基于开源软件的近实时跨国境空气颗粒物（PM）浓度网络地图平台外文翻译资料

 2022-11-09 16:29:00

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基于开源软件的近实时跨国境空气颗粒物（PM）浓度网络地图平台

摘要

尽管欧洲在过去的几十年里一直在共同发展，但关于环境问题的跨境信息平台仍然十分缺乏。关于比利时、德国和荷兰边境地区Euregio Meuse-Rhine的大气颗粒物浓度网络地图工具的建立，本文介绍了该平台实施的系统和技术背景研究。我们选择了一个开源的解决方案以在WebGIS (OpenLayers/GeoExt都是基于javascript的)中显示数据，应用其他免费工具进行数据处理(Python)、数据管理(PostgreSQL)、地理统计建模(Octave)、地理处理(GRASS GIS/GDAL)和网络地图(MapServer)。多语种、定制的在线平台提供了近实时的空气颗粒物（PM）浓度数据以及额外的背景信息。在开放数据部分，WebGIS客户机的注释配置文件可供下载。此外，该项目生成的所有地理数据都在公共领域下发布，可以以各种格式检索或作为Web Map Services (WMS)集成到桌面GIS中。

关键词：地理信息系统 开源软件 WebGIS 空气颗粒物 近实时 开放数据

一、引言

空气污染及其对健康和生活质量的影响是一个跨越国界的现象。因此，应当为各区域及其对环境信息的具体需要设计处理空气污染的信息系统。本文提出了一种基于gis的跨国境PM信息系统的开发方法。

颗粒物(PM)是最重要的空气污染物之一，对健康有严重影响，尤其是心血管疾病和呼吸道疾病(Anderson等，2012)。最大直径(微米)指的是PM10和PM2.5。例如，PM10常沉积在支气管内，PM2.5可深入肺泡(Thevenot等，2013)。医学研究表明，PM浓度升高与哮喘或肺癌等疾病之间存在显著相关性(Turner等，2011；McEntee、Ogneva-Himmelberger，2008)。

因此，“PM- Lab”项目(从2010年持续到2013年)的主要目标之一是建立一个在线PM“Euregio Meuse-Rhine”(EMR)信息平台。专题讨论分项目的目的是为公众提供一个全面的信息平台。来自各种来源的资料必须加以合并和分类。此外，还需要开发一个具有局部尺度空间PM插值的近实时系统。为了使这个平台尽可能吸引人，信息必须以交互式Web地图工具的形式呈现。在过去的几年里，这些工具变得非常流行，也受到了大众的欢迎。它们越来越多地应用于环境信息系统领域，特别是与开源软件相结合，正如最近的各种出版物所表明的那样(Gkatzoflias等，2012;Delipetrev等，2014)。同时，应用程序与Web地图服务(WMS)允许在桌面GIS集成。由于PM-Lab项目旨在鼓励使用开放解决方案，所以地图平台(http://pmlab.irceline.be)是作为一个独立的系统开发的，而不是封闭的系统。这就是在项目网站的开发部分中发布基本配置文件的原因。本文研究的主要目的是描述和证明应用于面向用户、近实时平台的开源软件的有效运行。证据是否应该引入一个网络地图平台开源软件并不意味着对可用性的不利。事实上，科学家们计划即将进行的项目具有可比性，也应该鼓励地图应用程序考虑开源解决方案。因此，除了呈现该项目及其实施情况的各个方面，本文还揭示了在运行这样一个平台时未被充分记录的关键功能。

二、PM实验室项目的研究动机

EMR位于比利时、德国和荷兰的边境地区，由图1所示的四个区域组成。EMR的特点是南部森林面积广阔，其余外围地区以农田为主。较大的城市集中在默兹河流域(比利时的列日，荷兰的马斯特里赫特)和靠近亚琛(德国)、海伦和克尔克莱德(NL)的边境地区。关于PM10从2008年到2010年的年平均浓度最低的值(小于15微克/msup3;)测定森林站称为农村背景站(Merbitz,2013)。观察值最高的默兹河流域在列日一站(Herstal)超过40微克/msup3;。然而，是一个大约的平均值。Liege-Congres站的25微克/msup3;表明PM10浓度可以在几公里距离内极其不同(Merbitz,2013)。因此，强调需要一份高分辨率的PM10浓度插值图(见第2.3节)。

