基于GIS的珠三角区域空气质量实况发布平台介绍

徐伟嘉，尹 萌，李红霞

1．东莞中山大学研究院，广东 东莞 523808

2．中山大学先进技术研究院，广东 广州 510275

3．中山大学低碳科技与经济研究中心，广东 广州 510275

随着经济的高速发展和城市化进程的加速，我国整体大气污染日趋严重，特别是京津冀、长三角和珠三角等经济快速发展地区，出现了不同程度的区域性大气复合污染问题，对人群健康构成了严重的危害［1-5］。目前，美国［6］、欧洲［7］和日本［8］等发达国家已经建立了比较先进的空气质量监测网络。近年来，我国各地也陆续开展了空气质量监测网络的建设与空气质量实况的发布工作［5，9］。2012年2月29日国家发布了《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，在原有 SO2、NO2、PM103种监测目标的基础上新增了CO、O3、PM2.5等污染物，收窄了污染物浓度限值，监测数据有效率标准从原来的75%增至87.5%，提高了空气质量监测数据的时效性(从日报提高到实时报)。空气质量新标准的发布，对监测数据的有效性、实时性、准确性等提出了更高的要求。全国空气质量监测网络面临着从监测设备、网络、信息系统、质量管理技术等的全面升级换代［10-11］。

以新发布的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)和《环境空气质量指数AQI技术规定》(试行)(HJ 633—2012)为依据和标准，设计开发了基于GIS的珠三角区域空气质量实况发布平台，并于2012年3月8号率先向社会公众发布了珠江三角洲区域空气质量实况。该平台实时发布了珠三角区域的62个监测点位的SO2、NO2、CO、O3-1 h、O3-8 h、PM10、PM2.5的 24 h 滑动平均值(O3-1 h与O3-8 h为最大值)与最近1 h的实时值及AQI相关信息，实现了从数据的采集、传输、处理、发布全过程的自动化与网络化。

1 平台总体设计

1.1 系统平台物理结构设计

系统平台在物理结构上由空气质量自动监测站和区域监测网络监控中心2个部分构成(图1)。空气质量自动监测站是整个监测网络的基础组成部分，各空气质量自动监测站独立运行完成对大气环境要素的自动采集，向监控中心实时报送监测结果，接收并完成监控中心下达的控制指令。监控中心支撑区域空气质量实况发布平台及其前端发布网站的运行，接收来自各空气质量监测站的实时数据，并为生成的实况信息提供发布服务。

图1 系统平台物理结构示意图

1.2 系统平台软件结构设计

区域空气质量实况发布平台在软件结构上分为子站监控系统与监控中心平台2个部分(图2)。子站监控系统主要具备数据采集、数据传输、子站环境监控、分析仪器状态监控等功能，实现对空气质量自动监测站分析仪器数据的实时采集与上报。监控中心平台设计采用由数据存储、业务逻辑和应用访问构成典型的3层架构，在网络与硬件平台的支撑下，与子站监控系统进行数据交换，获取区域监测网各监测站点的实时数据。

1.3 系统平台业务数据流设计

区域空气质量实况发布平台的数据流主要分为3个部分(图3):监测站的数据采集与报送，监控中心的数据接收、存储、审核与分析，网站发布。区域空气质量监测网络监控中心接收来至监测网络内各站点的实时数据并存入中心数据库。在数据处理阶段，根据数据标识对监测数据进行有效判定(包括一般性数据审核与异常数据审核)，剔除无效数据。空间分析与GIS模块将自动审核后的有效数据进行插值，形成空气质量区域空间分布结果，由GIS模块生成矢量图层与相关的电子地图合成为发布专题图推送到网站进行发布。

图2 系统平台结构示意图

图3 系统平台业务数据流示意图

2 发布平台功能设计

发布平台由后台管理和前端发布2个部分构成。后台管理是发布平台的基础支撑功能部分，为空气质量发布平台提供了全面完整的后台管理，前端发布模块对后台处理的结果进行展示，丰富呈现了空气质量实况。

2.1 前端发布功能设计

平台的前端发布模块基于电子地图的可视化空间分布，实现了对公众实时发布珠三角区域的62个监测点位的空气质量实况，展示了监测因子SO2、NO2、CO、O3-1 h、O3-8h、PM10、PM2.5、AQI 的实时滚动值，同时显示生成的区域空气质量状况渲染图。

空气质量实况发布平台包括地图浏览、数据列表、污染物空间分布和地图配置等功能。地图浏览实现地图缩放、拖动、浏览等功能;数据列表展示了监测站点的具体位置及其类型;污染物空间分布显示了各种监测因子的24 h滑动平均值(O3-1h与O3-8h为最大值)与最近1 h的实时值及AQI的相关情况，包括最近24 h的AQI、空气质量级别、首要污染物、健康指引以及建议采取的措施;地图配置为平台提供了2种地图的选择方式，包括地形图与交通图。

