吳培寧， 周百順， 周淑秋

(中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究所，北京 100048)

基于GIS的高架道路交通噪聲環(huán)評(píng)可視化

吳培寧， 周百順， 周淑秋

(中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究所，北京 100048)

針對(duì)基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的評(píng)價(jià)區(qū)域交通噪聲環(huán)評(píng)可視化問(wèn)題，引入了基于切割單元法的評(píng)價(jià)區(qū)域網(wǎng)格生成算法，分別提出了基于道路中心線段集的評(píng)價(jià)區(qū)域邊界生成方法和基于聲照區(qū)的網(wǎng)格自適應(yīng)加密與稀疏算法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成。在此基礎(chǔ)上提出了適應(yīng)于區(qū)域計(jì)算的等效聲級(jí)計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了環(huán)評(píng)計(jì)算結(jié)果的可視化顯示。通過(guò)一個(gè)高架高速公路的實(shí)例，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性與有效性。

交通噪聲；環(huán)評(píng)；可視化；地理信息系統(tǒng)

隨著城市建設(shè)的加快，越來(lái)越多的城市高速公路、快速路及主干道采用高架道路的形式。高架道路交通噪聲影響評(píng)價(jià)已成為公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)的重要組成部分[1]?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)(geographic information system，GIS)的高架道路噪音環(huán)評(píng)可視化能夠準(zhǔn)確直觀地分析交通噪聲對(duì)道路周邊聲環(huán)境的影響，為環(huán)評(píng)提供基礎(chǔ)資料與決策支持，提高其準(zhǔn)確性與效率，并且對(duì)于高架道路聲屏障的規(guī)劃與建設(shè)也具有十分重要的指導(dǎo)意義。

目前，將GIS技術(shù)應(yīng)用于交通噪聲的研究已取得了一些進(jìn)展[2-4]，但主要局限于基于 GIS的道路噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化分析，以及道路周圍離散點(diǎn)的噪聲預(yù)測(cè)。而基于GIS的高架道路評(píng)價(jià)區(qū)域交通噪聲環(huán)評(píng)可視化仍然是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，主要體現(xiàn)在：①評(píng)價(jià)區(qū)域邊界確定與網(wǎng)格剖分問(wèn)題。對(duì)于復(fù)雜高架道路系統(tǒng)，其評(píng)價(jià)區(qū)域是位于道路兩側(cè)的兩個(gè)復(fù)雜多邊形。由規(guī)劃道路的中心線段集來(lái)確定評(píng)價(jià)區(qū)域多邊形的邊界，生成評(píng)價(jià)區(qū)域邊界線段集并完成網(wǎng)格剖分是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題；②與一般道路不同，高架道路的橋面一般采用鋼筋砼做支柱，橋面距評(píng)價(jià)區(qū)域地面有幾十米的高度。其橋面道路兩側(cè)邊緣有垂直于路面的路側(cè)防撞護(hù)欄，且按照國(guó)家環(huán)境污染防治法的相關(guān)規(guī)定，經(jīng)過(guò)噪聲敏感建筑集中區(qū)域的高架道路還需設(shè)置聲屏障。因此，高架道路評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)有大片區(qū)域?qū)儆诼曈皡^(qū)。而現(xiàn)有環(huán)評(píng)導(dǎo)則計(jì)算模式中聲影區(qū)的計(jì)算僅適用于點(diǎn)計(jì)算，無(wú)法滿足區(qū)域環(huán)評(píng)計(jì)算的要求；③環(huán)評(píng)計(jì)算結(jié)果的可視化顯示問(wèn)題。

針對(duì)基于GIS的高架道路交通噪聲環(huán)評(píng)可視化難點(diǎn)①，本文提出了基于切割單元法的評(píng)價(jià)區(qū)域非結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格生成方法。切割單元法是一種近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的二維復(fù)雜區(qū)域網(wǎng)格剖分方法，其基本思想是采用笛卡爾背景網(wǎng)格與區(qū)域輪廓線求交以得到切割單元網(wǎng)格及輪廓線內(nèi)網(wǎng)格[5-6]。該方法應(yīng)用于大氣及水環(huán)境GIS環(huán)評(píng)可視化中取得了良好的效果[7-9]，結(jié)合自適應(yīng)分層切片算法后也可應(yīng)用于三維復(fù)雜形體的網(wǎng)格剖分與物理場(chǎng)可視化[10-11]。

針對(duì)難點(diǎn)②，本文提出了適用于區(qū)域計(jì)算的聲影區(qū)及聲照區(qū)等效聲級(jí)計(jì)算模型。針對(duì)難點(diǎn)③，本文采用了基于非結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格的噪聲等效聲級(jí)等值線生成方法。