2.1 研究区域的初始情况

在欧洲，测量空气污染是每个国家的责任。对于较大的EMR区域，该任务由5个不同的网络执行(图1)，每个网络对所使用的设备应用自己的测量方法和本地校准因子。国家空气质量数据由欧洲环境局(EEA)在哥本哈根集中收集。接近实时的数据流是在自愿和未经验证的基础上执行的，可以在EEA的网站上访问。相反，经过验证的空气质量数据必须在立法基础上事后报告，并可从名为“空军基地”的数据库中获得。然而，EMR的用户仍然存在两个主要的障碍:第一，EMR中的一些站点(对应图1)没有向EEA报告；第二，EEA只提供站点值，没有提供基于区域的近实时污染物浓度数据的地图。

上述的五个网络部分解决了这一问题。比利时的“Intergewestelijke Cel voor het Leefmilieu/cellle Interregionale de lenvironment”(IRCEL-CELINE)和荷兰的“Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu”(RIVM)除了从每个站点获取值外，还计算整个国家的插值地图。科隆大学(University of Cologne) Rhenish环境研究所(Rhenish Institute for Environmental Research)利用物理模型提供了德国北莱茵-威斯特法伦地区的可比地图。然而，这些出版物只能被视为孤立的解决办法。由于模型特征的不同和方法的小型化，预测结果缺乏一致性。综上所述，这些差异可以沿着边界观察到，如图2所示，可以从2013年11月18日提供的例子中得出结论。

这些不足与上述卫生方面的问题相结合，引发了为EMR建立一个跨国PM信息系统的想法。具有可比性的测量结果、统一的计算程序以及对PM10来源和分布的准确了解应确保提供可靠的信息。因此，PM-Lab网络地图系统有助于更广泛地传播PM10对当地的影响，并提高了权威机构和公众的敏感性。

2.2 PM-lab项目的任务

如果没有其他项目参与者的前期工作，就不可能建立具有关于区域PM10浓度的良好信息的WebGIS平台。因此，建立平台只是PM-Lab项目的任务之一，即所谓的“行动”(图3)。

根据《环境空气监测方法等效性示范指南》(2008/50/EC指南6的要求)，区域或国家监测网络为每个监测站确定一个校准方程。只要所负责的网络不更新这些因素，它们就是静态的。通常这是每年一次。在网络中，校准方程可以由于所使用仪器的不同而不同(对应表1)。为了达到这一目标，首先利用上述方程的逆对网络值进行“去标定”，然后对其应用校正后的标定方程。在行动2和行动3中，瓦隆“公共科学服务研究所”(ISSeP)为六个校准点配备了同类设备，即相同的采样器和过滤器，测量PM10，并计算PM-Lab调整方程(对应表1)，以便在EMR领域实现这种协调(ISSeP, 2011)。

2.3地统计插值的绘图工具

在行动4中，开发地质统计插值模型(见Merbitz,2013)是2011年底地图平台实际实施之前的重要一步。该模型基于Janssen等人(2008)开发的“里约热内卢”插值模型，用于污染物浓度(PM10, NOx,O3)的空间插值。里约热内卢模型是一种“非趋势”克里格方法，它考虑了依赖于土地利用和空气污染浓度的局部特征的排放模式。因此，该方法利用“CORINE land cover data 2000”(EEA,1995)推导出的土地利用指标(“Beta”值)。该指标是为模型域中的每个监测站和每个网格单元计算的(Janssen等，2008)。在插值之前，执行一个“消除趋势”过程。它基于描述污染物浓度对土地利用指标依赖的趋势函数。这一趋势函数反过来用于去除污染物浓度的局部。目的是在普通克里格法初始化空间插值之前，获得独立于土地利用的PM值。最后，通过将浓度的局部份额重新添加到插值网格的每个单元中来执行“重趋势”(Janssen等，2008)。

Merbitz(2013)在以下几个方面对里约热内卢模型进行了修改和增强:

  1. 增加空间分辨率从4times;4 kmsup2;到1times;1 kmsup2;,考虑到之前曾在城市地区被观察到的PM10水平的高空间变异性(Merbitz等,2012a,2012b,2012c)。
  2. 纳入2011年5公里分辨率的“欧洲污染物排放转移登记册”(E-PRTR) (Theloke等，2011)、人口密度数据(Gallego，2011)和OpenStreetMap道路数据。因此，在CORINE土地覆盖数据之外扩大空间排放活动的再生产。
  3. 应用CORINE土地覆盖数据求解局部离散条件下的气动粗糙度函数。与里约热内卢模型相比，增强后的“beta”指标由两项组成:一项是表示附近PM10排放强度的排放项，另一项是反映空气动力粗糙度和扩散条件的传输项。

