基于GIS的环评可视化系统在环评中的应用

摘要：基于地理信息系统（GIS）的环评可视化系统能够以地图叠加显示的方式，准确直观地模拟有关建设项目的污染物扩散对周边环境的影响，因此在环境影响评价中有着非常重要的应用。通过引入环评实例，介绍了一个基于地理信息系统开发的环评可视化系统在大气环境、地面水环境及声环境环评中的应用。

关键词： 地理信息系统；可视化；环境影响评价

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）22-0232-04

Abstract：By using the map overlay displaying， the GIS-based environmental impact assessment （EIA） visualization system can accurately and visually simulate the evaluation of the potential impacts on the emanating pollution from the concerned construction item， so it has very important application in EIA. With some true EIA examples， a GIS-based EIA visualization system is introduced to show its application in the EIA of the atmospheric environment， the surfacewater environment and the noise environment.

Key words：Geographic information system（GIS）；visualization； environmental impact assessment （EIA）；

1 概述

地理信息系统（GIS）是一个管理、存储、查询、分析与显示地理数据的计算机系统，基于GIS的环评可视化系统能够实时、准确、直观地显示建设项目污染物排放的扩散情况，分析其对周边环境敏感区域的影响，因此在环境评价工作中有着非常重要的作用[1-5]。

在目前的基于GIS环评可视化研究中，主要局限于少数离散点的环评计算，并且在可视化显示中是通过调用专用等值线生成软件来实现等值线生成。能够实现关心区域内海量点的污染物浓度场计算，并将其可视化生成等值线图及区域填充图的系统仍很少。要实现上述目标，存在着三个难点：1）环评关心区域轮廓线提取及区域内计算网格生成问题；2）区域污染物浓度计算问题；3）区域计算结果的可视化显示问题。

本文介绍了一个自行开发的基于GIS环评可视化系统，该系统在Mapinfo地理信息系统上二次开发获得，成功地解决了上述难点问题并在环评实践中取得很好的效果。

2基于GIS环评可视化系统的功能模块

基于GIS的环评可视化系统主要包括大气环境环评模块、地面水环境环评模块及噪声环境环评模块，如图1所示。

2.1 大气环境环评模块

本模块是依据国家大气环境影响评价技术导则[6]进行建设项目大气环境影响评价计算。如图2所示，主要包括污染物源强计算、烟气举升高度计算、点污染源影响预测计算、面污染源影响预测计算、线污染源影响预测计算、多源叠加污染物影响预测计算及卫生防护距离的计算。本模块计算的大气常规污染物包括：二氧化硫、颗粒物（TSP、PM10）、二氧化氮、一氧化碳等污染物，按形态可分为颗粒污染物与气态污染物，其中粒径小于15μm的颗粒物视为气态污染物。

其中的点污染源是指烟囱等距地面一定高度的集中排放固定点状源。面污染源是指在一定区域范围内，以低矮密集的方式自地面或近地面的高度排放污染物的源，如工艺过程中的无组织排放、储存堆、渣场等排放源。线污染源是指污染物呈线状排放或者由移动点源构成线状排放的污染源，如城市道路的机动车排放源等。

2.2 地面水环境环评模块

本模块依据国家地面水环境影响评价技术导则[7]进行厂矿等建设项目的地面水环境影响评价。如图3所示，主要包括建设项目污染物排放点下游河流关心点处的污染物浓度预测计算、污染物岸边排放后河流沿程污染物浓度变化计算、河流污染物总量控制排放量计算等。本模块计算的地面水环境污染物包括四类，1）持久性污染物：是指在地面水中很难分解、挥发的无机盐、重金属等污染物；2）非持久性污染物：是指在地面水中可逐渐减少的耗氧有机物污染物；3）酸碱污染物：指各种废酸废碱等污染物，其主要水质参数是污染物的PH值；4）废热：指由排放废热水所引起的污染，其水质参数是水温。

