基于CALPUFF系统的大气污染评估方法及装置与流程

本发明涉及大气污染评估技术领域，具体的，涉及一种应用在计算机终端中的基于CALPUFF系统的大气污染评估方法，以及实现该方法的装置。

背景技术：

当前我国环境污染日趋严重，急需一种科学、高效的对企业排放数据进行比较准确的评估方法。目前各环保部门和环评公司针对新建、扩建、改建项目对周围环境造成的影响还缺乏一个直观、科学的工具，大多数还停留在依靠经验或者一个粗放公式的计算基础之上来进行环评。在我国，对于建设项目的大气环境影响评价，主要采用了<<环境影响评价技术导则大气环境>>(HJ2.2-2008)中推荐的三种模式:大气扩散模式AERMOD(Air Dispersion Modeling)、稳态大气扩散模式ADMS和非稳态拉格朗日烟团模式CALPUFF。

CALPUFF模型是一个非稳态拉格朗日烟团模型系统，可模拟三维流场随时间和空间发生变化时污染物在大气环境中的输送、转化和清除过程。CALPUFF适用于从50千米到几百千米的模拟范围，包括次层网格尺度的地形处理，如复杂地形的影响。还包括长距离模拟的计算功能，如污染物的干沉降、湿沉降、化学转化，以及颗粒物浓度对能见度的影响。CALPUFF模型系统可以处理连续排放源、间断排放情况，能够追踪质点在空间与时间上随流场的变化规律。

整个CALPUFF系统包括诊断风场模型CALMET、高斯烟团扩散模型CALPUFF和后处理模型CALPOST三部分。其中CALMET利用质量守衡原理对风场进行诊断，输出包括逐时风场、混合层高度、大气稳定度（PGT 分类）、各种微气象参数等。CALPUFF可以处理点源、线源、面源和体积源，同时还可考虑干湿沉降、建筑物下洗等因素。CALPOST为计算结果后处理软件，对CALPUFF计算的浓度进行时间分配处理，并计算出干（湿）沉降通量、能见度等。

CALPUFF系统是一个开源项目，有一个基于英文界面的免费软件。要使用这个软件需要对CALPUFF模型有相当的了解，同时需要比较专业的知识来填写运行该模型所需的各种参数。CALPUFF模型计算完成后要还要运行CALPOST模型进行数据后处理，从而得到以文件方式存储的浓度分布数据。鉴于该软件的复杂操作，用户在操作上很不方便，而且得到的结果也很不直观，很难使用这些数据来判断污染大小和污染范围。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种便于用户操作且可直观显示大气污染数据的基于CALPUFF系统的大气污染评估方法。

本发明的另一目的是提供一种便于用户操作且可直观显示大气污染数据的基于CALPUFF系统的大气污染评估装置。

为了实现上述主要目的，本发明提供的基于CALPUFF系统的大气污染评估方法包括：数据获取步骤，在获取到读取数据的指令时，读取本地数据库中预设地理区域内至少一个污染源的排放数据以及预设地理区域内的监测站所监测的空气质量数据；数据分析步骤，调用CALPUFF模型接口和CALPOST模型接口，根据排放数据和空气质量数据计算出预设地理区域内空间分布的污染浓度数据；图形展示步骤，根据污染浓度数据展示预设地理区域内监测站所监测的空气质量数据和污染源对监测站影响的数据的浓度对比图，或者在ArcGIS地图上以反距离加权插值渲染的方式显示污染浓度数据。

由上述方案可见，本发明的大气污染评估方法可对多个污染源进行单个评估或综合评估 ，便于帮助用户进行决策。进行数据分析时，通过自动调用CALPUFF系统的调用CALPUFF模型和CALPOST模型进行数据分析，可便于获得精确的污染浓度数据，同时减少用户对CALPUFF系统的操作步骤，为用户提供便捷。此外，将污染浓度数据通过对比图和在ArcGIS地图上渲染显示的方式进行展示，使得数据结果更加直观，便于用户评估污染源所造成的大气污染程度。