2.2 后台管理功能设计

2.2.1 监测网站点管理与编辑

监测网站点的管理与编辑包括站点管理、站点信息管理和站点参数管理等功能。管理人员可进行发布站点的增加与删除操作;站点相关信息配置管理，包括站点名称、站点位置、联系人、联系方式、站点图片的编辑等;站点监测参数管理包括参数种类配置与管理。

2.2.2 数据质量控制与保证

数据质量控制与保证包括对SO2、NO-NO2-NOx、O3和CO等多种污染物分析仪的远程零点检查、跨度检查、精度检查、检查多点、零点校准、跨度校准等功能，并能对质控操作执行率及生成的质控报告进行管理。还具有远程控制、站房巡检、质检管理、标气传递、流量传递、臭氧标准传递和有效期查询等功能。

2.2.3 数据审核与管理

数据审核实现了对监测数据质量的审核与管理，包括数据自动审核、对自动审核功能的配置与管理、人工审核以及自动生成报表等功能。数据自动审核功能可以满足AQI小时值数据的实时滚动发布要求;对数据审核过滤与筛选的规则和条件进行人工设置和管理;可对监测子站的污染物浓度值进行查询、审核、修改和保存。自动生成报表功能提供了包括珠三角区域年报、季报、月报、日报等报表的生成功能，且可导出为excel表格。

2.2.4 数据统计与分析

数据的统计与分析实现数据的查询、分析与统计等功能，包括时间序列分析、空间渲染分析与后向轨迹分析3个部分。

2.2.4.1 时间序列分析

时间序列分析包括空气质量过程分析、城市空气质量状况查询、空气质量报表、基础查询4个部分的内容:空气质量过程分析实现对发布的24 h和1 h实时数据提供单站点多监测因子和多站点多监测因子查询功能，生成序列图，分析各污染物的时间变化特征及相关性;城市空气质量状况查询，实现对各监测因子监测值的查询以及对城市环境空气质量指数AQI当前情况与历史状况的查询;空气质量报表，包括空气质量日报表以及周、月报表的自动生成，并提供导出与打印功能;基础查询主要包括发布数据浓度值、AQI与分指数查询等。

2.2.4.2 后向轨迹分析

系统的后向轨迹分析功能是基于GIS平台展示超级站及相关常规站点的历史后向轨迹状况。基于WebGIS技术，在电子地图上绘制出相应时间尺度内的后向轨迹曲线。该模块的主要功能:数据智能下载，具备无人值守每日自动更新下载气团后向轨迹数据，存入指定数据库;轨迹分析功能可选择站点、日期，对其进行 24、48、72、144 h的任意后推后向轨迹分析操作。

2.2.4.3 空间渲染分析

平台的空间渲染模块为管理人员提供区域空气质量空间分析动态插值与渲染功能，直观地展示空气质量实时空间分布特征，实现对监测因子的空气质量空间分析动态插值渲染功能，直观地展示了区域空气质量实时空间分布特征。平台的空间渲染模块需要根据各站点的小时值、日均值等实时生成污染物浓度空间渲染图，利用GIS技术实现这一目标。

2.2.5 发布配置与监控

发布配置与监控包括站点配置、情况监控、发布故障报警和发布配置等功能。实现对发布站点的选择;查看当前发布情况列表及过去24 h发布数据的曲线图;发布故障报警，包括对数据缺数、数据异常、发布文件生成错误或缺失等情况以邮件、短信等方式进行报警;实现对数据发布时间的配置和管理以及数据补发的时间设置管理能力。

2.2.6 系统管理

系统管理实现平台访问与管理的分级管理功能，包括用户管理和权限管理等功能。实现基本的用户添加、删除功能;对用户使用与数据操作权限的管理和配置，实现平台的多级权限管理机制。

3 关键技术应用

3.1 GIS插值技术

珠江三角洲区域监测因子的监测值是离散的，为了展示整个区域的空气质量状况，需要将未知数据地区的污染物浓度值利用插值方法得出［12］。ArcGIS提供了反距离权重插值法、样条函数法、克里金法等一些特定用途的空间插值函数。经过优化模拟可知，反距离权重插值法的结果能更好地反映珠三角地区的实际污染情况。

反距离权重插值以插值点与实际观测样本点之间的距离为权重，权重贡献与距离呈反比［13-14］。其计算公式:

式中:Z为插值点属性值;Z(xi)为第i个实测样本值;n为参与计算的实测样本数;di为插值点与第i个站点间的距离;p为指定的幂。

反距离权重插值法要求对受影响的局部控制点有清楚的认识，且其结论直接受到采样点数值的影响，采样点越多，对局部的真实反映越强，利用反距离权重插值法所确定的污染范围就越准确［13］。

