第10章环境应用建模.ppt

第6章 空间分析在环境领域的应用建模,2,主要内容：,10.1 概述10.2 数据模型10.3 环境质量评价应用建模10.4 环境监测应用建模10.5 环境模拟与预测应用建模,3,6.1 概述,随着全球性环境的日益恶化，环境保护在实现人类可持续发展战略过程中扮演着越来越重要的角色。而环境问题与地理因素紧密相关，通常带有很强的地理或地理分布特征。因此，运用GIS技术有效处理基于环境问题的大量复杂空间信息，将在很大程度上提高环保工作的质量和效率。,6.1.1 必要性,4,6.1 概述,GIS空间分析在环境领域的应用建模就是根据环境领域的具体应用，将GIS空间分析方法和环境应用模型相结合，使得GIS技术能够运用在环境领域，发挥其处理大量复杂空间信息的能力，实现环境领域的分析应用，提高模型的精度和易用性。,目前，GIS空间分析应用建模已经在环境诸多领域得到了的应用。主要有以下几个方面：环境工程管理环境质量评价环境监测环境事故模拟与决策环境污染应急与处理,6.1.2 基本概念,5,6.1.3 所需数据,GIS空间分析在环境领域的应用建模需要多源、多种类、多时相的数据。主要包括以下数据：基础地理信息数据社会经济数据多源多时相卫星遥感数据污染事故历史统计数据环境监测数据环境工程统计数据区域环境矢量数据,6.1 概述,6,6.1.4 所需方法,GIS空间分析在环境领域的应用建模需要多种空间分析的方法,主要包括以下方法：栅格数据的空间分析方法:包括聚类、聚合分析、信息复合分析、追踪分析、窗口分析、量算分析等；矢量数据的空间分析方法：包括包含分析、缓冲区分析、叠置分析、网络分析等；三维数据的分析方法：包括三维可视化、三维空间查询、地形分析、阴影分析、水淹分析等；空间数据的统计分析方法：包括空间点模式分析、格网或面状数据空间统计分析、空间变异函数、克里金估计、探索性空间分析等。,6.1 概述,7,(1)栅格模型：地理空间被划分为规则的小单元，空间位置由栅格单元的行、列号表示。栅格单元的大小反映了数据的分辨率即精度，空间物体由若干个栅格单元隐含描述。,(2)矢量模型：各类地理要素根据空间形态特征分为点、线、面三类/（体状空间对象）。地物是显示描述的。,空间数据的两种表示模型：,6.2.1 空间数据表示模型,6.2 数据模型,8,6.2.2 空间数据模型,6.2 数据模型,空间数据模型：是关于GIS中空间数据组织的概念，反映现实世界中的空间实体，及其相互之间的联系，为空间数据组织和空间数据库模式设计提供基本的概念和方法。,GIS数据模型的三个层次：概念数据模型逻辑数据模型物理数据模型,9,6.2.2 空间数据模型,6.2 数据模型,GIS空间分析在环境领域的应用建模需要的数据模型多种多样，针对环境领域的应用，下面主要讲述应用较多的两种数据模型：时空数据模型:常用在环境监测领域，针对环境状况进行时间序列的监测和变化研究，以便及时发现异常情况。三维空间数据模型：常用在环境事故模拟、应急和决策领域，可视化显示事故发生的地点、污染扩散情况，根据分析结果及时有效做出应急处理，为政府部门提供决策支持。,10,6.2 数据模型,6.2.3 时空数据模型,时空数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成（张祖勋等，1996）。时空数据模型是一种有效组织和管理时态地学数据、空间、专题、时间语义完整的地学数据模型，它不仅强调地学对象的空间和专题特征，而且强调这些特征随时间的变化，既时态特征。建立合理、完善、高效的时空数据模型是实现时态GIS的基础和关键。时空数据模型是TGIS和STDB的基础。,11,时空数据模型的核心问题是研究如何有效地表达、记录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间不断发生的变化。这种时空变化表现为三种可能的形式：属性变化，其空间坐标或位置不变；空间坐标或位置变化，而属性不变，这里空间的坐标或位置变化既可以是单一实体的位置、方向、尺寸、形状等发生变化，也可以是两个以上的空间实体之间的关系发生变化；空间实体或现象的坐标和属性都发生变化。,6.2 数据模型,6.2.3 时空数据模型,12,时空数据模型的主要类型：序列快照模型：将一系列时间片段的快照保存起来，各个切片分别对应不同时刻的状态图层，反映地理现象的时空演化过程。