應(yīng)用上述方法開(kāi)發(fā)了基于GIS的環(huán)評(píng)可視化系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了高架道路交通噪聲評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的GIS環(huán)評(píng)可視化。

1 基于切割單元法的評(píng)價(jià)區(qū)域網(wǎng)格生成

1.1 高架道路噪聲評(píng)價(jià)區(qū)域確定

依據(jù)聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則[12]，在公路建設(shè)項(xiàng)目聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，為滿足一級(jí)評(píng)價(jià)的要求，一般以道路中心線外兩側(cè)200 m以內(nèi)為評(píng)價(jià)范圍，如依據(jù)建設(shè)項(xiàng)目聲源計(jì)算得到的貢獻(xiàn)值到 200 m處，仍不能滿足相應(yīng)功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，應(yīng)將評(píng)價(jià)范圍擴(kuò)大到滿足標(biāo)準(zhǔn)值的距離。本文的研究對(duì)象為高架高速公路及主干道路，因其道路寬闊、交通流量大且沿線敏感目標(biāo)多，因此其評(píng)價(jià)區(qū)域確定為：

其中，D為道路中心線至評(píng)價(jià)區(qū)域一側(cè)邊界的垂直距離(單位為m)；B為道路寬度；H為高架道路的高度。

在GIS系統(tǒng)中，規(guī)劃建設(shè)的公路項(xiàng)目由一組折線段構(gòu)成，其線段集表示為：

其中，R為規(guī)劃公路的道路中心線段集；(xi, yi)為某一道路中心線段的端點(diǎn)。

該公路項(xiàng)目的聲環(huán)境評(píng)價(jià)區(qū)域?yàn)檠氐缆穬蓚?cè)的兩個(gè)封閉區(qū)域，如圖1所示，其任一封閉區(qū)域的內(nèi)邊界為道路一側(cè)邊沿，外邊界為距道路中心線D的一組折線段集。沿道路中心線前進(jìn)方向，其道路左側(cè)及右側(cè)邊界線段集由Rl及Rr表示，評(píng)價(jià)區(qū)域邊界線段集由RL及RR表示。則：

其中，αi為第i段道路中心線段與X軸的夾角。

沿順時(shí)針?lè)较蚺帕械墓纷髠?cè)評(píng)價(jià)區(qū)域邊界線端點(diǎn)集由 CL表示，右側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域邊界線端點(diǎn)集由CR表示。

圖1 高架道路噪音評(píng)價(jià)區(qū)域

1.2 切割單元交點(diǎn)追蹤與背景網(wǎng)格單元?jiǎng)h除

基于笛卡爾切割單元法的交通噪聲環(huán)評(píng)計(jì)算網(wǎng)格生成過(guò)程是：采用背景網(wǎng)格與評(píng)價(jià)區(qū)域封閉邊界折線集CL與CR中的每一條邊界線段逐一求交，其結(jié)果由評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元與邊界切割網(wǎng)格單元組成。在切割過(guò)程中，如圖2所示CL中評(píng)價(jià)區(qū)域左側(cè)邊界線中某一線段由起點(diǎn)坐標(biāo)與終點(diǎn)坐標(biāo)確定，包含該線段起點(diǎn)與終點(diǎn)的背景網(wǎng)格單元(Is, Js)及(Ie, Je)為：

其中，int(x)表示對(duì)x的取整；x0、y0為計(jì)算區(qū)域左下角處的坐標(biāo)；Δx與Δy為背景網(wǎng)格在X軸與Y軸方向的間距。

該邊界線段與背景網(wǎng)格單元的交點(diǎn)a、b、c、d、e可依據(jù)切割單元交點(diǎn)追蹤算法獲得[5-6,10-11]。

圖2 道路線段切割點(diǎn)的追蹤

在進(jìn)行切割單元交點(diǎn)追蹤前，先將背景網(wǎng)格單元標(biāo)記為初始網(wǎng)格單元，當(dāng)完成所有切割單元的交點(diǎn)追蹤后，則將所有與評(píng)價(jià)區(qū)域邊界折線集有交點(diǎn)的初始網(wǎng)格單元標(biāo)記為切割網(wǎng)格單元，存入切割單元鏈表中。

完成背景網(wǎng)格與噪聲評(píng)價(jià)區(qū)域邊界線的切割后，背景網(wǎng)格被分成3類：①評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格；②評(píng)價(jià)區(qū)域外網(wǎng)格；③邊界線切割網(wǎng)格。評(píng)價(jià)區(qū)域外網(wǎng)格作為無(wú)用網(wǎng)格需要加以刪除。

