基于GIS的苏州地区空气质量时空变化特征分析及可视化表达开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景

城市经济的迅速发展和人口的快速增长带来了各种各样的环境问题，温室效应、雾霾等严重影响了人们的生产生活和身体健康。随着生活水平的提高，人们对自己生活的环境越来越关心，空气质量状况日益成为市民关注的环保焦点之一。苏州正处于能源结构调整和经济增长转型的关键时期，环境矛盾尖锐，环境风险活跃，群众环境意识升级，大气环境、水环境和土地环境的污染，特别是“雾霾”等大气污染引发的环境问题日益引起社会公众的高度关注。因此，本论文通过研究苏州市空气质量的现状，分析其时间和空间分布特征，为苏州市政府管理部门选择相关治理措施提供依据，从而更有效的改善空气质量，促进苏州市经济的可持续发展，人与环境的和谐相处。

2016年，苏州市全市环境空气质量达标率为76.2%，各地达标率介于68.9%~79.8%之间。市区环境空气质量达标率为69.0%。

市区环境空气SO2、NO2、PM10、PM2.5年均浓度、CO日平均第95百分位数浓度和O3日最大8小时平均第90百分位数浓度分别为17微克/立方米、51微克/立方米、72微克/立方米、46微克/立方米、1.5毫克/立方米和167微克/立方米，除SO2和CO达标外，其余四项污染物均未达标。吴江区及四市SO2年均浓度范围为15～26微克/立方米，均达到二级标准要求；NO2年均浓度范围为36～43微克/立方米，张家港市、太仓市和吴江区达标，常熟市和昆山市未达标；PM10年均浓度范围为72～81微克/立方米，各地均未达标；PM2.5年均浓度范围为41～51微克/立方米，各地均未达标；CO日平均第95百分位数浓度范围为1.3～1.6毫克/立方米，各地均达标；O3日最大8小时平均第90百分位数浓度范围为151～178微克/立方米，除昆山市达标外，其余各地均未达标。

国内外研究现状

（1） 国内外空气质量指数研究现状

美国在上世纪70年代最先使用指数方法发布空气质量健康信息，当时称为污染标准指数（PSI），每天向公众提供及时、准确和易于理解的城市地区空气质量状况信息，这在国际上具有很大的影响力，也在世界范围内得到应用。在美国之后，英国、日本、澳大利亚等世界主要国家都在上世纪末建立了适合本国实际情况的空气质量指数发布系统，如我国的API和AQI，英国的每日空气质量指数（DAQI），澳大利亚的区域污染指数（RPI）等。

我国环境空气质量标准GB3095首次发布于1982年，1996年第一次修订，2000年第二次修订，2012年第三次修订。国内外空气质量指数的指标项目及平均时间、分级方案等随着各国空气质量标准的修订而不断更新。如我国在随着社会经济的快速发展中空气环境污染加剧，导致雾霾天气频发，于是在2012年修订的环境空气质量标准中将PM2.5纳入评价指标。

环境空气质量指数(AQI)

（1） 国内外空气质量评价研究现状

自上世纪四五十年代，国内外就开始探讨评价环境空气质量的方法，到目前为止，环境空气质量评价常用的评价方法包括：

a.综合指数法：通过数学运算得到综合污染指数，以表达环境空气的污染程度，但主要污染物计算权重过大导致次要污染物的影响被淡化。

b.灰色聚类法：根据不同级别，确定相应级别污染物的权重，避免只用一个权重进行分级的不合理处。

c.模糊综合评价法：通过构建隶属度函数来描述研究对象的不确定界限，对受到多个因素影响的模糊对象进行综合评价，在构建隶属度函数和评价因子重要性上存在一定的主观不确定性。

d.主成分分析法：能够降低维度，在尽量保留原有信息条件下用几个综合指标代替原有众多分指标，将复杂问题使用简化指标分析。

e.人工神经网络模型：利用先进的人工神经网络技术，对标准样本数据进行训练学习，得到各连接节点的权值，从而建立空气质量的人工神经网络评价模型。人工神经网络的输入值一般为空气质量标准值，输出值为相应的空气质量等级。