基图修正模型：基态修正模型按事先设定的时间间隔进行采样，它只存储某个时间数据状态(基态)和相对于基态的变化量。空间时间立方体模型：由空间两个维度和一个时间维组成，描述了二维空间沿着第三个时间维演变的过程。空间时间组合体模型：空间分隔成具有相同时空过程的最大的公共时空单元，每个时空对象的变化都将在整个空间内产生一个新的对象。将空间变化和属性变化都映射为空间的变化，是序列快照模型和基态修正模型的折衷模型。,6.2 数据模型,6.2.3 时空数据模型,13,6.2 数据模型,6.2.4 三维空间数据模型,三维空间数据模型是研究三维空间的几何对象的数据组织、操作方法以及规则约束条件等内容的集合。,三维空间数据模型是人们对客观世界的理解和抽象，是建立三维空间数据库的理论基础。三维空间数据结构是三维空间数据模型的具体实现，是客观对象在计算机中的底层表达，是对客观对象进行可视表现的基础。,14,6.2 数据模型,6.2.4 三维空间数据模型,15,6.2 数据模型,6.2.4 三维空间数据模型,基于镶嵌的数据模型是将三维空间划分成一系列连通但不重叠的几何体素,它可以看成是二维栅格模型的扩展。基于矢量的数据模型以物体边界为基础定义和描述几何形体,并能给出完整和显式界面描述的方法。分析型数据模型又称参数函数表示法，它可以描述三维空间中的线、面和体目标，其指导思想就是利用有限的空间数据，来寻求一个函数的解析式，用这个解析式来生成新的空间点，用以逼近原有物体。基于混合结构的数据模型是将两种或两种以上的数据模型加以综合,形成一种具有一体化结构的数据模型。以适应不同分辨率、不同背景条件、不同应用的要求。,三维空间数据模型的类型,16,6.2 数据模型,6.2.4 三维空间数据模型,二维 GIS：即传统意义上的GIS，只能处理平面X、Y轴上的信息，不能处理铅垂方向Z轴上的信息。2.5维（假三维）GIS：在二维GIS的基础上，考虑了Z轴上的信息，但并未处理，只将其作为附属的属性变量对待。如DEM，虽然赋予了Z轴高程信息，能够表达出表面起伏的地形，但地形下面的信息却不具有。三维 GIS：表达考虑多个Z值的出现，能表示多层属性。,二维GIS,2.5维GIS,三维GIS,17,6.3 环境质量评价应用建模,环境质量：环境系统客观存在的一种本质属性，并能用定性和定量的方法加以描述的环境系统所处的状态。环境始终处于不停的运动和变化之中，作为环境状态表示的环境质量，也是处于不停的运动和变化之中。引起环境质量变化的原因主要有两个方面，一方面是由于人类的生活和生产行为引起环境质量的变化；另一方面是由于自然的原因引起环境质量的变化。环境质量评价：按照一定的评价标准和评价方法对一定区域范围内的环境质量进行说明、评定和预测。,6.3.1 概述,18,6.3 环境质量评价应用建模,环境质量评价应用建模是利用利用GIS的空间分析功能，并结合环境质量评价模型，对所有的改、扩、建项目可能产生的环境质量进行预测评价，并提出防止和减缓这种影响的对策与措施。通过应用建模可以综合性地分析环境方面的各种数据，帮助确立环境质量评价模型。在区域环境质量现状评价工作中，可将地理信息系统与大气、土壤、水、噪声等环境要素的监测数据结合在一起，利用GIS软件的空间分析模块，对整个区域的环境质量现状进行客观、全面的评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布情况。如通过叠加分析，可以提取该区域内大气污染布图、噪声分布图；通过缓冲区分析，可显示污染源影响范围等。,6.3.1 概述,19,6.3 环境质量评价应用建模,环境质量评价的主要目的是:较全面揭示环境质量状况及其变化趋势;找出污染治理重点对象;为制定环境综合防治方案和城市总体规划及环境规划提供依据;研究环境质量与人群健康的关系;预测和评价拟建的工业或其他建设项目对周围环境可能产生的影响，即环境影响评价。,6.3.2 目的和类型,20,6.3 环境质量评价应用建模,6.3.2 目的和类型,环境质量评价的类型：按地域范围：局地的、区域的（如城市的）、海洋的和全球的环境质量评价。按环境要素：大气质量评价、水质评价、土壤质量评价等。就某一环境要素的质量进行评价，称为单要素评价。就诸要素综合进行评价，称为综合质量评价。