大气污染扩散模拟系统总体设计.doc

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1、 大气污染扩散模拟系统大气污染扩散模拟系统总体设计报告 学 院：地 理 科 学 与 规 划 学 院专 业：地 理 信 息 系 统（测绘）作 者： 黄 岸 峰 学 号： 0 9 3 4 3 0 6 5 指导老师： 马 林 兵 目录第一章 ：引言 4 1.1 编制目的 1.2 预期读者 1.3 项目背景 1.4 定义说明第二章 ：项目目标 6 2.1 界面设计 2.2 功能设计 第三章 ：运行环境 8 3.1 操作系统 3.2 数据库选型 3.3 GIS平台 3.4 系统开发工具第四章 ：系统功能 10 4.1 设计思路 4.2 系统结构图 4.3 查询功能 4.4 用户管理 4.5 模拟分析功能

2、第五章 ：数据库设计 17 5.1 数据库设计第六章 ：关键技术 18 6.1 模拟模型技术 6.2 Metro界面风格 6.3 WPF的应用第七章 ：接口设计 22 7.1 接口设计第八章 ：分工和感想 23 第一章、引言l 1.1编制目的本总体设计是在经过了需求分析之后，为明确各项功能需求的落实与否以及以后进一步设计开发而编写的，主要是阐述整个系统设计的总体思路，对计划满足的各种需求提供具体的实现方法，为下一阶段的详细设计提供指导性文档。l 1.2 预期的读者总体设计说明书的预期读者主要有： 软件开发者软件开发者根据本说明书的设计思路和方法，做出各模块（或子系统）的设计，必须在设计中符合本

3、说明书的各项规定和约束。 马林兵老师马林兵老师根据本说明书对软件的总体有较为全面的认识。帮助其理解软件的开发过程和主要的功能应用。l 1.3 项目背景大气污染问题属于最重要的环境问题之一，而工厂排放的污染物是大气污染的重要源头。当前，迫切需要解决的问题是开展空气环境容量研究和空气污染模拟预报、预测以及大气污染影响评价等工作，为政府部门统筹城市环境规划提供分析参考；另可为国家环境部门在污染源排放管理上提供技术支持；同时可为污染源排放企业治理大气污染提供可靠指导。空气污染物扩散模型是模拟研究气态污染物在空气中扩散趋势的有效方法，更是评价、预测空气污染程度及提出环保措施的基础。然而，由于物理数学模的

4、复杂性，几乎不可能通过人工计算对区域内污染物扩散情况做出准确预测，一般都需要在计算机的帮助下才能进行有效计算。但是，一般的计算机软件也只能进行单纯的数据处理，而不能结合地形条件实现图形模拟和地形修正等功能。GIS 作为多学科交叉的产物，在大气环境质量研究中，GIS 可以智能地将不同源、不同类的数据信息进行提炼与升华、加工和再生，为现代大气环境质量保护与研究工作带来有力的技术支持。为此，我们基于GIS 技术，建立了主要针对工厂的大气污染物扩散模拟分析系统。同时为了总结、运用在课程GIS软件工程，中所学习到的关于GIS软件开发的知识，提高小组成员实务的动手能力。我们小组讨论并决定设计了这个软件空气

5、污染扩散模拟系统。l 1.4 定义及说明总体设计是软件工程中的生存期的重要环节，它基本确定了软件中关于“怎样做”的大致框架，有的资料把它称作概要设计、方案设计或结构设计等，这里我们提到的这些概念等同。客 户：潜在的空气污染扩散模拟系统需求方（马老师）用 户: 需要使用到空气污染扩散模拟系统的人员（马老师）设计方:BUG小组设计宗旨：软件遵循本小组“最强大的功能，最优秀的用户体验”的宗旨设计。l 1.5 参考资料参考文献：WPF教程空气污染气象学教程教程大气环境质量模型和结合的研究大气环境质量模型和GIS 结合的研究合肥市大气环境质量评价及预测模式研究基于GIS 的环境影响评价专题图信息系统参考