一个方案中，大气污染评估方法还包括在执行数据获取步骤之前执行的污染源数据存储步骤，在数据录入界面录入污染源的排放数据或在数据导入界面导入污染源的排放数据的文件，将污染源的排放数据或污染源的排放数据的文件存储在本地数据库中。

由此可见，数据分析时所需的污染源的排放数据可通过手动录入的方式或通过导入外部文件的方式获得，便于用户获取和查看污染源数据。

进一步的方案中，污染源数据存储步骤包括在获取到数据模板导出的指令时，导出第一预设格式的数据模板，数据模板用于指示用户导入污染源的排放数据。

由此可见，为了便于污染源的排放数据的导入，用于记录污染源的排放数据的外部文件需要设置统一的文件格式。通过数据模板导出的指令自动生成数据模板并导出，以便用户进行数据记录和管理。

进一步的方案中，大气污染评估方法还包括在执行数据获取步骤之前执行的监测数据存储步骤，接收预设地理区域内每一个监测站所监测的空气质量数据并存储在本地数据库中。

由此可见，通过获取预设地理区域所有监测站的所监测的空气质量数据，可便于在数据分析时进行参考，试分析结果更加精确。

具体的方案中，大气污染评估方法还包括在执行图形展示步骤后执行的数据导出步骤，在获取到导出数据的指令时，按第二预设格式导出污染源的排放数据、预设地理区域内的监测站所监测的空气质量数据以及污染浓度数据。

由此可见，为了便于实现数据的异地展示，通过导出数据的指令将评估数据导出，并以预定的格式导出，便于异地使用该评估数据，评估数据包括污染源的排放数据、预设地理区域内的监测站所监测的空气质量数据以及污染浓度数据等。

为了实现上述另一目的，本发明的大气污染评估装置包括：数据获取模块，在获取到读取数据的指令时，读取本地数据库中预设地理区域内至少一个污染源的排放数据以及预设地理区域内的监测站所监测的空气质量数据；数据分析模块，调用CALPUFF模型接口和CALPOST模型接口，根据排放数据和空气质量数据计算出预设地理区域内空间分布的污染浓度数据；图形展示模块，根据污染浓度数据展示预设地理区域内监测站所监测的空气质量数据和污染源对监测站影响的数据的浓度对比图，或者在ArcGIS地图上以反距离加权插值渲染的方式显示污染浓度数据。

由上述方案可见，本发明的大气污染评估装置在进行数据分析时，通过自动调用CALPUFF系统的调用CALPUFF模型和CALPOST模型进行数据分析，可便于获得精确的污染浓度数据，同时减少用户对CALPUFF系统的操作步骤，为用户提供便捷。此外，将污染浓度数据通过对比图和在ArcGIS地图上渲染显示的方式进行展示，使得数据结果更加直观，便于用户评估污染源所造成的大气污染程度并进行决策。

附图说明

图1是本发明基于CALPUFF系统的大气污染评估装置实施例的结构框图。

图2是本发明基于CALPUFF系统的大气污染评估装置实施例中数据录入界面的应用效果图。

图3是本发明基于CALPUFF系统的大气污染评估装置实施例中进行数据分析时的应用效果图。

图4是本发明基于CALPUFF系统的大气污染评估装置实施例中污染浓度数据渲染效果图。

图5是本发明基于CALPUFF系统的大气污染评估方法实施例的流程框图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于CALPUFF系统的大气污染评估装置是运行在计算机终端中软件程序。本实施例中的大气污染评估装置包括污染源数据存储模块1、监测数据存储模块2、数据获取模块3、数据分析模块4、图形展示模块5以及数据导出模块6。其中，污染源数据存储模块1包括数据模板导出模块11。

