CN114118602A - 一种基于gis的“高空喷淋”设备选址方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GIS的“高空喷淋”设备选址方法，属于地理信息系统GIS(Geographic Information System)在选址技术领域方面的研究。本发明所述方法利用GIS本身自带有的空间分析功能，在划定区域上构建多个数据图层，主要包括：人口聚集区域图层、工业企业挥发性有机物（VOCS）排放量图层、焚烧点密度图层和高程数据图层，所述图层作为选址的重要影响因素，进一步代入到综合评价模型中，通过对多图层数据进行融合得到的选址结果（工业和企业楼顶）安装“高空喷淋”设备，能够有效对悬浮在空中的PM2.5和PM10以及大颗粒扬尘进行面源性的压制，为政府选定高空雾炮喷淋系统提供数据和专业技术的支持和依据。

Description

一种基于GIS的“高空喷淋”设备选址方法
技术领域
本发明公开了一种基于GIS的“高空喷淋”设备选址方法，属于地理信息系统GIS(Geographic Information System)在选址技术领域方面的研究。
背景技术
近年来，我国社会经济稳步发展，伴随而来的却是一系列大气污染问题，给生态环境造成了严重破坏，这显然与可持续发展理念不相符。对此，我国政府也推出了一系列政策与措施来应对大气污染问题，尽管取得了一定的成效，但有的问题并没有得到根本性的解决，关于大气污染防治措施的研究具有重要的现实意义。
雾霾作为一种复合细微颗粒悬浮物，其颗粒大小覆盖了从PM0.1到PM2.5，统称为2.5微米细颗粒物。在大气稳定的情况下，这种混合悬浮物甚至可以从地面到500米高度稳定悬浮数日甚至数周，有风的情况下高度不定，而当降雨后迅速沉降消失。“高空喷淋”系统为安装在高层建筑上的“雾炮系统”，其综合利用高压射雾、负离子除尘和调频雾化技术，进行远距离大范围内的射雾和喷雾，对悬浮在空中的PM2.5和PM10以及大颗粒扬尘进行面源性的压制，目前这种系统已经抢占了城市智慧环保的制高点。虽然“高空喷淋”系统等基础设备研发已趋于完善，但安装位置却没有一个准确且高效的选取方案，这成为了政府相关部门为有效治理PM2.5污染物的技术重点和难点。
发明内容
针对目前PM2.5颗粒物对城镇居民生活产生严重影响的现状，如何使用最少的“高空喷淋”系统达到最佳治理效果成为研究关键，本发明提出了一种“高空喷淋”系统安装选址方法，该选址方法可作为一种系统且具体的选址依据，对安装位置选取提供了技术支撑和技术保障。本发明的目的在于提供一种选址方法，具体包括以下步骤：
（1）收集和获取选定区域的基础数据，基础数据主要包括：（i）划定区域范围内主要工业企业的地理坐标（经度和纬度）以及其所对应的年VOCS排放量（单位：吨/年）；（ii）高空瞭望监控平台采集焚烧点的地理坐标（经度和纬度）；（iii）高空间分辨率卫星遥感数据；（iv）DEM数字高程模型。
（2）对步骤（1）收集得到的基础数据进行预处理，主要处理焚烧点数据和卫星遥感数据：
（i）对焚烧点进行点密度分析，点密度分析（Point Density Analysis）用于计算每个输出栅格像元周围的点要素的密度。其原理为在每个栅格像元中心的周围定义一个邻域，将邻域内点的数量相加，然后除以邻域面积，即得到点要素的密度数据图层，可表示为：
Figure 818336DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中：PDV表示点密度值（PDV，Point Density Value），R为搜索半径，N为在搜索半径中焚烧点的个数。
（ii）通过使用高空间分辨率卫星遥感数据，按照划定区域的发展情况构建居民地聚集程度等级矢量边界图层，对矢量边界图层的要求如下：应以实际房屋和人口密集程度作为主要划分依据进行边界描绘；边界应保证为闭合的面状区域；对应的边界应包含居民地聚集程度等级属性。