6、网站：ESRI中国社区：http:/bbs.esrichina-中国环境保护部官网：第二章、项目目标l 2.1界面设计本系统采用C#编程语言结合WPF进行开发，且紧跟WIN8和Metro 的时尚潮流。界面设计清新雅致、绿色美观，采取健康的设色方案，不仅可以缓解眼疲劳，还能让人放松情绪，身心愉悦。软件布局别开心裁，设置提示更显平易近人。系统操作简易，功能齐全，既有简易的图层操作，又有复杂模型计算。不仅能动态展示分析过程，还能轻松导出分析成果，是环境管理部门得意助手。l 2.2 功能设计系统基本功能：本系统功能齐全，用户可利用系统所提供的基本功能对数据进行查看、查询。本系统还带有风格选择下拉菜单，

7、用户可根据个人喜好选择舒适的操作环境。系统基本查看功能包括：地图的放大、缩小、移动、全图、清楚图层等。而基本查询功能则包括空间查询、属性查询以及鹰眼查询。用户通过这些功能可以进一步了解图层数据的情况，为选择合适的模型进行模拟提供参考依据。模拟模型：系统提供完整的空气污染模拟、分析的功能（高斯模型、烟熏模型、颗粒模型等），直观展现分析和模拟的结果。用户可以根据实际情况输入各类参数，完成最贴合实际的模拟。 高斯模型用户通过输入各种参数，根据高斯模型的相关原理，实现大气污染扩散的相关模拟。 烟熏模型用户通过输入各种参数，根据烟熏模型的相关原理，实现大气污染扩散的相关模拟。 颗粒模型用户通过输入各种参

8、数，根据颗粒模型的相关原理，实现大气污染扩散的相关模拟。辅助分析功能： 动态模拟分析为了对大气污染物随着时间的扩散情况进行分析，系统提供了动态模拟分析功能。根据设定的环境参数及时间，可以得到任一时间点扩散情况。 分级渲染分析 根据选取的特定颜色，对输出的污染浓度图根据栅格值进行分级渲染，用以直观地反应出出各个地方的污染物浓度，并对其透明度进行设置，以配合地图出图。 等值线分析以计算结果的栅格图像为依据，根据一定的间隔，生成一幅污染扩散等值线图，用以更为直观地反应出出各个地方的污染物浓度。 制图输出功能： 系统提供图形打印功能，用户可以根据自己的需要打印各种规格的图形，包括标准图幅出图、不规则范

9、围出图等等，并且系统提供各种工具方便进行图幅整饰，包括添加标题、图例、指北针、比例尺。如下图所示：第三章、运行环境l 3.1操作系统操作系统要求：XP及win7以上版本的系统。硬件要求：具有512M以上内存，1.5G以上主频CPU的主机且其余设备正常的电脑。l 3.2 数据库选型一般电脑都安装了OFFICE系列软件，因此ACCESS数据库基本上是每台电脑所必备配置的。再说一般小型软件由于数据量较小，用不着大型数据库，造成磁盘空间的浪费。鉴于以下两个考量我们采用ACCESS数据库作为本系统数据库管理系统，专用于系统登录、用户管理等模块的后台支持。其后续应用，将会继续开发。l 3.3 GIS平台A

10、rcGIS系列软件一直在领导GIS行业的潮流，经过全球GIS行业的锤炼，具有较强的安全性和稳定性，它包括ArcInfo8.1、ArcSDE、ArcIMS、MapObjects、ArcEngine等等，具有强大的数据编辑、制图、元数据管理、数据输出、网上数据发布能力。ArcGIS支持一种新的面向对象的空间数据模型Geodatabase，允许用户为其数据添加行为、属性和关系，使空间要素的定义更接近于现实世界，能够使用户根据具体需要进行扩展。对于建立的高起点、高标准的信息系统，综合考虑系统的延伸性和扩展性、海量数据的存储、高效并发访问、系统的开放性和安全性等因素，选择ArcGIS系列产品来建设本系统

11、自然是最理想的选择。鉴于以上理由GIS平台我们选用ArcGIS9.0系列产品。l 3.4 系统的开发工具主要采用采用微软的Visual Studio .NET（包括VB.NET、VC.NET、ASP .NET和C#等），结合WPF对本系统界面进行设计，利用ArcGIS系列中的ArcEngine开发包，采用COM组件式技术开发整个系统。此外，为使系统功能更齐全，界面不受C#限制，我们利用第三方空间比如DOTNETBAR进行开发，界面设计更加自由，风格更加多样。第四章、系统功能l 4.1设计思路基于如今的社会背景，我们研究了国内相关论文的先进理论，结合GIS强大的空间分析功能，开发了大气污染物扩散

