城市空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)模型與數(shù)據(jù)可視化方法研究.pdf

1、由于工業(yè)化、城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市的生產(chǎn)、消費(fèi)規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致城市能源、交通規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，能源結(jié)構(gòu)不盡合理，以燃煤作為電力、熱力等的主要燃料。因此，以可吸入顆粒物、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等為主要污染物的大氣環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，對(duì)資源、環(huán)境與人民生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的沖擊，嚴(yán)重威脅著可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。
　　 開(kāi)展空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)與數(shù)據(jù)分析與可視化的研究可以全面掌握城市空氣污染源的排放數(shù)據(jù)和各種空

2、氣污染物在不同空間區(qū)域內(nèi)的濃度數(shù)據(jù)，可以對(duì)影響城市空氣質(zhì)量的因素有所了解和把握，掌握城市空氣質(zhì)量在時(shí)間和空間維的變化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)城市規(guī)劃與建設(shè)、污染控制、環(huán)境管理、公共事業(yè)發(fā)展均有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。
　　 “十五”規(guī)劃和“十一五”規(guī)劃期間，我國(guó)各省市都開(kāi)展了大規(guī)模的基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的基本覆蓋城市區(qū)域的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和重點(diǎn)空氣污染源監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)。對(duì)影響城市環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，獲取了大量環(huán)境空氣質(zhì)量和

3、重點(diǎn)空氣污染源排放的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。如何充分利用這些海量數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)城市環(huán)境空氣質(zhì)量的各種指標(biāo)的進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)、對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，研究城市環(huán)境空氣質(zhì)量與各種空氣排放源之間的時(shí)空相關(guān)性等方面的工作有待進(jìn)一步開(kāi)展。
　　 在國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目《大規(guī)模動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中海量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程可視化技術(shù)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)(2008)》、山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目《城市空氣污染應(yīng)急仿真與可視化研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)(2008)》和山東省科委《山東省可

4、持續(xù)發(fā)展科技示范項(xiàng)目-濟(jì)南市環(huán)境空氣質(zhì)量及空氣污染源監(jiān)控、預(yù)警技術(shù)及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的研究開(kāi)發(fā)(2002))以及濟(jì)南市科技攻關(guān)項(xiàng)目《濟(jì)南市煙氣污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)與示范(2003)》等科研項(xiàng)目的支持下，本文以山東省濟(jì)南市的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，圍繞城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)監(jiān)控與預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的可視化等課題，重點(diǎn)開(kāi)展了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)模型研究、城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)可視化方法的研究、城市空氣污染源排放擴(kuò)散模擬仿真

5、方法的研究、以及城市空氣污染源排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與空氣質(zhì)量的相關(guān)性分析等方面的研究。
　　 本文研究了以區(qū)域內(nèi)空氣污染源排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為輸入，區(qū)域內(nèi)的環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)站的污染物濃度數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)值為輸出的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法。提出了一個(gè)基于粗糙集理論的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，對(duì)指定區(qū)域內(nèi)的環(huán)境空氣污染源排放原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性約簡(jiǎn)、構(gòu)造人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層的神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)、確定節(jié)點(diǎn)間的連接權(quán)值和網(wǎng)絡(luò)初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)BP算法迭代對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，求

6、出網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù)，完成預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建。提出了一個(gè)基于資源分配網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，利用RAN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的距離準(zhǔn)則和誤差準(zhǔn)則，進(jìn)行隱層節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)生成和參數(shù)調(diào)節(jié)，生成能滿足誤差要求的最小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，避免了網(wǎng)絡(luò)中隱含節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和初始網(wǎng)絡(luò)參數(shù)難以選取的缺點(diǎn)，這兩個(gè)模型，都比經(jīng)典的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有更快的網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度和更高的預(yù)測(cè)精度。
　　 本文對(duì)城市區(qū)域內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的可視化方法的進(jìn)行了研究。運(yùn)用徑向基函數(shù)對(duì)給定區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量

7、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)中污染物濃度值在時(shí)間和空間維度上進(jìn)行插值的方法，生成了在某一指定空間層次上的空氣污染物濃度等值面；采用Marching Cubes算法在城市空間區(qū)域維度上進(jìn)行污染物濃度數(shù)據(jù)的三維等值面繪制；研究了如何實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)中污染物濃度在空間的整體彌撒效果，首先定義了在空間網(wǎng)格中的污染物粒子，并以對(duì)空間區(qū)域的所有格網(wǎng)中的污染物濃度值數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、轉(zhuǎn)換，利用光線對(duì)污染物的散射效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣污染數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)模擬，繪制出了類似