按时间因素：环境回顾评价、环境现状评价和环境影响评价。按参数选择：卫生学参数、生态学参数、地球化学参数、污染物参数、经济学参数、美学参数、热力学参数等质量评价。,21,6.3 环境质量评价应用建模,环境质量评价按环境要素可分为：大气环境质量评价水环境质量评价土壤环境质量评价噪声环境评价等,下面以土壤环境质量评价为例来叙述GIS空间分析在环境质量评价的应用建模过程,6.3.2 目的和类型,22,6.3 环境质量评价应用建模,土壤不仅是一种有限的资源，作为地理环境的组成部分，也对人类生存和发展乃至地球上众多生命形态的生存繁衍有着重要的作用。土壤环境就是地球生态系统中能够生长植物、具有一定环境容量及动态环境过程地表疏松层连续体构成的环境。,6.3.3 土壤环境质量评价,（1）基本概念,土壤环境与地球表层环境以及生物健康和人类健康均有重大关系。因此，科学评价土壤环境具有重大意义，它不仅关系到我国的可持续发展战略，而且还可以为土地、环境等部门提供合理保护与利用土壤资源的依据。,23,6.3 环境质量评价应用建模,所用数据：采用的是根据土壤环境质量标准、国家标准以及一些经典方法采集的土壤样品，并利用GPS进行精确定位。所用方法：土壤环境评价方法主要用到四种方法：层次分析法：确定土壤评价指标的权重模糊数学法：获得土壤养分分布图空间内插：获得连续的土壤空间分布图栅格分析方法：获得土壤立地条件分布图,6.3.3 土壤环境质量评价,（2）数据和方法,24,6.3 环境质量评价应用建模,土壤环境作为一个环境体系，不仅有它的内部功能属性，更有它的外部特征。土壤环境质量评价的流程如图所示：,6.3.3 土壤环境质量评价,（3）建模流程,土壤环境评价流程图,25,从影响土壤环境内部功能及外部属性出发，确定评价因子及影响各因子的具体指标，并利用层次分析法确定各指标的权重，评价因子表如下表所示：,6.3 环境质量评价应用建模,6.3.3 土壤环境质量评价,26,6.3 环境质量评价应用建模,6.3.3 土壤环境质量评价,数据采集 采用公里网格法，即将研究区按公里网划分为若干单元，进行土壤样品采集的同时，利用GPS进行精确定位。土壤采样点位图 采用ArcGIS作为支持软件，把采样点GPS数据导入ArcGIS，经过坐标和投影信息的变换，形成土壤采样点位图土壤环境评价单元的确定 由于采样点多而均匀，将研究区域划成一定数量的栅格，每个栅格作为一个评价单元，栅格大小为30m*30m。,（4）具体操作过程,27,6.3 环境质量评价应用建模,6.3.3 土壤环境质量评价,（4）具体操作过程,评价等级图的绘制 对离散的采样点进行插值得到连续的空间分布图。采用逆距离加权法进行插值，然后根据相应的标准进行等级划分。土壤养分与土壤污染状况 对采样点的土壤养分进行模糊数学评价，对得到的综合指数和土壤污染的内梅罗综合指数进行统计。土壤环境质量综合评价 利用ArcGIS的空间分析模块对各评价因子的评价指标图进行叠加，并用“加权指数求和法”对各个栅格进行计算，然后计算每个质量等级的土壤面积。,28,6.3 环境质量评价应用建模,6.3.3 土壤环境质量评价,（5）评价结果,从图2可以看出，研究区土壤养分状况整体较好，土壤养分综合指数位于90以上的点占大多数，土壤养分综合指数位于80-90之间的采样点数和小于80的采样点数大致相等。由图3可见，研究区整体土壤污染指数不高，绝大部分采样点的土壤污染指数小于0.7，土壤污染指数在0.7-1.0之间表示警戒区域的点较少，占总数的10%，处于轻污染水平。,29,6.3 环境质量评价应用建模,6.3.3 土壤环境质量评价,（5）评价结果,从图4和表2可以看出，研究区土壤环境整体较好。依据评价，研究区土壤环境质量一等的土壤面积占总面积的49.6%，二等的土壤面积为43.6%，三等和四等加起来还不到总面积的7%。经实地抽查和咨询有关专家，此评价结果与实际情况基本相符。,30,6.4 环境监测应用建模,6.4.1 概述,环境监测是环境科学的一个重要分支学科。在从事环境科学与工程各分支学科研究时，环境监测是评价环境质量及其变化趋势的技术基础，是进行环境管理和宏观决策的重要依据。“监测”的含义可理解为监视、测定、监控等，环境监测是通过对影响环境质量因素的代表值的测定，确定环境质量（或污染程度）及其变化趋势。