12、模拟分析系统，文章大气环境质量模型和GIS 结合的研究的点源模型的大气环境信息系统计算与模拟功能利用等值线模拟大气污染物扩散浓度分布。但是，环境评价相关单位人员对等值线等地理要素的理解是相对模糊的、不了解的，在实际工作当中无法快速地从等值图中获取初步信息。而GIS 可利用强大的可视化功能生动形象地模拟二维三维图形信息。在现有研究中，很多没有关注到产品成图问题。文章基于GIS 的环境影响评价专题图信息系统实现专题地图的动态修改、保存检索及打。从GIS 上看该功能很完善，但是使用软件的工作人员是环境工作者，对于地图制图的方式方法不甚了解，很可能影响决策的制定、预案的生成。因此我们开发了一键生成专题

13、图的模块，方便环评工作者使用。在现有的大气环境评价软件中一般在假定风速风向不发生改变的情况下进行分析。但是当紧急情况发生时，如大气污染物的泄漏，风速风向是变化的不确定的。所以预测变化趋势、分析影响范围至关重要。根据监测点提供的不同时相的风向、风速等数据，利用GIS 空间分析功能进行动态模拟分析，便可较好的解决该问题。模型模拟结果信息统计在空间数据按照一定的数学模型进行计算后，将结果进行组织、储存，然后通过程序自嵌的国家环境质量标准数据库等信息进行比对，产生次生信息，一般就是大气污染物的超标情况、防护距离等在大气环境影响与质量评价中需要用到的信息和参数，从而对该领域的研究工作带来技术支持。l 4

14、.2系统结构图 系统主要结构l 4.3查询功能空间查询：分点选、框选，可实现多种空间关系的查询属性查询：完全参照ARCGIS属性查询功能l 4.4用户管理：采用ACCESS数据库对用户进行管理l 4.4模拟分析功能1. 高斯模型在进行高斯模拟扩散之前需要在这里设置所需的环境参数，各项参数的具体意义及作用在本报告的第六章中进行了解释。参数设置完毕后就可以开始进行计算，计算的开始部分，程序会对参数的合法性进行检验，如果用户参数设置不合法，会提示用户进行改正。如果参数设置合法，程序会根据高斯模型的相关原理对污染物扩散进行模拟，结果生成一幅栅格图像并自动加载到程序的基本界面，栅格像素值即为栅格污染物浓

15、度。2.熏烟模型在进行熏烟模拟扩散之前需要在这里设置所需的环境参数，各项参数的具体意义及作用在本报告的第六章中进行了解释。参数设置完毕后就可以开始进行计算，计算的开始部分，程序会对参数的合法性进行检验，如果用户参数设置不合法，会提示用户进行改正。如果参数设置合法，程序会根据熏烟模型的相关原理对污染物扩散进行模拟，结果生成一幅栅格图像并自动加载到程序的基本界面，栅格像素值即为栅格污染物浓度。3.颗粒模型在进行颗粒模拟扩散之前需要在这里设置所需的环境参数，各项参数的具体意义及作用在本报告的第六章中进行了解释。参数设置完毕后就可以开始进行计算，计算的开始部分，程序会对参数的合法性进行检验，如果用户参

16、数设置不合法，会提示用户进行改正。如果参数设置合法，程序会根据颗粒模型的相关原理对污染物扩散进行模拟，结果生成一幅栅格图像并自动加载到程序的基本界面，栅格像素值即为栅格污染物浓度。4.动态模拟为了对大气污染物随着时间的扩散情况进行分析，系统提供了动态模拟分析功能。根据设定的环境参数及时间，可以得到任一时间点扩散情况。5.分等级渲染 根据选取的特定颜色，对输出的污染浓度图根据栅格值进行分级渲染，用以直观地反应出出各个地方的污染物浓度，并对其透明度进行设置，以配合地图出图。6.等值线图以计算结果的栅格图像为依据，根据一定的间隔，生成一幅污染扩散等值线图，用以更为直观地反应出出各个地方的污染物浓度。