将监测区域在图上网格化，以监测到的离散点的污染浓度数据为样本数据，运用反距离权重插值法插值计算出网格每一个节点污染物浓度值，从而将离散点的污染物浓度数据转换为整个区域的曲面数据，进而为空间渲染做好数据准备。

3.2 GP模型渲染技术

利用ArcGIS提供的GeoProcessing(简称GP)功能模块，构建空间分析的地理处理模型，自动执行、记录及共享多步骤过程(即工作流)，自动执行空间分析任务，实现流程自动化，保障了逐时滚动发布浓度值的实时性［15］。

GP模型主要完成监测区域内污染物空间分布的渲染，实现对监测值的逐时、日均、年均值的空间分布分析与渲染［16］。

如图4所示，实现污染物的空间分析与渲染的主要过程:①获得区域各监测站点的经度、纬度、数据结构等信息，并通过图层处理模型生成监测点位图层;②利用反距离插值模型结合空间分析边界信息、监测点位图层和污染物监测数据计算生成污染物空间分布图;③将污染物空间分布图与珠三角区域电子地图进行叠加并结合污染物监测数据生成污染物空间分布专题图。

图4 污染物空间渲染模型流程图

3.3 监测数据自动审核技术

3.3.1 基础概念

修正:为了使发布的数据尽量科学合理，对数据进行校正。

修约:通常作为计算结果的最后一步处理，主要是处理小数位的问题。监测浓度数据采用四舍五入的方式修约;AQI的修约则在24 h监测数据结果修约后的基础上进行，最后采用进一法。

8 h及24 h均值浓度的统计:基于原始数据及修正后的数据(若已修正)进行统计平均;因缺数而延续的值不再重复参与相应时段均值统计。

3.3.2 小时值数据修正规定

每小时的半点直接从监测站取回 SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10、CO 6 个项目的小时均值数据。各项目数据的修正规定如表1所示。

3.3.3 滑动均值计算方法

O3滑动8 h均值(O3-8 h滑动均值)计算方法:当前小时的前8 h内O3小时浓度的算术平均值。若前8 h的O3小时浓度均为无效数据时，则按滑动均值缺失处理。

滑动24 h均值计算方法:当前小时的前24 h内某污染物小时均值的算术平均值。若前24 h的小时均值均为无效数据时，则不计算该小时24 h滑动均值，显示为“—”。

各项目计算24 h滑动值方法:①SO2、NO2、PM2.5、PM104个项目采用24 h内有效的原始数据(未经过四舍五入)及修正后的数据(若已经修正)求平均值，对结果采用四舍五入法并取整后作为24 h滑动值。②O3、O3-8 h 2个项目采用24 h内有效的原始数据(未经过四舍五入)及修正后的数据(若已经修正)求最大值，对结果采用四舍五入法并取整后作为24 h滑动值。③CO项目采用24 h内有效的原始数据(未经过四舍五入)及修正后的数据(若已经修正)求平均值，对结果采用四舍五入法并保留3位小数后作为24 h滑动值。

4 系统实现

系统采用 Microsoft Visual Studio．NET 2010开发，GIS平台采用Web ArcGIS 10.0。系统以组件形式集成了城市电子地图，展现了各自动监测站点的空间分布情况以及各站点的详细信息。

系统采用了主流的关系型数据库SQL Server2008，该数据库引擎可为实时监测数据提供安全可靠的存储，实现数据的快速备份与恢复，满足系统数据存储与数据安全要求。支持多数据结构及海量数据管理，保障系统数据交互的扩散功能。

客户端开发采用PC机，CPU为 Intel Core Duo 2.93 HZ，内存2 G，硬盘 500 GB。

服务端服务器配置:CPU为Intel Xeon 5600，内存为8 G，硬盘为2TB。

5 结语

根据空气质量实况发布和新标准的特点和要求，建立了珠三角区域空气质量实况发布平台，特点:实时发布、覆盖范围广，逐小时实时滚动发布珠三角区域的62个监测点位的空气质量实况;发布内容全面，涵盖新标准的所有指标SO2、NO2、CO、O3-1 h、O3-8 h、PM10、PM2.5、AQI，不仅发布区域整体污染形势，还能实况显示具体点位的逐小时监测结果，提供出行与健康指引;应用GIS技术进行插值与渲染，直观地展示空气质量实时空间分布特征，实现对监测因子的空气质量空间分析动态插值渲染功能，直观地展示了区域空气质量实时空间分布特征;基于后台管理模块，不仅实现数据查询、储存、处理等功能，而且建立了应对突发状况的报警功能。

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