ArcGIS在城市交通污染分析中的应用

　第15卷第3期　2006年6月

系统工程理论方法应用

SYSTEMSENGINEERING-THEORYMETHODOLOGYAPPLICATIONS

Vol.15No.3　

Jun.2006　

文章编号:100522542(2006)0320270205

ArcGIS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ArcGIS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ArcGIS的城市交通大气污染分析系统框架,最后指出了ArcGIS在城市环境污染监测和管理体系中的重要地位。

关键词:交通污染;扩散模型;地理信息系统中图分类号:U491　　　文献标识码:A

ApplicationofArcGISiAnalysis

NJia2mei,　JIANFu

1

2

1

(1.AntaioficsManagement,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200052,China;

2.lTransport&Communications,ShanghaiMaritimeUniv.,Shanghai200135)

【Abstract】ThispaperfirstgivesabriefintroductionofArcGIS,anditsapplicationinurbantrafficpollu2tionanalysis.Thenbasedonautomobileemissionmodel,dispersionmodelandArcGISfunction,asystemframeworkisestablishedconcerningurbantrafficpollutionanalysis.Finally,theimportanceofArcGISispointedoutinurbanenvironmentpollutionmonitoringandmanagement.

Keywords:trafficpollution;emissionmodel;geographicalinformationsystem(GIS)　　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

表1　世界部分城市大气污染情况表人口与污染物人口 万人悬浮颗粒 m3

SO2 m3NO2 m3

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。

伦敦

764.0-2577

北京

1223.437790122

上海

1306.62465373

广州

674.129557136

东京

2695.9491868

纽约

1633.2-2679

巴黎

952.3141457

柏林

331.7501826

米兰

425.17731248

墨西哥

1652.227974130

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(2004BZH005)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。

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侯立文,等:ArcGIS在城市交通污染分析中的应用

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表2　部分城市机动车尾气排放污染物分担率(%)

美国

COHCNOx

8258488

日本

94.667.169-

德国

6539559.4

北京

637446.0-

上海

869656-

重庆

79.54277-

广州

88.89179.3-

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

。

微粒

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(mentSystemResearchInstitute,I)rcGIS图1,因而交,空间信息及其他,是海量数据,而ArcGIS的产品rcSDE可提供对这些海量数据的有效管理,搜集、

价,,而不是孤立地看待污染这一现象,供切实可行的参考依据。

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,ArcSDE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。

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Nicho2son箱式模型的修正形式和Vohnson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ArcGIS,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。

1　ArcGIS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Ar2cGIS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ArcGIS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Internet的Ar2cGIS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,ArcGIS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。

本文的研究主要是基于ArcToolbox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(3DSpatialAnalysis)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

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SCOOT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ArcGIS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

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染的分析评价步骤,并设计出基于ArcGIS的城市交通污染分析评价与控制管理系统框架(见图2)

。

图4图2　基于ArcGIS的城市交通污染分析评价与

控制管理系统框架图

(5),绘制污染扩散缓,,,,如氮氧化物、硫氧,,,如图5所示

。

分析评价步骤:

(1)在ArcMap下绘制、

()(实线),取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5　某一特征污染物分布层

图3　道路网络层

(2)在ArcMap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

。

(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ArcIMS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。

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,

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作实证分析。淮海西路、华山路、虹桥路都承担了徐汇区和长宁区的主要交通量,属于交通性道路。番禺路由于衔接了虹桥路和淮海西路并直接延伸到延安西路高架,交通量也很大。但同时这几条道路两侧又汇集了大量民用建筑与商业建筑,如上海交通大学,番禺中学,虹桥小学,徐家汇商业圈,因此,以此为例分析具有典型性。

这里引用比较成熟的线源路段汽车尾气排放模型的计算公式,计算路段在相应交通量条件下某一特征污染物的浓度值。

(1)路段汽车尾气排放模型选取和参数确定:

C=C0+ C

3

其中:C为污染物的总浓度(

mg m); C为汽车尾

3

气排放引起的附加污染物浓度(mg m);C0为污染3物的背景值浓度(mg m),

取常年监测的均值。

(2)汽车尾气排放引起的附加污染物浓度计算的模型选取和参数确定:

n

k1

C=(

a+bu+k2)W

其中:Qi为第

i种车的流量(辆 h);Ei为第i种车的

(km 车));a,b,k1,k2为经验系数;W排放应子(g

为街道的红线宽度;u为气象观测平均风速,取日平

均风速低值(m s),如表3所示。

∑3600

表3　现有路网条件下各路段汽车尾气排放引起的附加污染物浓度值计算路段

1234

路段红线宽度 m

304040路段交通量

(辆 h-1)1排放因子

[g (3.163.553.553.16

(ms13.113.113.11

bk1k2

附加污染物浓度

(mg m-3)0.0090.0280.0190.023

0.00.00.00.0

1.01.01.01.0

1.01.01.01.0

0.00.00.00.0

:

(1)绘制路网分布图,如图6所示。

冲范围分析图,同时认为污染物的浓度分布沿路段两侧均匀分布,以点阵的疏密表示污染程度,形成某一特征污染物层,如图8所示。针对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,还可以包括非交通性污染。

图6　道路网络层

(2)提出建筑物分布一层,依据图形的显示,可以明显看出道路两侧各类建筑分布情况,如图7所示。如果要查询建筑物的具体属性,如建筑物性质,交通高峰时逗留人群数,人群年龄构成比例等,可以转入到相应的建筑图层进行查询。

图8　某一特征污染物分布层

(4)通过层的透明叠加处理,从直观上可以直接判断出各类建筑物所受影响的程度,如图9所示。

图7　道路两侧建筑分布层

(3)将污染浓度作为缓冲值,绘制污染扩散缓

图9　交通污染分布总和的叠加分析图

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第15卷　

(5)根据市区级各监测点的污染指标,结合现有污染数据,通过ArcIMS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。

参考文献:

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3　结　语

在上海和北京这样的大城市,造成大气污染的不仅仅是路面交通,高架路上的机动车流也是不容忽略的,但由于高架路上的污染扩散模型不同于地面扩散模型,需要专门研究,这将在后续文章中进一步讨论,在此暂不考虑,但它仍遵循上述分析方法。另外,以上交通污染区域分析方法还可应用到城市交通规划和城市规划中,在机动车保有量不断增加,而现有道路交通状况不变的情况下,研究区域污染的变化等。ArcGIS的功能是非常强大的,本文仅仅涉足一斑,随着ArcGIS应用的普及和深入,　　(上接第;同时,中国股票市场的确存在中短期(+60～+360天)累计收益回复现象;不同于赵宇龙(1998)的结论,本文得到中国股市对利空消息存在过度反应。这说明中国股票市场不是有效市场,至少不是半强型或强型有效市场。

中国股市系统风险占总风险的比重非常高,系统风险非常大,该情况下,本文认为,从大的方面来说,盯住市场指数的被动投资策略更加可取;单就反转策略和惯性策略而言,反转策略更加可取。反转策略成功的可能性比较大,而且期望超常收益非常可观。另一方面,惯性策略失败的可能性非常大。至少对于不能影响股票价格的投资者而言,惯性策略或“追涨杀跌”是最差的策略。股票庄家的根本策略是勾引中小投资者追涨杀跌。如果追涨杀跌是一个有利可图的策略的话,那么,中小投资者就可以赚钱。然而,惯性策略无利可图的事实从一个侧面反映出中小投资者采用追涨杀跌的惯性策略与庄股的争斗中总体上处于不利地位。因此,对付股票庄家最好的策略是以“等”为主的反转策略。

研究的政策含义在于:针对股票市场目前的情况,监管的重点应放在保护投资者的利益;健全和完善信息披露制度;保证证券市场的公平、公正和公开;加大惩处利用内幕信息、内幕交易、虚假陈述等

进行获利行为的力度;使市场价格信息尽量反映股票价值的变化,促使信息在股票市场上充分、迅速、

准确、对称地流动;应鼓励价值型的投资咨询机构的发展,培养理性投资观念。参考文献:

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ryk4.html