在刪除無(wú)用網(wǎng)格過(guò)程中，首先需要判斷哪些背景網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)被評(píng)價(jià)區(qū)域邊界線包圍。如采用常用的點(diǎn)與多邊形包含關(guān)系判斷算法，則對(duì)于評(píng)價(jià)區(qū)域邊界線為凹多邊形且折線段數(shù)量巨大的情況，存在著判斷不準(zhǔn)確及效率低下的缺點(diǎn)。因此，本文采用了基于凸包的點(diǎn)集與多邊形包含關(guān)系判斷方法[13]來(lái)判斷背景網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與評(píng)價(jià)區(qū)域邊界線之間的包含關(guān)系。通過(guò)計(jì)算背景網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)集的凸包[14]，得到被評(píng)價(jià)區(qū)域邊界線包圍的背景網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)集，并將除該節(jié)點(diǎn)集以外的背景網(wǎng)格刪除。算法的時(shí)間復(fù)雜度為：

遠(yuǎn)低于點(diǎn)與多邊形包含關(guān)系判斷算法的時(shí)間復(fù)雜度O(mn)，因此在得到被評(píng)價(jià)區(qū)域邊界線包圍的背景網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)集時(shí)節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間。

1.3 碎片切割單元的合并

通過(guò)笛卡爾切割單元法得到的公路噪聲環(huán)評(píng)計(jì)算網(wǎng)格由評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元與邊界切割網(wǎng)格單元組成，但當(dāng)某一個(gè)切割單元過(guò)于細(xì)小時(shí)，將降低環(huán)評(píng)計(jì)算與可視化顯示的效率。如圖 3(a)所示，灰色部分為評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)，評(píng)價(jià)區(qū)域邊界線段a及a+1與背景網(wǎng)格切割后共得到12個(gè)切割單元，其中單元j、q為碎片單元。需采用碎片切割單元合并算法將其與相鄰切割單元合并。通過(guò)切割單元的合并得到如圖3(b)所示合并后的切割單元k、r。合并算法如下：

步驟1. 對(duì)于CL與CR兩個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域，分別從端點(diǎn)開(kāi)始，順序遍歷各評(píng)價(jià)區(qū)域的切割單元鏈表，判斷每一個(gè)切割單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)，若節(jié)點(diǎn)數(shù)等于4則不需要被合并，直接進(jìn)入步驟4。

步驟2. 對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)小于4的切割單元，計(jì)算其沿邊界線方向兩個(gè)切割點(diǎn)間線段長(zhǎng)度及兩個(gè)切割點(diǎn)與另一單元節(jié)點(diǎn)的距離。若3個(gè)長(zhǎng)度值中有一個(gè)值小于合并閾值，則判定此為碎片單元。如圖3(a)所示，切割單元j與q的某一個(gè)長(zhǎng)度值小于合并閾值，則判定為碎片單元。

步驟 3. 當(dāng)碎片切割單元被確定后，將其與下一切割單元k、r合并，作為一個(gè)單元存入合并單元鏈表中。

步驟4. 對(duì)下一個(gè)切割單元執(zhí)行步驟1的判斷，直至完成對(duì)切割單元鏈表的遍歷。

以上算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。

圖3 碎片切割單元的合并

完成碎片切割單元的合并后，邊界切割網(wǎng)格單元存儲(chǔ)于合并單元鏈表中。該鏈表為雙向鏈表，其數(shù)據(jù)域由下式描述：

其中， (xi1,yi1),(xi2,yi2),(xi3,yi3),(xi4,yi4)為邊界切割單元4個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)； (a1,a2,a3,a4)為節(jié)點(diǎn)屬性，其屬性分為邊界線段切割交點(diǎn)與背景網(wǎng)格點(diǎn)兩類。

如圖4所示，噪聲環(huán)評(píng)計(jì)算網(wǎng)格包括評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元與邊界切割網(wǎng)格單元，分別存儲(chǔ)于左側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元鏈表、左側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域合并單元鏈表、右側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元鏈表和右側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域合并單元鏈表中。

圖4 切割單元法得到的評(píng)價(jià)區(qū)域網(wǎng)格

2 高架道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型

2.1 高架道路噪音預(yù)測(cè)模型

依據(jù)聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則[12]，某型車等效聲級(jí)的預(yù)測(cè)計(jì)算為：

其中，Leq(h)i為第i類車的小時(shí)等效聲級(jí)，單位為dB(A)；Ni為晝間、夜間通過(guò)某個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)的第i類車平均小時(shí)車流量，單位為輛/小時(shí)；r為從車道中心線到預(yù)測(cè)點(diǎn)的距離，單位為m；Vi為第i類車的平均車速，單位為km/h；T為計(jì)算等效聲級(jí)的時(shí)間，單位為h；1ψ、2ψ為預(yù)測(cè)點(diǎn)P到有限長(zhǎng)度公里線段A、B兩端點(diǎn)的張角，單位為弧度(如圖5所示)；ΔL為由其他因素引起的修正量，單位為dB(A)；ΔL d的計(jì)算為：