污染源数据存储模块1用于在数据录入界面录入所述污染源的排放数据或在数据导入界面导入所述污染源的排放数据的文件，将所述污染源的排放数据或所述污染源的排放数据的文件存储在所述本地数据库中。参见图2，本实施例中数据录入界面上设置有数据录入的虚拟按键和数据修改删除的虚拟按键，当点击数据录入的虚拟按键时，弹出数据录入对话框，用户可通过根据对话框的提示内容录入污染源的排放数据，污染源的排放数据包括污染源所在的地理位置、包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、PM10、PM2.5、挥发性有机物、烟囱高度、排气筒出口内径、排气筒出口处烟气温度以及烟气出口速率等数据。当点击数据修改删除的虚拟按键，读取存储在本地数据库中已录入污染源的排放数据，用户可进行修改或删除。

除了可以在数据录入界面录入污染源的排放数据外，还可以在数据导入界面导入污染源的排放数据的文件，为了便于文件的导入，记录有污染源的排放数据的外部文件需要按预设格式进行记录，预设格式的文件可以是固定排版的EXCEL表格文件或者固定排版的文本文件。为了便于指示用户进行数据记录，本实施例中，污染源数据存储模块1包括数据模板导出模块11，数据模板导出模块11用于在获取到数据模板导出的指令时，数据模板导出模块11导出第一预设格式的数据模板，所述数据模板用于指示用户导入所述污染源的排放数据。数据模板导出的指令包括点击数据模板导出的虚拟按键。数据模板导出模块11获取到数据模板导出的指令后，导出第一预设格式的数据模板并存储在用户所选择的存储位置。

监测数据存储模块2用于接收所述预设地理区域内每一个监测站所监测的空气质量数据并存储在所述本地数据库中。监测站可通过无线传输或有线传输的方式将所监测到的空气质量数据发送至本地数据库，空气质量数据包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、PM10、PM2.5以及挥发性有机物等数据。预设地理区域可以是用户自定义的地理区域或者是国家行政规划的地理区域，即，用户可自己设置地理区域的范围，或者选择某一城市等作为监测的地理区域。监测数据存储模块2还接收监测站自身的管理信息，例如，监测站所处的经度、纬度等信息。监测数据存储模块2还设置有数据导入、数据修改、数据删除等功能模块，用户可根据需要进行数据处理。

数据获取模块3用于在获取到读取数据的指令时，读取本地数据库中预设地理区域内至少一个污染源的排放数据以及预设地理区域内的监测站所监测的空气质量数据。读取数据的指令可包括点击显示界面的数据读取虚拟按键等。数据分析模块4用于调用CALPUFF模型接口和CALPOST模型接口，根据所述排放数据和所述空气质量数据计算出所述预设地理区域内空间分布的污染浓度数据。

参见图3，本实施例中，大气污染评估装置的显示界面设置有空气质量模型计算虚拟按键和多污染源空气质量模型计算虚拟按键，用户可根据需要进行选择。当数据分析模块4获取到点击空气质量模型计算的虚拟按键时，显示空气质量模型计算对话框，用户可在对话框中设置空气质量模型计算的条件（例如，选择春、夏、秋、冬4个典型气象场中的一个气象场）；选择污染源以及选择需要评估的地理区域。完成计算条件的设置后可点击开始计算的虚拟按键。此时，数据分析模块4调用CALPUFF模型接口，根据数据获取模块3所获取的污染源的排放数据、预设地理区域内的监测站所监测的空气质量数据以及空气质量模型计算的条件进行运算。

CALPUFF模型运算结束后，数据分析模块4调用CALPOST模型对CALPUFF模型运算后得到的数据进行后处理，经过CALPOST模型后处理得到的所述预设地理区域内空间分布的污染浓度数据。由CALPOST模型处理后的污染浓度数据是空间上的一些离散数据点（X,Y,Value），其中X是经度，Y是纬度，Value是在这个经纬度上的污染物浓度值。由于CALPUFF软件为现有的应用软件，CALPUFF模型和CALPOST模型为该应用软件的两个子模块，其工作原理在此不再赘述。当数据分析模块4获取到点击多污染源空气质量模型计算虚拟按键时，分别对多个污染源进行分析后，将所获得的数据进行叠加，则可获得预设地理区域内空间分布的污染浓度数据。