（3）对步骤（1）中划定区域范围内主要工业企业的地理坐标进行转点，并将所对应的年VOCS排放量输入数据库中，基于GIS多值提取至点(Multi-Value Extraction ToPoint)功能，通过对每个输入的栅格提取一个像元值，并会将包含该提取值的新字段追加到输入点要素类中，结果可将高程数据、步骤（2）结果中的焚烧点密度数据和居民地聚集程度等级数据追加到工业企业数据库中。
（4）对步骤（3）的结果进行数量级转化，确保各追加属性数据值处于同一数量级（一般以工业企业年排放量量级作为基准），量级转化依据为：
Figure 925969DEST_PATH_IMAGE002
（2）
（5）对步骤（4）转化结果根据各因子贡献率的高低，通过构建综合评价指标（CEI，Comprehensive Evaluation Index）模型对“高空喷淋”装置安装位置进行初步筛选，其模型表达式为：
Figure 790020DEST_PATH_IMAGE003
（3）
（6）对步骤（5）初步筛选出的工业企业位置进行缓冲区分析，对距离小于600米的企业进行择优筛选，最终确定安装“高空喷淋”设备的具体位置，即为选择最佳的工业企业楼顶作为“高空喷淋”设备安装点。
附图说明
图1为新昌县三维地形图；
图2为新昌县高空雾炮选址技术路线图；
图3为新昌县焚烧点密度分布图；
图4为新昌县地形图；
图5为新昌县人口聚集分布图；
图6为缓冲区筛选结果图；
图7为新昌县“雾炮喷淋”装置选址点位置坐标图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本发明实施例以浙江省绍兴市新昌县主城区划定范围为例进行详细分析说明，新昌县位于绍兴市东南部，介于东经120°41′34″E～121°13′34″E、北纬29°13′55″N～29°33′52″N之间，主要以山林、旱地为主，秋冬季节近地层空气流动性相对较弱，污染物易累积；同时受自身地形因素的影响，新昌县四周环山，海拔高度在1500m以下的山峰众多（图1），这种地形使得污染物难以扩散。伴随季节变化引起的风向变化（以2020年风玫瑰图为例，秋冬季主导风向由原来的东南风转为西北风）导致PM2.5持续外来输入，当外地污染物输入和本地污染物产生时不能有效的随气流扩散导致污染物聚集。为持续改善和提升新昌县空气质量水平，有效抑制秋冬季PM2.5污染物浓度的升高，必须合理安装“高空喷淋”系统，以达到“使用最少的设备达到最佳治理效果”为目标。
（1）本实施例的数据来源：工业与企业源地理坐标及其对应的年VOCS排放量数据通过企业摸排巡查获取；焚烧点地理坐标通过高空瞭望监控平台获取；卫星遥感数据和DEM数字高程模型数据均来自于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，其中卫星遥感数据为高分二号（GF-2）卫星获取，地理坐标系为EPSG:4326(WGS84)；DEM数字高程模型数据产品基于“先进星载热发射和反辐射计(ASTER)”数据计算生成，是目前唯一覆盖全球陆地表面的高分辨率高程影像数据，地理坐标系为EPSG:4326(WGS84)，空间分辨率为30m；同时，本实施例还用到了新昌县乡镇行政区划图进行影像裁剪和分区统计；数据详细信息见表1。
表1数据源详细信息表
数据源 坐标系 区域 空间分辨率 数据获取时间
工业与企业源VOC<sub>S</sub>排放量 WGS84 新昌县范围内 — 2017年第二次全国污染源普查数据
焚烧点 WGS84 新昌县范围内 — 2020年高空瞭望监控平台火点统计
卫星遥感数据 WGS84 新昌县 0.8m 2021.01.18
DEM数据 WGS84 新昌县 30m 2009
新昌县乡镇行政区划图 WGS84 新昌县 — —
（2）数据预处理
通过对获取得到的基础数据进行预处理，对焚烧点数据和居民地聚集程度进行定量化处理，主要技术路线见图2（图）。