17、第五章、数据库设计考虑到使用系统时的使用者角色不同，我们队系统数据的使用权限进行了分级设置。由于如今数据库的其他模块仍有待开发，我们仅对本系统中和数据库模块相关的系统登录和用户管理模块的数据库进行了设计。设计方案如下：分设两种角色：管理员与普通用户。管理员角色相对应的权限是可以对非管理员用户进行管理，权限包括增加用户，修改数据库，删除用户。另外还可以以最大的权限使用该软件。普通用户在使用软件的某些模块时权限会受到限制，比如用户管理模块等就不能使用。数据库将来预想的功能还可以是对用户头像进行存储，这样用户就可以具有独具特色的头像。若想存储空间数据，我们就要选择新的数据库，比如等大型数据库，因为它

18、们对空间数据的存储与管理具有一定的模块支持。第六章、关键技术l 6.1模型模拟技术 我们通过将高斯模型、熏烟模型、颗粒模型进行程序化，使客户仅通过几个参数的输入，即可得到结果，避免了复杂的计算和处理。这也是我们系统的核心功能。高斯模型1、高斯模型适用的条件：高斯模型适用于均一的大气条件。本模型中假设其扩散为点源扩散。将排放口或高架源在地面上的投影点作为坐标原点，X轴正向沿平均风向水平延伸；y轴在水平面上垂直于x轴，x轴左侧为；z轴垂直于水平面，向上为正。烟柳中心的平均路径沿x轴或平行于x轴移动。2、高斯模型基于五点假设： 污染物的浓度在y、z轴上都是正态高斯分布； 在整个的扩散空间中，风速是均

19、匀不变的； 污染源的源强是连续的、均匀的； 地表面充分平坦； 在扩散过程中污染物的质量不变，即烟气到达地面全部反射，不发生沉降和化学反应。3、模型计算： 考虑地面高程，若污染源在地面上，则污染物的浓度为： 考虑地面高程，若污染源具有高度H，且包括烟囱高和气流高，则污染物的浓度为：以上式中，Cf：任一点的污染物的熏烟浓度，mg/m3 或g/m3 ；Q：源强浓度，单位时间内污染物排放量，mg/s或g/s；y：侧向扩散系数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离x的函数，m；z：竖向扩散系数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离x的函数，m；：排放口处的平均风速，m/s；H：有效源高，m；X：污染源排

20、放点至下风向上任一点的距离，m；Y：烟气的中心轴在直角水平方向上到任一点的距离，m；Z：从地表面到任一点的高度，m；颗粒模型 模型适用条件：对粒径大于15um、具有明显重力沉降作用的落尘，一般用颗粒模型来计算其近地面浓度。 污染物浓度计算上式中：Cf：任一点的污染物的浓度，mg/m3 或g/m3 ；Q：源强浓度，单位时间内污染物排放量，mg/s或g/s；y：侧向扩散系数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离x的函数，m；z：竖向扩散系数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离x的函数，m；：排放口处的平均风速，m/s;x：污染源排放点至下风向上任一点的距离，m；y：烟气的中心轴在直角水平方向上到

21、任一点的距离，m；z：从地表面到任一点的高度，m；vs：颗粒的沉降速度（m/s）；：地面反射系数。熏烟模型1、模型简介：近地层大气温度垂直分布的典型日变化过程是，在晴夜，地面辐射冷却形成自地面向上温层，其上部仍为递减状态，日出后，地面受太阳照射增温，夜间形成的辐射逆温层自上而下逐渐消散破坏，变成不稳定层结。这一温度垂直分布状况的转变会形成一种特殊的空气污染物分布形式熏烟型扩散。这一扩散过程与夜间辐射逆温层的消散过程完全一致并与其强弱密切相关，通常这种污染扩散过程持续时间较短，一般为1020min且多发生在早晨，与逆温层消散时间相吻合，而且是瞬即迅速发生发展的。烟流被熏蒸到地影响地面的范围一般不

