基于GIS技术的道路交通噪声预测技术

刘蔚然

(中冶节能环保有限责任公司 北京 100088)

在城市建设不断加快的背景下，交通噪声逐渐成为城市环境污染的主要公害之一，迫切需要对交通噪声进行正确评估与实现对噪声污染变化的科学预测，掌握环境噪声现状与未来发展趋势，从而对噪声污染进行精准的控制和管理[1]。GIS技术能够为道路噪声污染的计算提供支撑，在计算机软件、硬件系统的支持下对地理分布数据进行收集、编辑和处理，主要解决的问题包括趋势、条件、位置与模型，利用输出可视化地理数据结果帮助人们直观地预测分析道路噪声污染情况。

1 道路交通噪声的预测模型

在对道路交通噪声预测的过程中，数据库具有重要作用。

1.1 非空间数据库

非空间数据库一般使用表格存储属性信息，能够对现象特性和事物进行描述，在设计过程中需满足三范式的要求，系统所属数据来源于各个噪声监测点监测数据。道路交通噪声预测的非空间数据库主要包括道路信息、环境噪声、监测数据等，对各级城市功能区环境噪声的等级声级与各个区域环境噪声的数据表进行存储[2]。各个数据表利用FID 字段和空间数据表相互连接，监测数据表并不会关联空间数据表，只能够利用FID检测查询监测点历史监测值。

1.2 空间数据库

空间数据库能够对事物的地理空间特性进行存储，是地理信息系统的运行基础。地理空间表达方法包括三角形不规则网、栅格、矢量和Voroni 等，由此创建地理空间不同的数据结构和模型，此系统数据结构包括栅格和矢量。栅格数据指的是针对位置结构数据，能够在连续空间变量中使用，通过列阵方式表示数据特征，列阵中的元素数据值指的是每个属性、每个元素只能够有一个值，位置隐含在行列中[3]。因为栅格数据结构比较简单，分析处理方便，所以将栅格数据为实现系统模型计算，与声场在自由空间中的连续分布特点结合，模拟通过栅格数据保存结果[4]。系统的空间数据库包括区域中各种要素，为满足实际需求进行组织和管理，根据各地理要素的特征，划分为面图层、线图层和点图层进行存储。

1.3 道路交通噪声预测模型

目前，道路交通噪声预测模型备受人们的重视，模型所考虑的因素有：（1）声源强度，包括行车速度、道路车流量、道路坡度、车型百分比、道路铺设材质等[5]；（2）噪声传播方式和路径，包括接受点到声源的距离、声屏障、绿化带对噪声的阻挡等；（3）噪声接受点空间位置[6]。

道路交通噪声预测理论模型的形式基本相同，预测点噪声是通过车辆噪声源强和修正项得出的，并结合实际情况针对其他影响因素进行删减和修正，使模拟结果与实际监测值吻合。其他影响因素选择包括以下几点：（1）不考虑建筑物反射修正，由于系统对噪声数值模拟只是对距离地面高1.2 m 的接受点等效噪声等级进行计算，所以不考虑此因素的影响[7]；（2）因研究区域为平原地区，城市道路坡度小于2%，所以在模拟过程中不考虑坡度因素对交通噪声的影响；（3）噪声扩散衰减修正，计算点距离车道中线7.5 m 以上再计算。与实际情况结合，得出没有扩散衰减修正时交通噪声等效声级计算公式：

考虑扩散衰减修正后，交通噪声的等效声级计算公式为

多个车道对同一计算点的影响，是利用能量叠加的方式进行计算的。假设有n条道路单元，每条道路单元对计算点所产生的预测值为L1，L2，L3，…，Ln，能量叠加后得出噪声预测值为