新指标称为“betasup2;”指示器,表达排放和扩散条件被视为独立的维度这一事实(Merbitz,2013)。为了验证地统计学插值模型，在2008年至2010年的3年训练期间进行了“遗漏一交叉验证”。结果表明，该模型性能良好。一方面,均方根误差平均值3.6微克/msup3;（测量值的15%表示PM10浓度)。另一方面,高值的威尔默特指数协议(威尔默特等,2011)和确定系数(分别为0.79和0.77)可以被获得(Merbitz,2013)。关于插值模型的设置和功能的详细信息，请参考Merbitz(2013)。

作为计算一个插值点地图的极限,遗漏站点的数量值EMR地区已经限制为12(31个车站考虑模型,参见表1)。动机是为了确保一个合理的确定趋势函数之间的“betasup2;”值和PM10浓度以及可靠的克里格插值。此外，必须至少提供三个农村背景站的一个值，因为这些地点代表PM10浓度的较低端。因此,它们被认为是决定“betasup2;”和PM10水平之间趋势函数的重要因素。如果这两个条件中的一个条件不满足，将生成一个灰色地图(Merbitz,2013)。对于巨大的褐煤矿区，EMR区域有一个特殊的限制:由于未知的排放强度，这些区域不进行插值。

三、建立和运行webmapping平台的指导原则

在公共资助的项目框架中，使用开源软件可以节省成本，而且几乎更重要的是，可以提高性能和标准一致性。这些是为什么它没有实现商业软件的主要方面。在描述单个程序和工具的安装过程之前，本文将研究决策是如何演进的。

3.1 GIS与制图解决方案

地理数据通常由专业的桌面GIS使用和处理，如开放软件如量子地理信息系统(QGIS)和GRASS GIS或商业软件如ArcGIS。为了使公众能够获得地理数据，必须在纯粹的地理信息系统处理的基础上建立一个网络绘图工具。Web工具的一个关键方法是通用浏览器支持和适当的功能，而不管安装的插件是Adobe Flash还是Java。一开始的一个选项是启动所谓的“mashup”，其中自创建的地图用作商业地图平台(如Google地图或Bing地图)的覆盖。一方面，这样的解决方案可以省去从底层构建和评估整个WebGIS工具的需要。但是，另一方面，mashup的功能可能会妨碍添加其他地图服务，比如OpenStreetMap (OSM)，或者实现单独的布局和其他功能。

3.2 使用MapServer处理地理数据

我们的目标是在自己的服务器上发布公共域下的地图数据，并选择了WebGIS工具作为首选。首先，由于成本和其非开放政策，ArcGIS Server被取消。在处理地理数据时，正在考虑两个主要的开放源码开发环境，以建立空间上可以使用的互联网应用程序。它们是MapServer和Geoserver。当检查现有的地图平台时，发现大多数都运行MapServer。同时，MapServer有一个更大的用户，这简化了可能出现错误时的调试过程。在最近的基准测试过程中，MapServer在WMS方面优于Geoserver，这一事实最终打破了平衡(OSGeo,2010)。

MapServer的CGI负责将地理数据处理成WMS，这是一个符合开放地理空间联盟(OGC, 2013a)的标准。除了WMS的多用途部署能力方面的优势外，该服务还有一个巨大的优势，即不依赖于单个提供者。如上所述，WMS不仅可以方便地利用互联网通过各种固定的GIS应用程序查看和查询数据，而且在将本地可用的地理数据与外部地理空间信息相结合时，WMS也非常重要。相比之下，EEA地图系统在ESRI的商业ArcGIS服务器上工作。虽然在网站上查看数据相当容易，但如果不使用ESRI销售的相应商业产品，很难将其与其他地理数据结合起来。原因是已经隐含了一个私有标准(“Rest API”)，其他桌面GIS不立即支持这个标准。在同一个Web站点上提供到另一个WMS服务器的链接;但是，服务器没有提供有效的结果。

为了强调开放战略，并开始广泛使用PM-Lab项目提供的WMS，地图在几个不同的投影系统中提供。基本系统是欧洲使用的“ETRS89 / ETRS-LAEA”(EPSG14 code 3035)投影和国际标准“WGS 84”(EPSG code 4326)。此外，补充项目应建议比利时、德国和荷兰的专业地理信息系统用户顺利实施(表2)。

3.3 具有开放图层的WebGIS

在商业应用程序(如Google Maps)被淘汰之后

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