將高架道路的公路縱坡坡度設(shè)為0°，路面類型為瀝青混凝土，則：

圖5 有限路段的修正

則高架公路總車流等效聲級(jí)為：

其中，Leq(h)大、Leq(h)中、Leq(h)小分別為大型車、中型車及小型車的小時(shí)等效聲級(jí)，單位為dB(A)；ΔL1為線路因素引起的修正量；ΔL坡度為公路縱坡修正量；ΔL路面為公路路面材料引起的修正量；ΔL2為聲波傳播途徑中引起的衰減量；ΔL3為由反射等引起的修正量，單位為dB(A)。

2.2 聲波傳播途徑修正量及衰減量計(jì)算

在聲波傳播途徑引起的衰減量ΔL2計(jì)算中，需要計(jì)算大氣吸收引起的衰減量Aatm、地面效應(yīng)衰減量Agr、屏障引起的衰減量Abar及其他多方面引起的衰減量Amisc。

大氣吸收衰減量Aatm為：

其中，a為大氣吸收衰減系數(shù)，預(yù)測(cè)計(jì)算中可由項(xiàng)目所處區(qū)域常年平均氣溫和濕度查表選擇相應(yīng)的值，單位為dB/km；r為預(yù)測(cè)點(diǎn)至聲源的距離，單位為m；r0為某一通過(guò)實(shí)測(cè)已知聲級(jí)的參考點(diǎn)至聲源的距離，單位為m。

地面效應(yīng)衰減量Agr為：

其中，r為預(yù)測(cè)點(diǎn)至聲源的距離，單位為m；hm為傳播路徑的平均離地高度，單位為m。

屏障引起的衰減量Abar是指高架道路高路堤或低路塹兩側(cè)聲影區(qū)的衰減量，高路堤或低路塹兩側(cè)聲影區(qū)衰減量Abar為預(yù)測(cè)點(diǎn)在高路堤或低路塹兩側(cè)聲影區(qū)內(nèi)引起的附加衰減量。如圖6所示，聲源點(diǎn)離路面高度為1 m，路面距地面高度為H，接受點(diǎn)離地面高度為h。當(dāng)預(yù)測(cè)點(diǎn)處于聲照區(qū)時(shí)，Abar為零。當(dāng)預(yù)測(cè)點(diǎn)處于聲影區(qū)時(shí)，Abar取決于聲程差，聲程差δ=a+b–c。

圖6 聲程差計(jì)算示意圖

在目前環(huán)評(píng)計(jì)算中，需要依據(jù)δ值根據(jù)500 Hz時(shí)的噪聲衰減量Abar與聲程差δ關(guān)系曲線圖來(lái)人工確定Abar的值，無(wú)法滿足區(qū)域環(huán)評(píng)計(jì)算的需要。因此本文采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，將該關(guān)系曲線圖擬合為四段直線，以滿足評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)接受點(diǎn)集的屏障衰減量Abar自動(dòng)計(jì)算需求。將聲程差δ劃分為0.01～0.10 m、0.10～1.00 m、1.00～10.00 m、10.00～100.00 m 4個(gè)區(qū)段，每區(qū)段10個(gè)點(diǎn)，根據(jù)這40個(gè)聲程差δ值，可查得40個(gè)衰減量Abar值，每一區(qū)段10個(gè)值。4個(gè)區(qū)段集合分別為：

將i個(gè)誤差平方后加起來(lái)得到總誤差：

由下列方程組所決定：

解之則有：

將每一區(qū)段中的δ值與Abar值代入式(8)、(9)，可求得該區(qū)段相應(yīng)的j、k。則S1、S2、S3、S4區(qū)段衰減量Abar的最小二乘法擬合公式分別為：

當(dāng)接受點(diǎn)位于聲照區(qū)時(shí)，屏障引起的衰減量Abar為零。當(dāng)接受點(diǎn)位于聲影區(qū)時(shí)，需首先計(jì)算聲程差δ，根據(jù)計(jì)算得到的δ確定該接受點(diǎn)的Abar所屬區(qū)段，再根據(jù)該區(qū)段的衰減量最小二乘法擬合公式代入δ值后求出Abar。

2.3 評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)非結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格生成