2 道路交通噪声的预测技术

2.1 总体架构

该系统将GIS 作为操作平台，利用其组件开发噪声预测系统，主要目的是设计具备专业功能与GIS 基本功能相结合的城市道路交通预测系统。

（1）对环境信息科学管理：对交通噪声数据、属性数据、空间数据等基础信息进行管理，提供环境信息服务[8]。（2）对噪声进行预测：基于交通噪声预测模型，通过GIS实现空间数据与属性数据的分析、处理，计算道路附近接收点处的噪声值，为城市道路建设提供基础。（3）实现减噪模拟：利用绿化带、声屏障等减噪措施的设置实现减噪模拟，以相关法规为标准对减噪后效果进行评估，为城市道路规划提供帮助。（4）分析区域环境噪声：使用GIS 可视化功能使区域环境噪声情况更加直观、精准[9]。

当用户成功登录系统后，将用户选择区域的属性数据与空间数据嵌入噪声预测模型中，对道路交通噪声进行计算，通过图形、表格和消息框等方式对结果进行显示。用户还能够实现预测结果和环境噪声标准的对照，假如超标，利用减噪模拟进行调整，实现新一轮数据计算、查询和显示，直到用户满意预测结果。

2.2 功能实现

基于GIS的城市道路交通噪声预测系统和其他系统不同，此系统为GIS和噪声预测模型结合的功能，不仅能够实现地理信息系统对于空间数据的处理、编辑、管理和分析，还能够在系统中使用GIS 功能实现减噪模拟、噪声预测计算、噪声分析评价等。

2.2.1 地图基本操作

（1）实现视图管理和图层文件管理，视图管理能够实现地图的漫游、缩小、放大、全景等，还能够提供鹰眼功能，使主视图和缩略图相互关联，缩短快速定位到主视图中；图层文件管理能够实现图层删除、添加、图层和保存。（2）实现地图的编辑，主要编辑空间数据，也就是通过相应图层对地理要素进行删除和添加，并且实现地理要素属性数据的编辑[10]。

2.2.2 数据输出

系统用户可将分析数据与图表能够通过文件方式进行输出和保存，也可将分析后的专题图库和图层数据通过图片的形式进行保存，方便对输出结果进行管理。

2.2.3 噪声处理

噪声处理功能可实现GIS城市道路交通噪声预测系统的模块功能，具体内容叙述如下。

（1）噪声计算：噪声计算能够应用预测模型，对交通主干道噪声进行计算。（2）噪声统计：系统能够统计噪声预测结果，通过图表的形式表示，并且可以与现有噪声数据进行对比。（3）噪声查询：用户可以根据坐标、接收点名称，或者以相应的条件等多种方式进行查询，查询内容包括交通噪声预测结果与历史噪声。（4）减噪模拟：用户通过图层添加屏障或者草坪实现减噪，并且对比减噪前后的噪声预测值，以噪声相关标准和法规对减噪效果进行评价，为相关部门提供减噪模拟措施，对城市规划建设进行指导[11]。

2.2.4 区域环境噪声评价

（1）等值线：系统以某个年份的区域环境噪声图层数据能够生成区域环境噪声的等值线图，将各地区噪声情况展现出来。（2）噪声超标查询：以环境噪声标准实现条件查询，对噪声超标区域噪声值进行查询，在地图中实现高亮显示，为城市环境规划人员与环保工作提供决策支持。

2.2.5 其他功能

其他功能包括系统帮助、用户管理、法规标准检索。系统帮助可支持用户尽快掌握系统功能与操作方法；用户管理能够实现用户添加、登录、修改密码等；法规标准检索包括声环境相关法律、环境质量标准、排放标准和其他相关规范，能够让用户对标更加方便。

2.3 系统数据库

道路交通噪声预测数据库使用ArcMap 实现地图矢量化工作，使用桌面应用程序ArcToolbox 实现图形转换，使用数据资源根据ArcCatalog实现管理。

（1）将ArcMap 应用程序打开，对道路和沿线带状地形图栅格图片文件进行加载，将Georeferncing 工具条添加到工具栏中，实现空间配准，对图像进行地理坐标校正。选择多个已知坐标控制点实现坐标的输出，从而完成配准。