,31,6.4 环境监测应用建模,6.4.1 概述,环境监测的目的准确、及时、全面地反映环境质量现状及发展趋势，为环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据。具体包括：根据国家环境质量标准，评价环境质量；根据污染特点、分布情况和环境条件，追究寻找污染源、提供污染变化趋势，为实现监督管理、控制污染提供依据；收集环境本底数据，积累长期监测资料，为研究环境容量、实施总量控制、目标管理、预测预报环境质量提供数据；为保护人类健康、保护环境、合理使用自然资源、制定环境法规、标准、规划等服务。,32,6.4 环境监测应用建模,6.4.2 分类和标准,（1）环境监测分类,根据环境监测的内容和要求，监测分为以下几类：1 监视性监测（例行监测、常规监测）包括：污染源监督监测，环境质量监测。任务：监视环境中已知污染因素的现状和变化趋势，确定环境质量、评价污染控制措施的效果，判断环境质量是否符合国家环境质量标准。在大量数据积累的基础上，研究污染扩散模式和规律，为预测预报环境质量，控制环境污染和环境治理提供依据。,33,6.4 环境监测应用建模,6.4.2 环境监测分类和标准,（1）环境监测分类,2 事故性监测 包括：事故应急性监测，仲裁监测 任务：确定事故型污染的污染程度、危及范围，以便采取有效措施降低和消除危害。通常采用流动监测（监测车、监测船、空中监测、遥感遥测等手段）3 研究性监测 任务：研究污染物自污染源排出后，其迁移变化的趋势和规律；研究污染物对人体和生物体的危害性质和影响程度；研究新污染因子的监测方法等。针对特定目的科学研究而进行的高层次监测，为环境科学理论研究提供基础数据。,34,6.4 环境监测应用建模,6.4.2 环境监测分类和标准,（2）环境监测标准,中国现行的环境标准体系,35,6.4 环境监测应用建模,6.4.3 污染物来源和性质,1 污染物质的类别按污染类型：大气、水体、土壤污染物等；按污染物形态：气体、液体、固体污染物；按污染物性质：化学、物理、生物污染物；按污染物来源：工业、农业、交通运输、生活。2 污染源的形式点源：浓稠集中的排放。工厂烟囱、污水排放口、固体废 物集中堆放点等；线源：行驶中的汽车沿街排放尾气；面源：稀淡分散的排放。农田径流、灌溉排水、降雨、农 药和化肥的大面积施用。,36,6.4 环境监测应用建模,3 污染物质的性质自然性与毒性时空分布性活性和持久性生物可分解性与生物积累性对生物体的协同作用与拮抗作用4 优先污染物 将潜在危险性大（难降解、具有生物积累性、毒性大和三致物质），在环境中出现频率高、残留高、检测方法成熟的化学物质定为优先监测目标，建立环境标准，实施优先控制和重点监测美国EPA环境优先控制污染物名单。,6.4.3 污染物来源和性质,37,6.4 环境监测应用建模,6.4.4 GIS在环境监测应用,基于GIS技术的环境监测的建立，不仅可以提高对污染源的管理水平，而且在经济上减少了由于没有很好管理污染源带来的污染事故造成的经济损失，在社会发展层次上保障了人民生活安全和提高了人民的生活质量。,大气污染环境监测,38,6.4 环境监测应用建模,GIS技术在环境监测中的应用包括以下几个方面：,下面以湖泊水环境监测为例来叙述GIS空间分析在环境监测的应用建模过程,水环境监测植被演化监测农业生态环境监测森林生态环境监测草原与荒漠生态环境监测土地变化监测城市污染环境监测,6.4.4 GIS在环境监测应用,39,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（1）基本概念,湖泊水环境监测是指按照湖泊中水体的循环规律（降水、地表水和地下水）和湖泊的水文条件，对湖水的质和量以及水体中影响生态与环境质量的各种人为和天然因素所进行的统一的定时或随时监测。,40,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（2）监测数据和方法,湖泊水环境监测数据具有种类繁多、数量巨大、媒体形式多种、数据关系复杂、与地域分布有密切关系等特点。按应用类型分为空间数据（包括基础空间数据和专题空间数据）、非空间数据（包括监测数据和管理数据）。