在高架道路噪聲環(huán)評(píng)數(shù)值模擬中，其車流等效聲級(jí)大小與車輛種類、車流量、氣象條件、高架橋土木結(jié)構(gòu)、路堤高度及聲屏障遮蔽角等諸多環(huán)評(píng)參數(shù)密切相關(guān)。而切割單元法生成的評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格，其網(wǎng)格間距等于背景網(wǎng)格的間距。將固定間距的結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格應(yīng)用于不同環(huán)評(píng)參數(shù)的噪聲計(jì)算，無(wú)法兼顧數(shù)值計(jì)算及可視化顯示的精度與效率。若減小背景網(wǎng)格間距將造成切割單元交點(diǎn)追蹤計(jì)算量的增大及碎片切割單元數(shù)目的增加，而增加背景網(wǎng)格間距又會(huì)降低計(jì)算精度。

針對(duì)這種情況本文提出了基于聲照區(qū)的網(wǎng)格自適應(yīng)加密與稀疏算法，對(duì)通過(guò)切割單元法得到的評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密或稀疏，生成非結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格，以兼顧環(huán)評(píng)計(jì)算及可視化的準(zhǔn)確性與效率。具體算法如下：

步驟 1. 人機(jī)交互輸入環(huán)評(píng)參數(shù)，包括：高架道路高度、寬度、路面類型、路肩高度、接受點(diǎn)高度、設(shè)計(jì)時(shí)速、各類車型平均小時(shí)車流量、項(xiàng)目所處區(qū)域常年平均氣溫和濕度等相關(guān)參數(shù)，將輸入的相關(guān)參數(shù)存入環(huán)評(píng)參數(shù)表中。

步驟 2. 依據(jù)輸入的環(huán)評(píng)參數(shù)計(jì)算得到聲影區(qū)長(zhǎng)度L聲影，沿道路中心線前進(jìn)方向，其公路左側(cè)及右側(cè)聲影線段集由SRL及SRR表示。則：

沿順時(shí)針?lè)较蚺帕械墓纷髠?cè)聲影區(qū)域邊界線端點(diǎn)集由SCL表示，右側(cè)聲影區(qū)域邊界線端點(diǎn)集由SCR表示，即：

步驟3. 判斷被SCL與SCR包圍的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，將其從所屬鏈表中刪除，存儲(chǔ)于新的鏈表中。將噪聲環(huán)評(píng)計(jì)算網(wǎng)格更新為聲影區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元與邊界切割網(wǎng)格單元及聲照區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元與邊界切割網(wǎng)格單元。分別存儲(chǔ)于左、右側(cè)聲影區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元鏈表；左、右側(cè)聲照區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元鏈表；左、右側(cè)聲影區(qū)域合并單元鏈表；左、右側(cè)聲照區(qū)域合并單元鏈表中。

步驟 4. 在左側(cè)及右側(cè)聲照區(qū)域內(nèi)距聲影線最近處選取一個(gè)檢測(cè)單元，依據(jù)輸入的環(huán)評(píng)參數(shù)計(jì)算檢測(cè)網(wǎng)格單元4個(gè)節(jié)點(diǎn)的噪聲值，在每一個(gè)檢測(cè)單元內(nèi)，計(jì)算4個(gè)節(jié)點(diǎn)間的噪聲等效聲級(jí)值差，并進(jìn)行計(jì)算：

其中，ΔLeq為檢測(cè)單元各節(jié)點(diǎn)等效聲級(jí)值差的最大值；Δ1,2，Δ2,3，Δ3,4，Δ1,4，Δ1,3，Δ2,4為檢測(cè)單元節(jié)點(diǎn)間的等效聲級(jí)值差。

步驟5. 根據(jù)求得的ΔLeq來(lái)分別判斷是否對(duì)左側(cè)及右側(cè)聲照區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格網(wǎng)格單元進(jìn)行加密或稀疏。若 ΔLeq大于加密閾值，則進(jìn)行加密。若 ΔLeq小于稀疏閾值，則對(duì)該聲照區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元進(jìn)行稀疏。若不滿足上述條件，則網(wǎng)格間距不變。

步驟6. 若進(jìn)行了網(wǎng)格加密或稀疏，則更新左、右側(cè)聲照區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元鏈表，將加密或稀疏后的網(wǎng)格單元存入左、右側(cè)聲照區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元鏈表。

以上算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(lmn)。圖7所示為對(duì)左、右側(cè)聲照區(qū)內(nèi)網(wǎng)格單元進(jìn)行一次加密后的網(wǎng)格單元。

圖7 評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)非結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格

2.4 評(píng)價(jià)區(qū)域交通噪聲預(yù)測(cè)算法

評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的生成，使區(qū)域交通噪聲環(huán)評(píng)計(jì)算成為可能。對(duì)于左側(cè)及右側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格，需要按照其所屬區(qū)域，分別采用聲照區(qū)及聲影區(qū)等效聲級(jí)計(jì)算公式，求得其噪聲值。以左側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域?yàn)槔?，其算法如下?/p>