本模块的评价对象主要为河流，依据河流的地理属性将其分为平直河流与弯曲河流两类，采用不同的评价数学模型进行污染物扩散计算。

2.3 噪声环境环评模块

本模块依据国家声环境影响评价技术导则[8]进行建设项目环境噪声影响评价。如图4所示，主要包括公路建设项目周边噪声预测、高架高速公路及城市快速道路建设项目周边噪声预测、城市轨道交通建设项目周边噪声预测、机场航线周围飞机噪声预测及工业企业建设项目周边噪声预测。在公路及高架高速公路噪声预测中，其污染源为行驶的机动车。在城市轨道交通与机场航线噪声预测中，其污染源分别为地面轨交车辆及飞机。上述污染源均为线源，而工业企业噪声预测中的污染源为机器设备等点污染源。

本模块中的评价对象为建设项目周边一定距离内的噪声关心区域，其长度依据环评导则制定。

2.4 可视化显示模块

本模块是读取前述模块计算得到的区域污染物分布TAB表，将浓度场可视化后生成可视化图层，将可视化图层与关心区域背景图层叠加显示，供环评人员分析研究并得出环评结果。如图5所示，该模块能够实现大气环境环评中的点源、线源及面源关心区域的污染物浓度可视化，地面水环境环评中的岸边排放污染物沿河流流向扩散浓度的可视化，噪声环境环评中公路、高架道路、城市地面轨道交通、机场周围及工矿企业周边的噪声可视化。

3基于GIS环评可视化系统的关键技术

要实现基于GIS的环评可视化系统，需要解决以下几个关键技术问题：1）评价关心区域轮廓线提取与区域内计算网格生成；2）区域内污染物浓度场的计算；3）污染物浓度场的可视化。

3.1 基于笛卡尔切割单元法的环评关心区域内计算网格生成

评价关心区域网格生成的步骤为：1）评价关心区域轮廓线提取；2）基于笛卡尔切割单元法的区域内网格生成；3）基于污染物浓度分布的网格加密与稀疏。

笛卡尔切割单元法是一种近年来发展起来的复杂区域计算网格剖分方法，其基本思想是采用笛卡尔背景网格与实体轮廓线求交以得到切割单元网格及轮廓线内网格 [1，4]。无论是大气环评还是地面水环评或声环境环评，其评价关心区域均由一组封闭线段构成，关心区域轮廓线集由下式表示：

式中：C为关系区域轮廓线集；（xi， yi）为某一轮廓线段端点；

基于笛卡尔切割单元法的计算网格生成过程是采用背景网格与关心区域轮廓线集合中的线段逐一求交，其结果由轮廓内网格单元与边界切割网格单元组成。在完成切割后，背景网格被分成轮廓线内网格、轮廓线外网格及边界切割网格三类，而其中的轮廓线外网格作为无用网格需加以删除。在删除无用网格过程中，首先需要判断哪些背景网格节点被轮廓线集包围。如采用常用的点与多边形包含关系判断算法，则对于折线段数量巨大的复杂关心区域存在着判断效率低下的缺点。因此，本系统采用了基于凸包的点集与多边形包含关系判断方法得到被关心区域轮廓线集包围的背景网格节点集，并将除该节点集以外的背景网格删除。图6所示为采用笛卡尔切割单元法生成的河道关心区域内网格，图7所示为采用局部加密算法后得到的非结构化笛卡尔网格。

3.2 区域污染物浓度计算

目前使用的环评技术导则仅适用于针对关心点的环评计算，对于关心区域大数据场的计算还存在着需要人工查表的瓶颈。例如大气环境评价中有风时扩散参数σy、σz的确定就需要人工查表，声环境环评中屏障引起的衰减量Abar需要根据声程差δ值按500赫兹时噪声衰减量Abar与声程差δ关系曲线图来人工确定，这些问题导致现有环评导则无法满足区域环评污染物计算的需要。针对这一情况，本系统采用了数表信息化的方法，将需要人工查询的表格进行曲线拟合，以满足区域计算需求。曲线拟合中采用最小二乘法，将数表拟合为一或多条直线。设需要拟合的数表中的自变量为x，因变量为y。则对于每一条直线有直线方程 ，设第i个数据中，与实际值y有误差：

将每一数表中的x，y值代入上式，即可求得该直线相应的j、k，从而得到数表拟合后的直线方程。

3.3 环评计算结果的可视化显示

对于区域计算得到的关心区域污染物浓度场，需要对其进行可视化，生成专门的可视化图层并将其与背景地图叠加显示，以供环评人员分析判断。可视化的方法包括污染物浓度等值线图与区域污染物浓度拓扑填充[2，3]。