,数据类型,41,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（2）监测数据和方法,1 基础空间数据基础空间数据包括：1：1万（城区）和1：5万（全省）的全要素（水系、行政区划、等高线、道路交通、居民地等）矢量数据；多源遥感影像数据（TM影像、环境灾害小卫星影像等）。2 专题空间数据基于地面观测技术的环境监测点位、监测断面、污染源的空间数据等；基于多源遥感影像数据反演或提取的环境遥感信息产品；基于多源遥感影像数据与地面观测数据的地表水环境质量专题产品。3 环境监测数据 湖北省历年的环境监测数据，由布设在湖泊水面上的自动监测站自动获取，无监测站点的由人工手动获取。4 环境管理数据 环境保护法律法规、环保工作计划，办公文书数据、科研项目管理数据、建设项目管理数据、图书、期刊、科技论文、专家咨询、科技档案、典型案例、科普知识、人员管理、仪器设备管理等。,42,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（2）监测数据和方法,湖泊水环境监测方法采用以下四种监测方法，与“3S”技术密切相关的是采用遥感监测的方法，遥感监测方法满足对湖泊水环境进行大范围、全天候、全天时、连续的动态监测。,43,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（3）水环境监测指标,利用遥感的方法进行湖泊水环境监测，指标的选取至关重要。监测指标是对湖泊水环境进行评价的基础，根据获取的指标实现湖泊水环境的评价，获取水环境的状况信息。进行监测指标的选取除了按照国家标准地表水环境质量标准(GB3838-2002)中的标准选取外，还要结合当地湖泊的实际，以及监测指标变化是否能反映到遥感影像上，综合考虑后选取的监测指标如表所示：,44,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（4）水环境监测建模过程,使用遥感数据实施水环境监测，主要是对遥感数据进行处理和运算，得到可以反映水质状况的遥感特征参数，通过构建反演模型或利用空间分析方法，提取水体目标中的各项水质参数，并根据水环境评价标准，综合多种水质参数对监测水体的富营养化程度、污染程度、水质类别等做出判别。,水环境遥感监测建模流程,45,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（4）具体操作过程,遥感数据预处理 水环境遥感监测的预处理过程包括数据准备、辐射定标、几何校正和湖区提取4个部分。数据准备根据原始影像的元数据计算辐射定标系数；辐射定标使用该定标系数转换影像DN 值到地表反射率；几何校正通过配准的方式将影像地理空间坐标修正为真实、正确的数值；湖区提取对所有研究水域目标进行识别，转换其他陆地目标为影像背景。,46,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（4）具体操作过程,2 水环境指标提取 不同水质的水体在遥感影像上有较明显的反映，使用预处理后的遥感影像数据，借助光学 生化/光学 物理模型，通过波段组合运算的方式构造多种具有光学、生化、物理或混合特性的特征，将其与同一时期的地面实测数据建立关系模型，寻找最佳的数学模型描述二者间的数值关系。为了避免应急过程中模型反演结果精度与实际地面监测差异明显的情况，采用先把遥感影像分割为湖区图斑，再将地面监测点数据内插计算分布到图斑中的空间数据分析方法，以实现水环境指标含量的真实化遥感方式表达。,47,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（4）具体操作过程,指标提取模块有两种方式提取水环境参数，具体如下：经验模型反演 指标反演让系统操作员选择需要反演的水质指标，模块即自动根据相应的反演模型，读取遥感数据并进行计算，得到水质参数反演图。根据经验模型反演的公式大致如下：,式中，Y代表水质指标数值；B1、B2、B3、B4分别代表遥感数据第一、二、三、四波段反射率值。,48,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（4）具体操作过程,基于对象分割和空间分析的方法。基于面向对象分割以及空间分析的方法主要是采用mean shift算法进行分割，以及结合地面实测数据的反距离加权内插算法。