步驟 1. 依次遍歷左側(cè)聲照區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元鏈表、左側(cè)聲照區(qū)域合并單元鏈表、左側(cè)聲影區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元鏈表及左側(cè)聲影區(qū)域合并單元鏈表。

步驟2. 對(duì)于被遍歷網(wǎng)格單元中的任一節(jié)點(diǎn)P，從該點(diǎn)依次向規(guī)劃公路道路中心線段集R中的公路線段做垂線。若垂線與該線段有交點(diǎn)，則此線段為P點(diǎn)的影響路段，P點(diǎn)與交點(diǎn)的距離則為預(yù)測(cè)點(diǎn)至聲源的距離 r。P點(diǎn)與影響路段兩端點(diǎn)的夾角即為張角ψ1與ψ2。

步驟3. 讀取環(huán)評(píng)參數(shù)表中已交互輸入的參數(shù)，若 P點(diǎn)為聲影區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，則計(jì)算其聲程差δ，根據(jù)δ確定P點(diǎn)的Abar所屬區(qū)段，由式(8)～(11)中的某式得到Abar值。若P點(diǎn)為聲照區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，則其Abar值為零。再由式(6)、(7)求得Aatm與Agr，共同代入式(2)得到ΔL。將ψ1、ψ2及ΔL代入式(1)求得第i類車的小時(shí)等效聲級(jí) Leq(h)i。

步驟4. 由式(5)得到影響路段對(duì)P點(diǎn)的總車流等效聲級(jí)，若P點(diǎn)有多條影響路段，則其總車流等效聲級(jí) Leq為各影響路段等效聲級(jí)的代數(shù)和。將計(jì)算結(jié)果存入左側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域噪聲值鏈表中。

步驟5. 對(duì)下一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)執(zhí)行步驟1，直至完成對(duì)所有單元鏈表的遍歷。

以上算法的時(shí)間復(fù)雜度為 O(4mn2)，將該算法分別應(yīng)用于左、右側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域，生成左側(cè)及右側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域的兩個(gè)噪聲值鏈表，就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)噪聲等效聲級(jí)的計(jì)算。

3 可視化與實(shí)例分析

3.1 基于非結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格的噪音等值線生成

左側(cè)及右側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域兩個(gè)噪聲值鏈表的生成為噪聲等值線的繪制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，該鏈表為雙向鏈表，其結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)域描述為：

其中，(xi,yi)為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)Vi坐標(biāo)；為 Vi節(jié)點(diǎn)沿X軸、Y軸正向及負(fù)向至相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的距離；Leq為Vi節(jié)點(diǎn)處的總車流等效聲級(jí)。

二維標(biāo)量場(chǎng)等值線抽取方法分為網(wǎng)格序列法與網(wǎng)格無(wú)關(guān)法兩大類，網(wǎng)格無(wú)關(guān)法適用于等值線分布較規(guī)則，且穿過(guò)的單元數(shù)只占整個(gè)網(wǎng)格單元的較小部分(10%以下)的情況。網(wǎng)格序列法適用面較廣，但對(duì)于四邊形網(wǎng)格馬鞍點(diǎn)二義性的解決很復(fù)雜。目前常用的等值線抽取算法主要是網(wǎng)格序列法，采用的網(wǎng)格大多為矩形網(wǎng)格或三角形網(wǎng)格，但這類算法均無(wú)法適用于非結(jié)構(gòu)化各項(xiàng)異性笛卡爾網(wǎng)格數(shù)據(jù)場(chǎng)。

本文針對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)噪聲等效聲級(jí)值的分布特點(diǎn)，采用了基于非結(jié)構(gòu)化各項(xiàng)異性笛卡爾網(wǎng)格的等值點(diǎn)追蹤算法及等值點(diǎn)連接算法[10]，兩個(gè)算法的時(shí)間復(fù)雜度均為O(n)。

完成等值點(diǎn)的追蹤與連接后的等值線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于GIS系統(tǒng)的TAB表中，將其依次連接后等到的等值線是由多條線段構(gòu)成，顏色為單色。對(duì)于非結(jié)構(gòu)化各向異性笛卡爾網(wǎng)格，由于其網(wǎng)格單元尺寸差異很大，在大網(wǎng)格單元區(qū)域會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀等值線，且單色等值線集無(wú)法直觀反映評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)噪聲變化情況。

因此需采用等值線光滑與顏色映射算法[10]，對(duì)等值線進(jìn)行后續(xù)處理并在GIS系統(tǒng)中完成可視化。步驟如下：

步驟1. 讀取等值線數(shù)據(jù)TAB表，采用三次樣條函數(shù)對(duì)等值線進(jìn)行光滑，將求得的插值點(diǎn)坐標(biāo)存入光滑等值線TAB表中。