（3）GIS技术在环境空气质量评价中的现状

相对传统的地图分析和仅仅对统计数据的定量分析，采用定量和空间分析相结合的GIS技术在环境空气质量评价方法上有质的突破。对大范围环境空气进行评价时，其空间性和动态性的优势更为明显。

GIS在环境评价领域的应用越来越深入和广泛。国内的一些环境评价软件——中国环科院的环评助手(EIAA)，是目前为止国内唯一完善的通用型环境影响评价软件，但对GIS支持不足。随着人们环保意识的提高，在世界范围内GIS的研究正方兴未艾，GIS在环境评价中的应用也更加广泛与深入，两者的有机结合使二者功能互补，是一项具有发展和应用前景的技术。

在国外，许多研究人员对GIS与大气环境评价的结合进行探讨。美国环保局将多种空气质量模式与GIS相集成，借助GIS专业的空间表达功能，希望为用户提供一种便捷的工具。有把交通道路污染扩散模式与GIS相结合，用于因交通导致的大气污染扩散模拟。还有利用GIS的空间分析功能分析土地利用类型与空气污染之间的关系。在GIS的支持下可以评价城市结构对空气质量的影响。同时国外的大气环境预测模型部分已经支持GIS的应用，GIS与环境评价相结合是以后重要的应用方向。

（4）可视化研究方法

纵观可视化发展历程, 可以归纳为以下几个过程:

1) 二维图形图像法

通常意义上的地理空间数据可视化, 采用的方法即是二维图形图像法, 其主要是对传统地图学以及制图学可视化方法的数字化实现。由于二维可视化含有较少的数据量,同时沿用了成熟的可视化理论方法, 因此仍有着强大的生命力。

2) 三维图形图像法

现实世界是一个三维空间, 使用计算机将现实世界表达成三维模型则更加直观逼真。 三维空间的表现方式大多直接利用已有二维空间数据库的空间数据, 通过添加少量的空间信息, 将现实环境中的主要实体表达成简单的几何形体, 形成直观性的三维地图, 再给这些几何形体粘贴纹理图像, 则形成具有一定逼真度的三维地图。

3) 虚拟现实技术

空间信息理想的可视化是对现实世界真实的写景, 随着虚拟现实技术的发展, 这一理想越来越成为现实。为了进一步提高人机交互性, 将先进的计算机可视化技术与虚拟现实技术引入地理信息系统领域, 人们早就开始了虚拟现实技术(VR)与 GIS结合的研究。 目前, 人们已经初步实现了对地理环境的真实仿真, 这种仿真能较好地重现现实景观。

4) 时空数据库的动态可视化

时空数据库的动态可视化是空间数据可视化的新阶段,这个阶段一个关键的问题是多维动态可视化问题, 即以时间为主导的空间数据可视化的问题。 目前一方面缺乏有效的数据模型;另一方面, 在增加时间维度之后, 信息量急剧增加, 现有计算机技术难以处理与之相应的可视化。要解决这些问题, 除了要建立合理的数据模型, 还需引入新的数据可视化技术, 即时空数据库的动态可视化 , 作为时空可视化的一种应用技术, 时空数据库的动态可视化是指在时空数据库系统的基础上, 采用动态符号和动态地图以及计算机图形学理论, 通过计算机动画、 计算机高级显示技术, 把时空数据库中存贮的多时态或多版本的地理数据, 按照时间发展的规律, 以动态的方式在一定的媒介 (如电子屏幕)表达的过程。 通过采用动态符号和动态地图, 可以直观生动地表示各种地理信息的变化。