mean shift算法是指一个迭代的步骤，即先算出当前点的偏移均值，移动该点到其偏移均值，然后以此为新的起始点，继续移动，直到满足一定的条件结束。反距离加权法是最常用的空间内插方法之一。它认为与未采样点距离最近的若干个点对未采样点值的贡献最大，其贡献与距离成反比。可用下式表示：,式中，Z是估计值，Zi是第i（i=1，n）个样本，Di是距离，P是距离的幂，它显著影响内插的结果，它的选择标准是最小平均绝对误差。,49,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（4）具体操作过程,3 水环境状况评价 使用通过遥感手段所提取的水环境指标影像数据，依据传统地面监测方式下的水环境状况评价标准和方法，通过与标准限值进行比较计算获取监测目标水体的富营养化程度、水污染程度、水质等级，并将分级评价结果记录生成相应的遥感专题影像。水环境状况评价主要包括富营养化程度、水污染程度、水质等级三种，富营养化程度分为轻营养、中营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养5 级，水污染程度分为优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染5 级，水质等级分为 与劣类六级。,50,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,（5）监测结果,分割反演法反演结果,51,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,使用水质指标遥感数据计算输出湖区水质分级图、富营养化分级和指数图、水污染分级和指数图,52,6.4 环境监测应用建模,6.4.5 湖泊水环境监测,水环境专题产品图,53,6.5 环境模拟与预测应用建模,6.5.1 概述,环境模拟应用系统分析原理，建立环境系统的理论或实体模型，在人为控制条件下通过改变特定的参数来观察模型的响应，预测实际系统的行为和特点。环境模拟包括数学模拟、物理模拟、化学模拟、生物模拟及计算机仿真模拟等，是环境预测的重要手段。,环境预测是通过已取得的情报资料和监测统计数据,对未来或未知的环境进行估计和推测。它是进行环境决策和环境科学管理的依据，也是制定环境规划的基础。环境预测的方法大致可分为定性预测和定量预测。比较常用的方法有德尔菲法、趋势外推法、回归分析法、马尔柯夫法、模糊数学法等。,54,6.5 环境模拟与预测应用建模,6.5.1 概述,基于GIS的环境污染模拟与预测主要是利用GIS对环境污染状况进行模拟分析，预测其影响范围、空间分布特征和时间动态变化等。,55,6.5 环境模拟与预测应用建模,6.5.2 GIS环境下模型空间离散技术,利用网格剖分技术，可以将连续的空间离散化，以网格点作为控制点，将模型空间和地理空间对应起来，使GIS与应用分析模型在空间坐标层次上统一起来，这是实现基于GIS环境模拟和预测的基础。,56,6.5 环境模拟与预测应用建模,6.5.2 GIS环境下模型空间离散技术,应用分析模型中的网格可分为两种：（1）规则网格 即有结构网格，相邻节点的数目固定，易于节点编号和变量布置，便于方程的离散和计算编程，包括两类：矩形网格：是指纵横网格线是根据一定规则生成的曲线网格：可以通过坐标变换影射成矩形网格。（2）不规则网格 即无结构网格，主要是指由任意三角形或四边形组成的网格，节点呈不规则分布，相邻节点的数目并不固定，能较好地拟和区域边界。,57,6.5 环境模拟与预测应用建模,矩形网格就是每个网格单元都是矩形的网格，矩形网格是各种网格中最简单的一种。根据网格间隔的变化，可分为变步长和定步长两种。,6.5.2 GIS环境下模型空间离散技术,（1）矩形网格,b 变步长网格 变步长矩形网格的步长不是固定的。变步长网格的生成除了给定网格起始点外，还要给出网格X、Y方向的步长序列，这样程序才能按不同的步长对区域进行剖分。,a 定步长网格 矩形网格的X方向、Y方向的空间步长不相等，即,58,6.5 环境模拟与预测应用建模,三角形网格是由相邻但不重叠的三角形构成的一种有限元网格，有限个点集将区域划分为相连的三角形网格。其中三角形可以是规则的，也可以是不规则的。不规则三角网（TIN）是较常用的一种三角形网格。