在大气环评中可视化显示中一个突出问题是不同风向的显示问题。大气环境评价导则中规定了16种风向，对于典型日内相同环评参数而仅仅是点源位置不同或不同风向情况下的可视化显示，如果重复进行污染物浓度场计算及等值线与区域填充生成将造成不必要的浪费。因此本系统采用了图形几何变换的方法，首先假设评价区域内的主导风向为正西风，将计算得到的等值点坐标值存入专门的等值点TAB表或区域填充TAB表中，当了解了某一风向下污染物的扩散情况后，又需要观察典型日内相同评价参数不同风向下的污染物浓度分布时，则不需要再进行耗费时间的计算，直接将已生成的等值点表或区域填充表进行旋转变化即可，避免了大量的重复计算。其坐标旋转公式为：

4应用实例

4.1大气环评中的应用

本系统在建设项目大气环境评价中，可计算点源、线源与面源排放源按一定排放速率排放时污染物在大气中的扩散情况。图8所示为典型日24小时内点源二氧化硫污染物排放关心区域内浓度等值线图，图中黑色五角星处为排放点，其关心区域为长度两公里的正方形区域。排气筒高度为25米，风向为西风向，风速为6米/秒。图9所示为将图8的等值线图层与城市地图图层叠加显示后的结果，能够使得环评人员清晰直观地分析建设项目对周围环境的影响。图10所示为线源西风向关心区域污染物浓度拓扑填充图层与背景地图叠加显示的效果，其线源长度为500米，关心区域长度为1000米，风速为6米/秒。

4.2地面水环境环评中的应用

本系统在建设项目地面水环境评价中，可计算河流关心点处污染物浓度以及建设项目岸边排放污染物沿河流流向扩散的情况。图11所示为河流非持久性污染物COD（化学需氧量）沿程变化污染物浓度填充图层与河流背景地图叠加显示的效果。其环评类型为平直河流点源岸边排放，图中黑色五角星处为排放点，污染物浓度填充图中的颜色映射基于国家地表水环境质量标准[9]。图中河道中颜色最浅区域为未受污染的河道，排放点下游颜色最深区域为混合过程段COD浓度大于40mg/l的Ⅴ类地表水区域，排放口下游河道颜色较浅区域为充分混合段优于Ⅳ类地表水区域。

5结论与展望

基于GIS的环评可视化系统能够直观地显示建设项目污染物排放对周边环境的影响，极大地提高了环评的准确、效率与实时性，在大气环境、地面水环境与声环境环价中都有着广泛的应用。目前比较成熟的是二维计算与可视化，随着系统的不断完善，在准确性的基础上扩展至三维大气、地面水及噪声环评，将大大提高本系统的应用范围。

参考文献：

[1] 吴培宁. 基于变层厚的复杂区域物理场可视化若干关键技术研究及其应用[D]. 杭州：浙江大学， 2006.

[2] 吴培宁， 赵越， 孙晓霞. GIS环评可视化的自适应图像处理方法[J]. 计算机工程， 2008， 34（12）： 271-273.

[3] 吴培宁， 谭建荣， 刘振宇， 等. 基于Voronoi图的环评等值线快速拓扑填充[J].浙江大学学报工学版， 2009， 43（2）： 321-327.

[4] 吴培宁. 基于笛卡尔切割单元法的复杂河道地理信息系统环评可视化[J]. 计算机应用， 2014， 34（3）： 780-784.

[5] 吴培宁，周百顺，周淑秋. 基于GIS的高架道路交通噪声环评可视化[J]. 图学学报， 2016， 37（3）： 308-315.

[6] 中华人民共和国环境保护部. HJ 2.2-2008，环境影响评价技术导则—大气环境[S].

[7] 中华人民共和国环境保护部. HJ/T 2.3-1993，环境影响评价技术导则—地面水环境[S].

[8] 中华人民共和国环境保护部. HJ2.4—2009，环境影响评价技术导则—声环境[S].

[9] 中华人民共和国环境保护部. GB 3838-2002.地表水环境质量标准[S].