CN114118602B - 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
本发明具体为一种基于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
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
技术方案
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以及其所对应的年VOCs排放量,地理坐标以经度、纬度表示，年VOCs排放量的单位为吨/年；
(ii)高空瞭望监控平台采集焚烧点位的地理坐标，地理坐标以经度、纬度表示；
(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(PDA，Point Density Analysis)，点密度分析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：
式中：PDV表示点密度值(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，并将包含该像元值的新字段追加到输入点要素类中，结果将高程数据、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，量级转化依据为：
(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：
CEI＝0.5*VOCs排放量+0.2*焚烧点密度+0.2*居民地聚集程度等级+0.1*高程
(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
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
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
(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。
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，见图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，见图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5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。
(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
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：
CEI＝0.5*VOCs排放量+0.2*焚烧点密度+0.2*居民地聚集程度等级+0.1*高程
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
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以及其所对应的年VOCs排放量，地理坐标以经度和纬度表示，年VOCs排放量的单位为吨/年；
(ii)高空瞭望监控平台采集焚烧点位的地理坐标，地理坐标以经度和纬度表示；
(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：
式中：PDV表示点密度值，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多值提取至点功能，通过对每个输入的栅格提取一个像元值，并将包含该像元值的新字段追加到输入点要素类中，结果将高程数据、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，量级转化依据为：
(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：
CEI＝0.5*VOCs排放量+0.2*焚烧点密度+0.2*居民地聚集程度等级+0.1*高程
(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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