研究目的

（1）通过分析苏州地区（苏州市、常熟市、张家港市、昆山市、太仓市）2018年3-4月环境空气的四种主要污染物S02、N02、PM2．5及PMl0的监测数据，对苏州市环境空气质量进行评价，为制定治理城市空气污染的政策和法规提供一定的科学依据，以便更好地实施空气环境管理和综合防治，从而进一步达到提高和改善空气质量的目的。

（2）通过对苏州地区（苏州市、常熟市、张家港市、昆山市、太仓市）空气质量变化趋势的研究分析，找出影响苏州地区空气质量的首要污染物，更有针对性的选择相关治理措施，更有效的改善空气质量，促进苏州市经济的可持续发展。

研究意义

良好的环境空气质量是城市经济稳定增长和可持续发展的必要条件之一，环境保护和资源利用之间日益激化的矛盾已成为城市发展的阻力，有效保护与科学利用成为促进或制约区域全面协调可持续发展的重要杠杆。深入分析区域空气质量的时空分布特征及其影响因素，是因地制宜解决大气环境污染与社会经济发展两者间矛盾的理论基础。使用GIS技术、数据分析与可视化相结合的方法，比起传统的统计分析法能够更直观、更深层次、多角度地全面分析苏州地区的环境空气质量。

论文通过苏州市空气质量时空分布现状评价的分析、苏州市2018年3-4月主要空气污染因子及其空气质量指数的时间和空间变化特征，对苏州市空气质量影响因素进行全面的科学定量分析。研究确定了苏州市空气环境污染物的时空分布格局、主要影响因素影响力大小，对苏州市的空气环境治理和生态环境保护提供科学依据，为区域环境经济的健康持续稳定发展提供现实依据。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容

论文以苏州地区（苏州市、常熟市、张家港市、昆山市、太仓市）2018年3-4月环境空气的四种主要污染物s02、n02、pm2．5及pml0的监测数据为基础，结合温度、风向、风力等气象数据，分析苏州地区四种主要空气污染物s02、n02、pm2．5及pml0的污染状况。首先研究2018年3-4月苏州地区总体空气质量的变化规律，其次分别研究四种主要污染物的时间变化特征和空间变化特征，并探索影响污染物浓度的气象因素。然后结合环境空气质量标准和空气质量指数aqi，对苏州市的环境空气质量进行评价。最后，进行可视化表达。

预期目标

3. 研究的方法与步骤

研究方法

（1）时间序列分析法：

空气质量时间序列分析就是以时间为主线来体现空气质量的变化过程，也就是体现城市空气质量的变化轨迹。因此，我们通过对苏州市五个地区（苏州市、、常熟市、张家港市、昆山市、太仓市）2018年3-4月的四种空气质量主要污染物s02、n02、pm2．5及pml0实时监测的有效数据进行分析，了解这些数据的日际变化特征。

4. 参考文献

[1]王帅，杜丽，王瑞斌，丁俊男等. 国内外环境空气质量指数分析和比较[j].中国环境监测总站，2013（6）：59-65.

[2]陈魁，董海燕，郭胜华，蒙海涛，姜伟. 我国环境空气质量标准与国外标准的比较[j]. 天津市环境监测中心.

[3]申卫博，王国栋，刘云鹏，党亚爱. 基于gis技术的城市大气环境质量评价——以承德市为例[j].西北农业学报，2006,15（1）：113-116

5. 计划与进度安排

第一阶段（前期研究阶段）2022年3月12日至2022年3月25日（2周）

在知网、万方等论文网站上搜集并阅读与课题相关的论文，对课题之后的研究方向有大致的了解；研究国内外对这个论题的论述；研究环境空气的四种主要污染物pm2.5、pm10、so2、no2对空气质量的影响、环境空气质量标准和空气污染指数api；熟悉arcgis、spss、microsoft office、powerbi等地理信息系统、可视化表达和数理统计分析软件。

第二阶段（数据收集、研究和分析阶段）2022年3月26日至2022年4月22日（4周）