焚烧点密度分析：使用GIS软件对焚烧点位数据进行点密度分析，即对每焚烧点计算每个输出栅格像元周围的点要素的密度。通过焚烧点密度分析可得到工业企业所在地理位置的焚烧密度值（图3）。
地形分析：对新昌县数字高程模型数据(DEM)进行处理，得到新昌县等高线图，通过分析可得到对应工业源点位的地表高度，以高度作为“高空喷淋”的影响因素（图4）。
人口聚集地分析：对新昌县遥感数据图通过描绘城区与主要居民地边界，按人口密集程度划分为三个等级，如图所示，数字越大对选点贡献率越高，即等级越高对应的重要性越高（图5）。
（3）“高空雾炮喷淋”装置选址分析
通过上述预处理得到的数据对新昌县“高空喷淋”装置进行选址分析，即使用综合评价指标进行选点，综合评价指标包括：其中工业源VOCS污染排放量等级占首位；其次为焚烧点密集程度等级、人口聚集地等级和地形要素等级进行综合分析。通过使用GIS软件中的多值提取至点和空间连接功能，提取各图层数据至工业企业源点位数据图层中，导出结果见表2。
表2 工业源点位选址影响因子数据表
选点企业名称 VOC<sub>S</sub>排放量 焚烧点密集度 高程 居民地等级
浙江万丰奥威汽轮股份有限公司 854.4 4299.72 22 3
浙江万丰摩轮有限公司 307.9 0.00 29 3
浙江中财管道科技股份有限公司 188.0 21498.62 54 3
浙江三花智能控制股份有限公司 173.0 0.00 38 2
浙江新维普添加剂有限公司 160.7 4299.72 34 2
新昌制药厂 152.4 4299.72 55 3
浙江新和成股份有限公司（塔山区） 121.4 0.00 38 3
浙江新柴股份有限公司 52.5 17198.90 34 3
新昌和宝生物科技有限公司 33.3 42997.25 52 3
新昌佳成工艺品有限公司 19.9 8599.45 56 2
浙江省新昌县华佳国财塑胶有限公司 19.7 34397.80 52 3
浙江恒通机械有限公司 19.3 0.00 199 1
新昌县精锐机械有限公司 17.4 0.00 74 1
浙江朗博药业有限公司 14.1 17198.90 84 3
新昌新和成维生素有限公司 11.4 0.00 42 2
浙江先锋彩印包装有限公司 10.9 12899.17 65 2
绍兴摩泰机电科技有限公司 8.0 0.00 36 3
新昌县通乐密封件有限公司 3.2 25798.35 59 3
新昌县安信机车部件有限公司 1.9 0.00 52 3
新昌县羽林街道康吉机械厂 1.5 25798.35 54 3
新昌县行峰制冷配件厂 1.1 0.00 48 3
根据各因子贡献率的高低，通过构建综合评价指标（CEI，ComprehensiveEvaluation Index）模型对“高空喷淋”装置进行选择，其模型表达式为：
Figure 197868DEST_PATH_IMAGE004
根据构建的评价指标模型表达式对进行量级处理后的数据代入计算，排名前十结果见表3。
表3 工业企业源点位综合评价指标排序结果
选点企业名称 综合评价指标 综合评价等级
浙江万丰奥威汽轮股份有限公司 1038.00 1
浙江万丰摩轮有限公司 756.85 2
浙江中财管道科技股份有限公司 742.40 3
新昌制药厂 690.30 4
浙江省新昌县华佳国财塑胶有限公司 683.85 5
浙江新和成股份有限公司（塔山区） 664.50 6
浙江新柴股份有限公司 664.05 7
新昌县通乐密封件有限公司 659.10 8
新昌县羽林街道康吉机械厂 657.75 9
浙江朗博药业有限公司 649.85 10
绍兴摩泰机电科技有限公司 607.60 11
新昌县安信机车部件有限公司 606.15 12
新昌县行峰制冷配件厂 605.35 13
浙江新维普添加剂有限公司 492.35 14
浙江三花智能控制股份有限公司 490.30 15
浙江先锋彩印包装有限公司 437.75 16
新昌佳成工艺品有限公司 432.75 17
新昌新和成维生素有限公司 409.90 18