步驟2. 建立基于噪聲等效聲級(jí)值的顏色映射表，依據(jù)每條等值線的等效聲級(jí)dB(A)通過(guò)顏色漸變算法賦予其顏色R、G、B值。

步驟3. 在GIS中創(chuàng)建一個(gè)圖層，讀取光滑等值線TAB表，將插值點(diǎn)采用給定顏色R、G、B值的直線段依次連接起來(lái)，繪制得到經(jīng)三次樣條函數(shù)光滑的等值線。

步驟4. 將繪制完成的等值線圖層與背景地圖疊加顯示，實(shí)現(xiàn)基于GIS的噪聲環(huán)評(píng)可視化。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用本文提出的方法，在Mapinfo平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了高架道路交通噪聲的環(huán)評(píng)計(jì)算及可視化。圖8所示為評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)等效聲級(jí)等值線與背景地圖疊加顯示圖，其高架道路中心線的前進(jìn)方向?yàn)樽杂蚁孪蜃笊希行木€至評(píng)價(jià)區(qū)域一側(cè)邊界的垂直距離D為350 m，圖中下部為左側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域，上部為右側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域。評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)共有9條等值線，按評(píng)價(jià)導(dǎo)則要求設(shè)等值線間隔為5 dB(A)[12]，每條等值線的等效聲級(jí)值均在屏幕上輸出。依據(jù)國(guó)家聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[15]，評(píng)價(jià)區(qū)域?yàn)?a類，其晝間噪聲等效聲級(jí)限值為70 dB(A)。因此大于等于70 dB(A)的等值線，其顏色隨等效聲級(jí)值升高而漸變至紅色，小于70 dB(A)的等值線其顏色保持系統(tǒng)默認(rèn)色。

圖8 評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)噪聲等效聲級(jí)等值線與背景地圖疊加顯示

3.3 實(shí)例分析

為驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)于評(píng)價(jià)區(qū)域噪聲環(huán)評(píng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，將其計(jì)算結(jié)果與噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在G6高速公路官?gòu)d湖特大橋，選擇此實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的原因是其地理環(huán)境優(yōu)越，測(cè)量場(chǎng)地開(kāi)闊、無(wú)任何反射物，且G6高速車流量大，車型以大型車為主。大橋橋面至地面高度為20.5 m、橋面寬27 m、中央分隔帶寬帶1 m、橋長(zhǎng)1 846 m、路側(cè)防撞護(hù)欄高0.5 m，路面材料為瀝青混凝土。所使用聲級(jí)計(jì)為宏城科技 HT-8352，風(fēng)速與風(fēng)溫計(jì)為HT-856C，測(cè)量時(shí)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，平均風(fēng)速為3.6 m/s，滿足聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求[15]。測(cè)量時(shí)間為晝間，聲級(jí)計(jì)距地面高度1.2 m。長(zhǎng)度測(cè)量采用HT-308激光測(cè)距儀及JY-361999測(cè)距輪，在與橋梁路面邊界線水平距離65 m、100 m、200 m、300 m處分別設(shè)置4個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)。4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同步進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)間為30 min，并同時(shí)監(jiān)測(cè)車流量。左側(cè)評(píng)價(jià)區(qū)域環(huán)評(píng)計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 GIS噪聲環(huán)評(píng)計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果比較

表中數(shù)據(jù)顯示 GIS環(huán)評(píng)系統(tǒng)所計(jì)算的噪聲預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值基本相近但存在一個(gè)下偏差，其原因在于：系統(tǒng)在計(jì)算地面效應(yīng)衰減時(shí)是按疏松地面由式(7)求得Agr值。而監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于官?gòu)d水庫(kù)岸邊，預(yù)測(cè)點(diǎn)接收到的部分聲波其聲源區(qū)及中間區(qū)域?yàn)樗?。水面屬于?jiān)實(shí)地面，其地面因子G為0，而疏松地面的地面因子G為1[16]，此差異導(dǎo)致預(yù)測(cè)值低于監(jiān)測(cè)值。