图形展示模块5用于根据所述污染浓度数据展示所述预设地理区域内所述监测站所监测的所述空气质量数据和污染源对监测站影响的数据的浓度对比图，或者在ArcGIS地图上以反距离加权插值渲染的方式显示所述污染浓度数据。本实施例中，浓度对比图以直方图的形式显示监测站的实际监测的所述空气质量数据和污染源的排放数据对监测站影响的数据。

在ArcGIS地图上以反距离加权插值渲染的方式显示所述污染浓度数据时，由于污染浓度数据是空间上的一些离散数据点，如果以这些离散点污染物的浓度值作为颜色权重在地图上渲染，得到的污染物浓度渲染图也是离散的，在空间地图上是一些不连续的图形，为了使渲染出的地图是连续的且颜色过渡是渐进式的，需要对这些数据进行插值运算，本实施例中采用了反距离加权插值，反距离加权插值为公知技术，其原理在此不再赘述。

在ArcGIS中进行反距离权重插值运算的步骤如下：1.装载污染源所在的行政区划地图；2.加载经过CALPUFF模型和CALPOST模型后处理得到的污染离散数据点；3.调用ArcGIS Engine提供的函数创建shp数据文件并新增属性字段“经度”、“纬度”、“污染物浓度”到新创建的shp数据文件中；4.把加载的污染物离散点数据按照经度、纬度以及污染物浓度的格式绘制到新建的shp数据文件中；5.设置插值边界（一般以行政区划为界），输出栅格地图的大小以及插值幂值（幂值越大则受邻近测量值的影响越大，插值结果越不平滑，较小的幂值将对距离较远的周围点产生更大的影响，从而导致平面更加平滑）；6.设置好插值参数后调用ArcGIS Engine提供的反距离权重插值算法进行插值运算并输出栅格数据文件到本地数据库中；7.把输出的栅格数据文件作为一个图层加载到ArcGIS的地图控件中；8.加载到地图控件的栅格图层中包含了大量经过插值运算的经度、纬度以及污染物浓度值，根据污染物浓度值的不同选用10种不同的颜色分级渲染污染物浓度值。ArcGIS会根据污染物浓度值的最大值和最小值，把污染物浓度值平均按梯度范围分成10种不同的颜色来区分，每种颜色代表一个浓度范围；9.把分级渲染的结果更新到ArcGIS地图控件中并显示在显示界面，效果图参见图4。

通过按颜色分级渲染地图中可以直观的看到污染源的排放数据对周围环境的影响，便于用户对污染源进行评估以及决策。

数据导出模块6用于在获取到导出数据的指令时，按第二预设格式导出所述污染源的排放数据、所述预设地理区域内的监测站所监测的空气质量数据以及所述污染浓度数据。用户可根据需要将存储在本地数据库中的数据进行导出，便于数据异地展示，例如，在用户需要将某一计算机中大气污染评估装置所储存的数据展示在另一台计算机上时，可点击大气污染评估装置显示界面中的数据导出虚拟按键，数据导出模块6在接收到点击数据导出虚拟按键的指令后，则按预设的格式导出需要的数据并储存在用户需要储存的位置，该预设的格式可以是将所有数据压缩为压缩包的压缩文件格式。