,6.5.2 GIS环境下模型空间离散技术,（2）三角形网格,不规则三角形网格在构造时要符合以下三个特征：构成的网格是唯一的；力求最佳的三角形几何形状，即三角形尽量接近等边；保证最临近的三个点构成三角形，三角形的边长之和最小。,59,6.5 环境模拟与预测应用建模,6.5.3 环境污染模拟与预测类型,根据环境应用领域的不同，环境污染模拟与预测类型可分为以下几个方面：（1）大气污染扩散模拟与预测 大气环境污染扩散模拟与预测是运用有关的科学手段和方法，推测社会经济活动造成的二氧化硫、氮氧化物、烟尘等污染物对大气质量变化影响。（2）水体污染扩散模拟与预测 水环境污染扩散模拟与预测是运用有关的科学手段和方法，推测社会经济活动造成的河流、湖泊、水库、地下水、海洋等水体质量的变化及其影响。,60,6.5 环境模拟与预测应用建模,6.5.3 环境污染模拟与预测类型,利用数学模式和必要的模拟实验，计算或者估算建设项目的污染因子在评价区域内对大气环境质量的影响。了解项目建成后对大气环境质量影响的程度和范围。比较各种假设方案的大气环境质量的影响。给出各类或各个污染源对任一点污染物浓度的贡献。,（1）大气污染扩散模拟与预测,61,6.5 环境模拟与预测应用建模,6.5.3 环境污染模拟与预测类型,基于GIS技术的水环境污染扩模拟与预测，其核心就是在地理信息系统平台上，运用科学计算可视化技术，实现水质数值模拟结果和预测结果的可视化显示。,（2）水污染扩散模拟与预测,模型的适用性。模型要包容污染现场的水文地质条件，考虑到特定研究的污染物在迁移扩散过程中的影响因子。模型和模拟程序的复杂程度既要与污染现场条件的复杂性相匹配，也应和可获得的参数的充分性相匹配。,62,6.5 环境模拟与预测应用建模,6.5.3 环境污染模拟与预测类型,下面以大气污染扩散模拟与预测为例来叙述GIS空间分析在环境模拟与预测的应用建模过程,63,6.5 环境模拟与预测应用建模,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（1）概述,将地理信息系统和大气环境的预测、评价、污染源的识别结合起来是环境管理决策信息软件的发展趋势。通过大气污染扩散模拟与预测应用建模，可以提供全面的现场实测信息，在系统后端把基于大气环境评价、污染识别以及环境预测的信息技术和传统的数据库技术带入到可视化的空间中，将环境保护的管理者置身于自然和社会环境中，使抽象的大气环境污染识别、大气环境影响分析、评价以及大气污染预测工作变得生动、直观和全面。,64,6.5 环境模拟与预测应用建模,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（2）数据组织,所需的数据包括区域背景、环境信息与辅助信息三大类：区域背景数据：包括行政区规划图、功能区图等；环境数据：包括大气污染源、大气环境监测、大气污染效应、大气环境管理、大气环境标准、大气环境统计等；辅助信息：包括人口、经济和气象等数据。,65,数据类型及结构 原始数据经过预处理，变成系统基础数据，以关系数据库格式存贮，环境基础数据包括多因素大气测定数据、模式预测数据库、污染源识别数据、污染源相关元素表、不同地区大气质量现状监测、区域历年环境质量现状评价。数据文件组织 数据库为关系数据库，并用成熟的关系数据库软件来进行存储。,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（2）数据组织,6.5 环境模拟与预测应用建模,66,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（3）大气扩散模式模型,大气污染扩散模式是模拟大气污染物的输送、扩散、迁移过程，预测在不同污染源条件、气象条件及下垫面条件下某污染物浓度时空分布的数学模型，是低层大气中污染物迁移和扩散规律的、简单化的数学描述。,污染物在大气中的浓度和分布，不仅决定于污染物的排放量和距离排放源的远近，而且决定于大气对污染物的扩散能力。大气的扩散能力主要受风(风向、风速等)和大气稳定度的影响。