浙江恒通机械有限公司 229.55 19
新昌县精锐机械有限公司 216.10 20
对初步筛选出的工业企业位置进行缓冲区分析，对距离小于600米的企业进行择优筛选（图6），最终确定安装“高空喷淋”设备的具体位置，即为选择最佳的工业企业楼顶作为“高空喷淋”设备安装点（图7），根据政府财政资金额度初步选取6个地点进行安装，安装雾炮喷淋系统选址点位为：浙江万丰奥威汽轮股份有限公司、浙江万丰摩轮有限公司、浙江中财管道科技股份有限公司、新昌制药厂、浙江新和成股份有限公司（塔山区）和浙江新柴股份有限公司等六家企业。（注：图6中排名第5位的浙江省新昌县华佳国财塑胶有限公司与第3位的浙江中财管道科技股份有限公司距离小于600m，因此按等级顺序优先选取中财管道科技股份有限公司）
本发明实施例通过使用GIS强大的空间分析功能，可系统而准确地对“高空喷淋”设备进行选址，同时可最大程度的提高设备对全区域PM2.5污染物治理效果，为了政府相关部门为有效治理PM2.5污染物安装“高空喷淋”设备提供了技术支撑和技术保障。

Claims (1)

1.一种基于GIS的“高空喷淋”设备选址方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）收集和获取选定区域的基础数据，基础数据主要包括以下几个方面：
（i）划定区域范围内主要工业企业的地理坐标（经度和纬度）以及其所对应的年VOCS排放量（单位：吨/年）；
（ii）高空瞭望监控平台采集焚烧点位的地理坐标（经度和纬度）；
（iii）高空间分辨率卫星遥感数据；
（iv）DEM数字高程模型；
（2）对步骤（1）收集得到的基础数据进行处理，主要处理焚烧点数据和卫星遥感数据：
（i）对焚烧点进行点密度分析，点密度分析（Point Density Analysis）用于计算每个输出栅格像元周围的点要素的密度；
其原理为在每个栅格像元中心的周围定义一个邻域，将邻域内点的数量相加，然后除以邻域面积，即得到点要素的密度数据图层，可表示为：
Figure 269253DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中：PDV表示点密度值（PDV，Point Density Value），R为搜索半径，N为在搜索半径中焚烧点的个数；
（ii）通过使用高空间分辨率卫星遥感数据，按照划定区域的发展情况构建居民地聚集程度等级矢量边界图层，对矢量边界图层的要求如下：应以实际房屋和人口密集程度作为主要划分依据进行边界描绘；边界应保证为闭合的面状区域；对应的边界应包含居民地聚集程度等级属性；
（3）对步骤（1）中划定区域范围内主要工业企业的地理坐标进行转点，并将所对应的年VOCS排放量输入数据库中，基于GIS多值提取至点(Multi-Value Extraction To Point)功能，通过对每个输入的栅格提取一个像元值，并会将包含该提取值的新字段追加到输入点要素类中，结果可将高程数据、步骤（2）结果中的焚烧点密度数据和居民地聚集程度等级数据追加到工业企业数据库中；
（4）对步骤（3）的结果进行数量级转化，确保各追加属性数据值处于同一数量级（一般以工业企业年排放量量级作为基准），量级转化依据为：
Figure 880363DEST_PATH_IMAGE002
（2）
（5）对步骤（4）转化结果根据各因子贡献率的高低，通过构建综合评价指标（CEI，Comprehensive Evaluation Index）模型对“高空喷淋”装置安装位置进行初步筛选，其模型表达式为：
Figure 109350DEST_PATH_IMAGE003
（3）
（6）对步骤（5）初步筛选出的工业企业位置进行缓冲区分析，对距离小于600米的企业进行择优筛选，最终确定安装“高空喷淋”设备的具体位置，即为选择最佳的工业企业楼顶作为“高空喷淋”设备安装点。
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