22、大，但浓度很高，后果可能比较严重。2、模型适用条件： 夜间以地面为底整层处逆温状态； 日出后，逆温层有地面向上被破坏； 破坏消散达烟流上缘时，上方仍为逆温层，下部则已由逆温变成递减的不稳定状态，烟流混合向地面形成短时间的熏蒸现象。3、模型计算： 当逆温层小时恰至烟流的上缘Hf 时，烟流全部收到逆温层的抑制而向下扩散，地面熏烟浓度达到最大值。这时，浓度在铅直方向为均匀分布，水平方向仍为正态分布。此时地面浓度为：其中，zi = H + 2z；yF = y +H/8； 当逆温消退到有效源高H时，即zf=H，p=0，则上式积分项等于1/2，表示有一半烟气向下混合，地面熏烟浓度为： 倘若逆温消退到zf，

23、尚未达到烟流顶（zf Hf）,此时只有zf高度以下的烟气向下扩散，则地面浓度为：以上三式中，Cf：任一点的污染物的熏烟浓度，mg/m3 或g/m3 ；Q：源强浓度，单位时间内污染物排放量，mg/s或g/s；y：侧向扩散系数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离x的函数，m；z：竖向扩散系数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离x的函数，m；：排放口处的平均风速，m/s；H：有效源高，m；X：污染源排放点至下风向上任一点的距离，m；Y：烟气的中心轴在直角水平方向上到任一点的距离，m；z：从地表面到任一点的高度，m；l 6.2、Metro界面风格Metro(米雀)是微软在Windows Phone

24、中正式引入的一种界面设计语言，也是Windows 8的主要界面显示风格。在Windows Phone之前，微软已经在Zune Player和XBox 360主机中尝试采用过类似的界面风格，并得到了用户的广泛认可。于是，微软在新发布的Windows Phone、已经发布的Windows 8预览版以及Office 15中也采用了Metro设计，今后的微软产品中将更多的能看到Metro的影子，而更少的看到传统的Windows视窗界面。软件紧跟潮流，使用metro的设计风格，让软件看起来简洁大方，用户体验得到大大地提升。l 6.3、WPF的应用WPF（Windows Presentation Foun

25、dation）是微软推出的基于Windows Vista的用户界面框架，属于.NET Framework 3.0的一部分。它提供了统一的编程模型、语言和框架，真正做到了分离界面设计人员与开发人员的工作；同时它提供了全新的多媒体交互用户图形界面。第七章、接口设计本系统主要分为：数据库模块、GIS 基本模块和GIS 环境评价模块 (1)GIS 基本模块可以调用空间数据库的地理数据并进行显示，如在MapControl 控件中显示地图矢量数据和卫星影像数据，在SceneControl控件中显示三维地形数据。并可以通过查询功能获取数据库中的属性信息。 (2)GIS 环境评价模块可以通过数据库中的工厂信息

26、以及环境参数生成污染模拟结果。并结合数据库模块中的环境保护目标属性信息来分析是否超标。在使用地形高程信息修正模的时候也是从空间数据库中读取DEM进行分析。 (3)GIS 环境评价模块生成的模型会加载到GIS 基本模块中，并可以在二维、鹰眼视图间切换显示。GIS 基本模块的一键生成专题图功能可以方便地将模拟结果制作成专题图并导出。第八章、感想及分工感想：在完成这次作业的过程中，虽然有过快乐，有过悲伤，但可喜的是我们组始终把作业比较完美地完成了。其实我一直不太喜欢小组作业，一是因为组内成员之间容易出现三个和尚打水的局面，二是因为小组作业容易引发矛盾。但这次我们组成员都是很积极的，让我感受到团队的力

27、量。大学以来，我从来没有为完成什么作业通宵过的，可是为了软件工程这个作业，我把第一次献出去了。最后就像我上台讲的一样，BUG让我纠结、让我狂，可是不经历这些BUG怎么知道自己原来还有这么多不会的地方。分工：在这次作业过程中，我首先负责的是文献的研究，也就是研究在我们系统中所用到的模型是什么概念，里面用到什么参数，参数的意义是什么，值是如何获得。接着我负责写数据库部分的代码，涉及数据库的模块有登陆模块、用户管理模块。同时还负责部分基本功能代码的编写和优化，比如空间查询功能等。在项伟平同学设计UI时，提供软件布局，色调、风格的建议。最后还负责测试数据的处理与加工，代码的打包，设计报告部分的撰写和排版，展示PPT的制作、展示视频的制作，以及代表小组上台展示。最后，感谢老师对我们组的指导和支持，感谢所有支持我们组的同学，以及所有我们组的成员，是我们付出了共同的努力才收获最后成果。20