基于WebGIS的城市空气质量时空演变动态可视化系统研究

方芸++闫超

摘要：空气质量问题是影响和制约我国经济可持续发展的重要因素之一，也影响到我们每个人的生活。论文基于国家环境保护部发布的全国各地市的空气质量数据，针对一个基于WebGIS的时空演变动态可视化系统的设计与实现进行了讨论。该方式丰富了空气质量时空变化的呈现形式，并可以为各级环保部门提供辅助决策支持。

关键词：WebGIS；空气质量；时空演变；可视化；Mapv

中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2016）20-0205-03

Abstract： As the main factor influencing and limiting the economic sustainable development in China， air quality has immediate impact on everyone. Based on the data published by the Ministry of Environmental Protection of Peoples Republic of China， this paper discusses the design and implementation of a WebGIS-based dynamic visualization system of the temporal and spatial evolution of air quality. Our methods enrich the presentation mode of air quality， and can provide decision support for environmental protection departments.

Key words： WebGIS； air quality； temporal and spatial evolution； visualization； Mapv

1 背景

空气质量问题是影响和制约我国经济可持续发展的重要因素之一，也影响到我们每个人的生活。为了对空气质量进行防治监控，目前环保部门已经实现了对各类重点空气污染物的监控，并提供了空气质量指数（AQI，Air Quality Index）对各地的空气质量状况进行评估，同时结合GIS技术对各地的空气质量状况进行了一些初步的可视化。然而，这些可视化方式存在方式单一、实时性差，不够直观，不能反映时空演变等问题。如用户可以实时地了解某个时刻、某个城市的空气质量情况，但很难直观地对当前全国各城市的空气质量进行全局比较，也很难对某一时间段内空气质量的变化进行直观的了解。

国内外有很多研究者将信息可视化的技术运用到空气质量数据的可视化上。廖志芳[1]等提出了一个基于Web的空气质量数据可视化分析系统，利用平行坐标、GIS地图、日历图以及时间序列图等多种试图对空气质量数据进行了较为直观的分析。李宁[2]采用层次结构及时间序列数据结合的可视化方法，设计了一个城市空气质量可视化系统。但上述两种方式都没有对空气质量时空演变的可视化进行研究。李文杰[3]等针对2001年-2010年的北京、天津和石家庄三市的空气污染指数日报数据对其时空分布特征进行了分析，但并未对可视化方法进行探讨。

本文给出了一个基于WebGIS的空气质量时空演变动态可视化系统，通过自动抓取国家环保局数据中心的各城市每小时的空气质量数据，结合百度地图服务，以动态地方式实现全国或局部地市的空气质量时空演变可视化。该方式丰富了空气质量时空变化的呈现形式，并可以为各级环保部门提供辅助决策支持。

2 空气质量数据分析与预处理

本文研究的数据来源为国家环境保护部数据中心发布的以小时为单位的全国各主要城市的空气质量指数，主要污染物等数据。通过网络抓取技术，我们采集了从2014年1月1日0时至2016年2月19日23时的347万条数据。这些数据具有如下特点：

1）数据时空性。本文采集的空气质量数据同时含有地理位置和时间属性。其中，地理位置属性数据涵盖到地市级范围；时间属性具体某天的每个小时，这为分析各城市的空气质量时空演变提供了方便；

2）数据量大。海量的空气质量数据是进行可视化的基础。然而，海量的数据也给数据的存储和查询等带来了一定的困难。针对这种情况，本文采用了MySQL数据库实现数据存储，并通过建立索引等数据库优化技术对查询性能进行了优化。

3）数据冗余性。以行政区划为例，当前国家环境保护部的数据中心中提供了对全国367个城市的空气质量数据的监测与实时发布，但本文采集到的数据中共有401个城市的空气质量数据。针对这一问题，我们借助百度地图提供的API，对一些无效或已经不再使用的地理位置名称进行过滤，从而保证了数据与当前行政区划的一致性。

3 系统实现

3.1 系统架构设计

本系统基于百度地图服务与地图可视化框架Mapv实现，主要分为地图服务模块、时空数据查询模块和存储管理三个部分，如图 1所示。

其中，存储管理模块负责采集的空气质量数据的管理。考虑到空气质量数据的特点，本系统采用Mysql关系数据库进行存储和管理。地图服务分为基础地图服务和地图可视化两个部分。基础地图服务采用百度地图提供的基于JavaScript的API进行实现；地图可视化采用Mapv开源框架进行实现。时空数据查询模块主要提供了空气质量的地理位置信息和时间属性数据的查询接口。

3.2 区域着色实现

为了直观地了解和分析空气质量数据，我们依据环保部制定的着色标准[4]，如表1所示，将不同数值的空气质量指数以相应的颜色覆盖到对应的行政区域。

区域着色采用了Mapv框架实现。Mapv是一款基于百度地图的大数据可视化开源库[5]，可用来展示大量的点、线、面的数据，并为每种数据提供了不同的展示类型，如热力图、网格、聚合等。本文采用Mapv框架实现空气质量指数的按行政区域着色，关键实现代码如下所示：

区域的边界数据通过异步调用百度地图的Boudary类的get方法实现。为了避免每次区域着色都发送请求，本文定义了专门的模块，一次性获取了所有行政区域的边界数据，并将其存入数据库，只在第一次访问Web页面时加载边界数据，从而大大提高了系统的访问速度。图 2所示为2016年2月19日5时各城市空气质量指数的区域着色效果。

3.3 时空演变可视化实现

本文采集的空气质量数据同时含有时间和空间属性，这为我们实现时空演变的可视化提供了方便。时空演变的可视化主要通过前端以一定的时间间隔向后台发送请求，然后将请求的数据通过mapv着色实现。具体的流程如图 3所示：

本文以2016年2月8日（农历除夕）全国各地市的空气质量数据为例，以小时为单位，对其时空演变过程进行了可视化，具体效果如图 4和图 5所示。从图中可以非常直观地看出各地市空气质量随时间变化的情况。

4 结束语

本文基于国家环境保护部数据中心公布的全国各地市的空气质量数据，针对一个可以反映空气质量时空演变的动态可视化系统的实现进行了探讨，达到了以直观的反应全国以及具体某个区域的空气质量时空演变的目的。

未来的工作主要集中在以下两个方面：1）尝试增加主要空气污染物等属性，实现更高维的时空演变可视化；2）引入气象数据，对其进行相关性分析。

参考文献：

[1] 廖志芳， 彭燕妮. AirVis： 一个基于Web的空气质量数据可视化分析系统[J]. 计算机工程与应用， 2015， 51（15）：174-178.

[2] 李宁. 城市空气质量可视化系统的研究[D]. 济南：山东大学， 2015.

[3] 李文杰， 张时煌. 京津石三市空气污染指数（API）的时空分布特征及其与气象要素的关系[J]. 资源科学， 2012， 34（8）： 1392-1400.

[4] 环境保护部. HJ633-2012 中华人民共和国国家标准—环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）[S]. 北京：中国环境科学出版社， 2012-02-29.

[5] Mapv Homepage[EB/OL]. http：//mapv.baidu.com.