,6.5 环境模拟与预测应用建模,67,根据这些模式处理问题所采用的理论和数学方法，大气扩散模式可分为以下几种：点源扩散模式 主要应用于点污染源（如化工厂）引起的大气污染扩散线源扩散模式：主要应用于线污染源（如公路）引起的大气污染扩散 面源扩散模式：主要应用于面污染源（如工厂群）引起的大气污染扩散,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（3）大气扩散模式模型,6.5 环境模拟与预测应用建模,68,主要介绍高斯扩散模型，它是计算输入大气中的气态污染物在下风向浓度分布的应用最广的方法，也是国家环境质量评价标准中规定使用的模型。,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（4）点源扩散模型,高斯模型在推导无界情况下的公式有以下方面的假定：大气运动是稳定的,有主导风向；污染物在大气中只有物理运动，没有化学和生物变化；污染区域内没有同类污染源汇合。,6.5 环境模拟与预测应用建模,69,以SO2扩散模式为例，SO2浓度分布的计算采用订正的高斯烟羽模式。任一点的污染物浓度C(x,y,z,He)计算公式为：,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（4）点源扩散模型,6.5 环境模拟与预测应用建模,其中，x 下风向距离(m)；y 横截风向距离(m)；z 距地面的高度(m)；Q 大气载污染物源强，即释放率(m g/s)；uH e 烟囱出口处环境平均风速(m/s)；y、z分别为水平方向和垂直方向扩散参数(m)，它是下风距离x 及大气稳定度的函数；He 有效排放高度(m)，其中He=H+H；H 烟囱出口距地面的几何高度(m)；H 烟气抬升高度(m)。,70,线源扩散模式分为无限长线源扩散模式和有限长线源扩散模式两种，下面只介绍有限长线源扩散模式。当估算有限长线源产生的环境浓度时，必须考虑有限长线源两端引起的“边缘效应”。当风向垂直于有限长线源时，通过所关心的接收点作垂直于有限长线源的直线，该直线与有跟长线源的交点选作坐标原点，直线的下风方向为x轴。线源的范围为从y1延伸到y2。有限线源扩散模式为：,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（5）线源扩散模型,6.5 环境模拟与预测应用建模,71,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（6）面源扩散模型,6.5 环境模拟与预测应用建模,面源：城市中小工厂、生活锅炉、居民炉灶等数量众多、分布面广、排放高度低的污染源，可以作为面源处理。计算公式如下：,72,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（6）面源扩散模型,6.5 环境模拟与预测应用建模,先定出，然后计算出自面源中心（等效点源位置）向上风向推移的虚点源的位置；可以定初始扩散幅为，带入。,73,GIS与环境模型的集成方式,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（7）应用建模流程,6.5 环境模拟与预测应用建模,74,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（7）应用建模流程,6.5 环境模拟与预测应用建模,问题定义,数据输入,分析操作,显示输出,大气质量模型,流程框图,75,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（7）应用建模流程,6.5 环境模拟与预测应用建模,以点源污染模型为例，大气污染扩散模拟与预测中大气点源扩散模型的实现是要解决的核心问题之一，具体的建模流程如图所示：,76,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（8）模拟和预测结果,6.5 环境模拟与预测应用建模,图2 单污染源等值线模拟,图1 大气二氧化硫分布图,77,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（8）模拟和预测结果,6.5 环境模拟与预测应用建模,图3 增加不同参数污染源的污染分布图,78,6.5.4 大气污染扩散模拟与预测应用建模,（8）模拟和预测结果,6.5 环境模拟与预测应用建模,图5 给定条件下一次浓度网格图,图6 给定条件下一次浓度等值线图,79,79,谢 谢！,