（2）在ArcMap工具栏中将ArcCatalog模块打开，创建个人数据库，以道路和沿线构造物不同特征创建不同特征类，输入特征类名称、坐标限差，对投影坐标系进行选择。一个特征类和一个图层对应，在数据库中对表进行存储。本文系统以功能需求对道路路桥、桥梁涵洞、道路路面、道路路基等特征类进行创建。

（3）通过ArcMap加载上个新建特征类，使用editor工具条实现分层矢量化工作。因需要大量矢量化数据，通过edior工具手绘工作量大，所以转变成为ArcGIS数据文件，在数据库中以MDB格式存储，之后以面图层和线图层的转换和合理分层实现功能。完成以上工作后，就完成了空间数据库的创建。

3 可视化和实例分析

3.1 噪声等值线生成

道路左右两侧计算区域的两个噪声链表生成为绘制噪声等值线提供基础，此链表属于双向链表，结点数据域描述为

式（4）中，(xi,yi)为网格节点Vi坐标，二维标量场等值线的抽取有网格无关法和网格序列法两种，网格无关法能够在等值线分布规则的情况下使用，网格序列法的使用比较广泛，但是针对四边形网格马鞍点二义性解决比较复杂。目前，一般使用网格序列法，三角形或者矩形网格，但是此算法都无法在非结构化异性笛卡尔网格数据场中使用。针对非结构化异性笛卡尔网格数据场，网格单元尺寸具有较大的差别，在大网格单元区域中将锯齿状等值线充分展现出来，并且单色等值线无法将区域噪声变化情况展现出来，所以，针对等值线后续处理，使用等值线光滑和颜色映射算法。完成等值点追踪和连接之后的等值线数据在GIS 系统TAB表中存储，使其依次连接等值线。

对等值线数据TAB 表进行读取，使用三次样条函数实现等值线光滑，得到的差值点坐标在光滑等值线TAB表中存储；创建颜色映射表，根据每条等值线的等效A 声级利用颜色渐变算法赋予颜色；在GIS 中实现图层的创建，对光滑等值线TAB表进行读取，使差值点通过给定颜色值依次连接直线段，绘制3 次样条函数光滑等值线；绘制的等值线图层和背景地图进行叠加展示，从而实现可视化。

3.2 系统实现

使用本文提出的方法通过ArcMap平台实现交通噪声计算和可视化，根据评价导则的要求设置等值线的间隔为5 dB，通过绘制等值线的方式实现等效A声级值的可视化输出。根据《声环境质量标准》（GB 3096-2008），道路两侧一定距离内执行4a类声环境功能区环境噪声限值，即昼间70 dB（A），夜间55 dB（A），比限值小就保持系统默认色。

3.3 实例分析

为验证该系统在道路噪声预测过程中的效果，对系统计算结果和噪声实测数据进行了对比。实验地点为某道路中，地理环境优越，测量场地开阔，且没有反射物。测量时间为昼间，声级计距离地面1.2 m。使用HT-308激光测距仪对距离进行测量，设置监测点。通过表1数据可以看出，GIS环境系统的噪声预测值和实测值接近，但是存在下偏差，主要是因为系统在对地面效应衰减计算的过程中，使用的是疏松地面模型，而实验地点为非典型的疏松地面，因此衰减计算结果有所偏差。

表1 计算结果

4 结语

从长远来看，机动车拥有量将不断增加，城市道路声环境质量也会随之恶化，城市环境和交通噪声的关系越来越密切，两者矛盾加深，对环境是非常不利的。随着城市居民对声环境知识越来越了解，逐渐认识到城市声环境的重要性。所以，今后要对城市道路交通噪声进行管理，并且使用相应的控制措施，从而避免对社会经济和城市居民生活的影响。