主要成果

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