ArcGIS在城市交通污染分析中的应用

【A bs tra c t】T h is p ap er first g ives a b rief in t roduct ion of A rcG IS, and it s app lica t ion in u rban t raffic po llu2 t ion ana lysis. T hen ba sed on au tom ob ile em ission m odel, d isp ersion m odel and A rcG IS funct ion, a system fram ew o rk is estab lished concern ing u rban t raffic po llu t ion ana lysis. F ina lly, the im po rtance of A rcG IS is po in ted ou t in u rban environm en t po llu t ion m on ito ring and m anagem en t. Ke y w o rds: t raffic po llu t ion; em ission m odel; geog rap h ica l info rm a t ion sy stem (G IS)
城市在发展过程中会占用相当多的农田、水域 或绿地, 也会带来交通出行需求和运输需求的快速 增长, 由此引发了城市环境容量下降, 交通污染增加 (本文主要指机动车尾气污染)。 表 1 显示了世界部 分大城市的大气污染情况, 而这其中, 交通污染是首 要问题。 根据联合国公布的数据, 机动车尾气污染已成
பைடு நூலகம்
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18
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NO 2 m 3
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57
26
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注: 据世界银行统计资料 (1998 年)
收稿日期: 2004206216 修订日期: 2005208229 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (70501020) ; 上海市哲学社会科学资助项目 (2004BZH 005) 作者简介: 侯立文 (19722) , 男, 博士, 副教授。 主要从事交通信息系统分析和系统仿真研究。
图 3 道路网络层
(2) 在 A rcM ap 下绘制、编辑或从外部导入道 路红线两侧建筑物图, 建立层, 用形状区分建筑物性 质, 矩形表示民用住宅性质, 多边形表示商用性质 等。 属性值要求包含要素: 建筑物性质, 交通高峰时 逗留人群数, 人群年龄构成比例, 如图 4 所示。 (3) 依据环境因子, 如大气空间、风速、风向、太 阳辐射、空气温度、气流稳定性、水域和绿地资源等, 代入环境容量模型, 计算给定条件下, 环境承受和净 化污染的调节能力; (4) 通过监测或仿真的形式, 预测 (年、季、月或 日) 高峰小时交通网络中各路段的交通量, 并将其代入 路段或交叉口污染排放和扩散模型, 计算污染浓度值。
第 15 卷 第 3 期 2006 年 6 月
系统工程理论方法应用
SYST EM S EN G IN EER IN G- TH EO R Y M ETHODOLO GY A PPL ICA T ION S
文章编号: 100522542 (2006) 0320270205
V o l. 15 N o. 3 J un. 2006
图 5 某一特征污染物分布层
(6) 将上述道路层、建筑物层和污染分布层做 透明叠加处理, 根据道路两侧建筑物性质、人口分布 密度、人口分布时间特征进行综合分析评价。当污染 程度> 环境容量值时, 用红色表示警示, 并依据该评 价结果, 分析现有状况下交通污染对人们健康的危 害程度。
( 7) 根据市区级各监测点的污染指标, 结合现有 污染数据, 通过A rc IM S 进行有关监测数据分析和专 题图、统计图的网络发布, 提高地理信息共享程度。
为了研究机动车的尾气排放及扩散情况, 需要 对排放和扩散的特征进行描述和预测, 由于N icho2 son 箱式模型的修正形式和V ohn son 模型就是针对 交叉口和路段污染特征而建立的, 故作为以下排放 分析的理论基础。
对于污染的扩散, 由于在平坦地形上, 一条平直 繁忙的道路可看作一无限长线源, 污染物在横风向 产生的浓度处处相等, 而一无限长线源又可看成是 由无限多个点源组成的, 线源产生的浓度相当于其 组成点源在该线源长度上的积分。因此, 通过对点源 扩散的高斯模型进行积分, 便可获得线源扩散模型。
下面利用A rcG IS, 根据所选取的污染物排放和 扩散模型, 详细分析和说明城市某一交通区域的污 染状况。
2 城市交通区域污染分析
2. 1 步 骤 目前, 从整个路网角度研究交通污染状况的文 献还较少[3], 而在国际上也才开始运用 SCOO T 区 域交通控制系统估算车辆的排放物, 系统的运行需 要 实 时 快 速 传 输 数 据, 以 保 证 分 析 结 果 的 实 时 性[4, 5]。 本文利用 A rcG IS 缓冲区分析和叠置功能, 以及机动车尾气排放和扩散模型, 说明城市交通污
表 1 世界部分城市大气污染情况表
为城市的主要污染源。在上海市, 机动车尾气和噪声 已成为上海中心城区的主要污染源。据监测分析, 上 海市中心城区大气中机动车排放的一氧化碳、碳氢 化合物和氮氧化合物的分担率分别达到 87%、97% 和 74% , 已成为影响上海大气环境质量的主要因 素。 表 2 所示为世界部分大城市机动车尾气污染占 大气污染的百分率。
第 3 期
侯立文, 等: A rcG IS 在城市交通污染分析中的应用
271
表 2 部分城市机动车尾气排放污染物分担率 (% )
美国 日本 德国 北京 上海 重庆
CO HC NO x 微粒
82 94. 6 65
63
86 79. 5
58 67. 1 39
74
96
42
48
69
55 46. 0 56
77