可选的，本发明的大气污染评估装置还可包括登录管理模块（未示出），登录管理模块管理用户登录信息，包括增加、修改、删除管理人员信息以及修改登录密码等功能。

为了更好的描述本发明的大气污染评估装置，下面结合大气污染评估装置的工作流程进行描述。

如图5所示，在需要对污染源进行评估时，首先污染源数据存储模块1执行污染源数据存储步骤S1，在数据录入界面录入所述污染源的排放数据或在数据导入界面导入所述污染源的排放数据的文件，将所述污染源的排放数据或所述污染源的排放数据的文件存储在所述本地数据库中。用户可根据需要选择手动录入污染源的排放数据或导入记录有污染源的排放数据的外部文件。用户选择导入外部文件时，外部文件的数据格式需要符合指定的格式，为了便于用户记录的数据符合导入的要求，可通过数据模板导出模块11在获取到数据模板导出的指令时，数据模板导出模块11导出预设格式的数据模板，所述数据模板用于指示用户导入所述污染源的排放数据。

接着，监测数据存储模块2执行监测数据存储步骤S2，接收所述预设地理区域内每一个监测站所监测的空气质量数据并存储在所述本地数据库中。例如，在监测数据存储模块2接收到点击大气污染评估装置显示界面中的监测数据接收虚拟按键时，向需要获取数据的监测站发送数据传输的指令，监测站端通过无线或有线传输空气质量数据，监测数据存储模块2接收到空气质量数据后存储在所述本地数据库中。

在获得污染源的排放数据和空气质量数据后，可进行数据分析，在数据分析模块4执行数据分析步骤S4之前，数据获取模块3执行数据获取步骤S3，在获取到读取数据的指令时，读取本地数据库中预设地理区域内至少一个污染源的排放数据以及所述预设地理区域内的监测站所监测的空气质量数据。在获取数据时，用户可设置数据获取条件，例如，选择受污染源影响的地理区域，污染源的个数等，数据获取模块3根据设置的数据获取条件进行数据的读取。

获得数据后，数据分析模块4执行数据分析步骤S4，调用CALPUFF模型接口和CALPOST模型接口，根据所述排放数据和所述空气质量数据计算出所述预设地理区域内空间分布的污染浓度数据。调用CALPUFF模型接口时，需根据受污染源影响的地域的相应气候场条件进行运算，气候场数据可通过常年的监测统计获得，本实施例中，气候场包括春、夏、秋、冬4个典型气象场，用户可根据需要选择。CALPUFF模型完成运算后，CALPOST模型进行数据的后处理，从而获得的污染浓度数据。

获得污染浓度数据后，图形展示模块5执行图形展示步骤S5，根据所述污染浓度数据展示所述预设地理区域内所述监测站所监测的所述空气质量数据和污染源对监测站影响的数据的浓度对比图，或者在ArcGIS地图上以反距离加权插值渲染的方式显示所述污染浓度数据。用户可根据需要选择显示浓度对比图或者显示在ArcGIS地图上渲染的浓度分布图。

经过计算获得浓度数据后，数据导出模块6执行数据导出步骤S6，在获取到导出数据的指令时，按预设格式导出所述污染源的排放数据、所述预设地理区域内的监测站所监测的空气质量数据以及所述污染浓度数据。当然，数据导出步骤S6还可在执行污染源数据存储步骤S1、监测数据存储步骤S2、数据分析步骤S4之后执行，可根据需要将对应的数据导出。导出的数据需按预设的格式进行保存，例如，压缩文件格式等。

由上述可知，本发明可对多个污染源进行单个评估或综合评估 ，并将评估结果以图形的方式展示，便于帮助用户进行决策。进行数据分析时，通过自动调用CALPUFF系统的调用CALPUFF模型和CALPOST模型进行数据分析，可便于获得精确的污染浓度数据，同时减少用户对CALPUFF系统的操作步骤，为用户提供便捷。此外，将污染浓度数据通过对比图和在ArcGIS地图上渲染显示的方式进行展示，使得数据结果更加直观，便于用户评估污染源所造成的大气污染程度。另外，还可以将数据导出，便于数据的异地展示。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，例如，执行步骤的顺序变换，也均落入本发明的保护范围之内。