析的区域道路交通网络图, 建成道路层。图形要求包含 的要素有道路中心线 (点划线) 和道路红线 (实线) , 取 灰色为颜色参考值。 属性要求包含的要素有: 道路编 号, 宽度, 等级, 路名, 道路通行能力, 如图 3 所示。
图 4 道路两测建筑分布层
(5) 将污染浓度作为缓冲值, 绘制污染扩散缓 冲范围分析图, 以灰度级或点阵的疏密表示污染程 度, 形成层, 每种污染特征值指标, 如氮氧化物、硫氧 化物, 甚至是噪声, 分别作为一层, 如图 5 所示。
1 ArcG IS 功能特性与污染模型选取
下面将针对路网中路段和交叉口的不同特性, 选择相应的交通污染排放和扩散模型, 再结合A r2 cG IS 中与交通污染分析密切相关的部分功能, 对某 一交通区域进行综合分析。
由于 A rcG IS 可以将交通流模型、交通分配模 型、机动车尾气排放模型、扩散模型以及相关的空间 和属性数据整合, 并使得城市交通污染的空间分布、 分析与评价可视化, 并且更直观生动, 因此是进行环 境分析评价的有效工具。 同时基于 In ternet 的 A r2 cG IS 提高了数据共享程度, 使任何网上用户和部门 可以及时准确地获取地理信息, 进行基于位置的查 询分析。 另外, 为方便政府管理部门规划与管理决 策, A rcG IS 可以提供动态实时的交通污染状况分析 报告, 并且还能根据所积累的数据进行中长期预测, 这对城市的整体发展规划极为重要。
人口与污染物
北京
上海
广州
东京
伦敦
纽约
巴黎
柏林
米兰
墨西哥
人口 万人
1 223. 4 1 306. 6 674. 1 2 695. 9 764. 0 1 633. 2 952. 3
331. 7
425. 1
1 652. 2
悬浮颗粒 m 3
377
246
295
49
-
-
14
50
77
279
SO 2 m 3
90
53
关键词: 交通污染; 扩散模型; 地理信息系统 中图分类号: U 491 文献标识码: A
Appl ica tion of ArcG IS in Urban Traff ic Pollution Ana lysis
H OU L i2w en1, T A N J ia2m ei2, J IA N F u1
根据上述分析步骤, 还可以计算给定污染物在 不同时期内的扩散浓度、确定在不同时间污染扩散 的范围, 生成不同时期的污染预测图形, 为污染源规 划决策和质量管理提供科学依据。 利用预测结果和 不同时期的环境污染数据进行比较, 得出环境污染 增长和减少规律, 预测环境污染的发展趋势[6]。 2. 2 实 例 以上海市徐汇区所属淮海西路、华山路、番禺路 和虹桥路等主要道路形成的一基本路网结构为例,
(1. A n ta i Schoo l of Econom ics and M anagem en t, Shangha i J iao tong U n iv. , Shangha i 200052, Ch ina; 2. Schoo l of T ran spo rt & Comm un ica t ion s, Shangha iM a rit im e U n iv. , Shangha i 200135)
ArcG IS 在城市交通污染分析中的应用
侯立文1, 谭家美2, 蒋 馥1
(1. 上海交通大学 安泰经济与管理学院, 上海 200052; 2. 上海海事大学 交通运输学院, 上海 200135)
【摘要】介绍了A rcG IS 在城市交通污染分析中的作用, 并根据机动车尾气排放模型和扩散模型, 构建了 基于A rcG IS 的城市交通大气污染分析系统框架, 最后指出了A rcG IS 在城市环境污染监测和管理体系中的 重要地位。
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系 统 工 程 理 论 方 法 应 用
染的分析评价步骤, 并设计出基于 A rcG IS 的城市 交通污染分析评价与控制管理系统框架 (见图 2)。
第 15 卷
图 2 基于 A rcG IS 的城市交通污染分析评价与 控制管理系统框架图
分析评价步骤: (1) 在A rcM ap 下绘制、编辑或直接导入所要分
8
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9. 4 -
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广州
88. 8 91
79. 3 -
将基于相同地理环境下的不同属性特征层进行叠 加, 分析各特征的综合影响。
机动车污染虽然属于移动污染, 但在城市道路 和交叉口周围, 机动车尾气污染的浓度远远大于城 市其他区域, 形成城市中污染物浓度较高的走廊地 带。 这种由城市交通带来的污染对人们健康的影响 是相当严重的, 但遗憾的是, 目前的研究多数还只是 立足于单纯的定量或定性的数据分析, 而对于以现 实地理环境、人居环境为背景的城市交通系统整体 分析研究还比较欠缺, 还不能形成污染分布及其影 响的整体评价体系。 本文借助于美国环境系统研究所 ( Environ2 m en t System R esea rch In st itu te, ESR I) 开发的 A r2 cG IS 地理信息系统软件, 进行城市交通污染分析评 价, 将相同地理背景下的交通环境、污染特征和人居 状况叠置在一起进行综合分析, 而不是孤立地看待 污染这一现象, 从而为城市交通污染分析和评价提 供切实可行的参考依据。
本文的研究主要是基于 A rcToo lbox 进行的, 它不仅用于确定地理要素之间的关系, 而且还能作 为空间分析 (3D Sp a t ia l A na lysis) 的工具, 如在缓冲 区分析中, 就是根据地理空间已构成拓扑结构的点、 线、面实体, 自动建立其周围一定范围内的缓冲区多 边形, 如图 1 所示。 叠置分析也是一种空间分析, 它
图 1 缓冲区分析示意图
交通量是具有时间和空间序列的变量, 因而交 通污染也具有此特征。 交通污染监测点分布在整个 交通网络上。不同时段的信息变化, 空间信息及其他 各 类 信 息, 无 疑 是 海 量 数 据, 而 A rcG IS 的 产 品 A rcSD E 可提供对这些海量数据的有效管理, 搜集、 整理交通污染源的空间位置信息、特征信息以及各 种污染因素的主要污染物、扩散范围等, 建立起空间 地理信息数据库。同时,A rcSD E 采用的是 C S 体系 结构, 因而支持大量用户并发地对同一数据进行操 作。