距離聲源最近的65 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其值較低是因?yàn)榇颂幬挥诼曈皡^(qū)，其δ值為0.48 m，代入式(9)得到屏障引起的衰減量Abar為11.155 dB(A)。100 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)于最外側(cè)車道來(lái)說(shuō)已處于聲照區(qū)，因此此處的等級(jí)聲效值比65 m處有了大幅增加。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文引入基于切割單元法的高架道路噪聲評(píng)價(jià)區(qū)域網(wǎng)格生成方法，結(jié)合聲照區(qū)網(wǎng)格自適應(yīng)加密與稀疏算法，對(duì)通過(guò)切割單元法得到的評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密或稀疏，生成非結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格，提高了環(huán)評(píng)計(jì)算的準(zhǔn)確性與效率。針對(duì)現(xiàn)有環(huán)評(píng)導(dǎo)則計(jì)算模式僅適用于點(diǎn)計(jì)算，無(wú)法滿足區(qū)域環(huán)評(píng)計(jì)算的問(wèn)題，對(duì)聲程差δ與噪聲衰減量Abar關(guān)系圖進(jìn)行了曲線擬合，實(shí)現(xiàn)了聲影區(qū)的區(qū)域計(jì)算。首次實(shí)現(xiàn)了基于GIS的高架道路評(píng)價(jià)區(qū)域交通噪聲環(huán)評(píng)可視化。通過(guò)案例分析，驗(yàn)證了文中所提方法的準(zhǔn)確性與有效性。實(shí)驗(yàn)表明，基于GIS的環(huán)評(píng)可視化系統(tǒng)在聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)中有著良好的應(yīng)用前景。而如何將本文所提方法由二維擴(kuò)展至三維，更好地反映交通噪聲的時(shí)空分布特征則是下一步的研究重點(diǎn)。

[1] 蓋 磊, 王亞平. 快速高架復(fù)合道路近場(chǎng)交通噪聲垂向分布[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2014, 8(4): 1687-1691.

[2] 王建華, 趙江華, 秦其明, 等. 道路噪聲預(yù)測(cè)的GIS評(píng)價(jià)方法[J]. 測(cè)繪科學(xué), 2015, 40(2): 128-131.

[3] 陳冬青, 袁曉梅, 施月娣. 基于GIS的交通噪聲綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 28(5): 136-141.

[4] 黃寶香. 基于VRGIS的城市噪聲三維分析模型及可視化評(píng)價(jià)研究[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2011.

[5] Ingram D M, Causon D M, Mingham C G. Developments in Cartesian cut cell methods [J]. Mathematics and Computers in Simulation, 2003, 61(3-6): 561-572.

[6] Gao F, Ingram D M, Mingham C G. The development of a Cartesian cut cell method for incompressible viscous flows [J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2007, 54(9): 1033-1053.

[7] 吳培寧, 趙 越, 孫曉霞. GIS環(huán)評(píng)可視化的自適應(yīng)圖像處理方法[J]. 計(jì)算機(jī)工程, 2008, 34(12): 271-273.

[8] 吳培寧, 譚建榮, 劉振宇, 等. 基于 Voronoi圖的環(huán)評(píng)等值線快速拓?fù)涮畛鋄J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào): 工學(xué)版, 2009, 43(2): 321-327.

[9] 吳培寧. 基于笛卡爾切割單元法的復(fù)雜河道地理信息系統(tǒng)環(huán)評(píng)可視化[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2014, 34(3): 780-784. [10] 吳培寧. 基于變層厚的復(fù)雜區(qū)域物理場(chǎng)可視化若干關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2006.

[11] Wu P N, Tan J R, Liu Z Y. Adaptive layered Cartesian cut cell method for the unstructured hexahedral grids generation [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineeing, 2007, 20(2): 6-12.

[12] 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部. HJ2.4—2009 環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—聲環(huán)境[S]. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2009.

[13] 周培德. 判斷點(diǎn)集是否在多邊形內(nèi)部的算法[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展, 1997, 34(9): 672-674.

[14] Ye Q Z. A fast algorithm for convex hull extraction in 2D images [J]. Pattern Recognition Letters, 1995, 16: 531-537.

[15] 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部, 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局. GB3096—2008聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2008.

[16] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局. GB/T 17247.2—1998聲學(xué)戶外聲傳播的衰減 第2部分: 一般計(jì)算方法[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1998.

GIS-Based EIA Visualization of Elevated Road Traffic Noise

Wu Peining, Zhou Baishun, Zhou Shuqiu

(Institute of Computer & Network, China Institute of Industrial Relations, Beijing 100048, China)

Focus on the visualization of GIS-based evaluation area traffic noise environmental impact assessment (EIA), the boundary lines generating algorithm followed on the centre line of the road is presented. A method for the Cartesian grids generation with sound area self-adaptive grids refinement algorithm is provided to the complex evaluation area for the unstructured grids generation. Based on the unstructured grids, the equivalent sound level EIA model for evaluation area is proposed and the visualization of the EIA calculation is achieved. Through the visualization and analysis of an elevated highway example, the accuracy and efficiency of the proposed methods are confirmed.

traffic noise; environmental impact assessment; visualization; geographic information system

TP 391.9

10.11996/JG.j.2095-302X.2016030308

A

2095-302X(2016)03-0308-08

2015-11-02；定稿日期：2015-12-10

中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目(一般項(xiàng)目15YY002)

吳培寧(1966–)，男，北京人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)榭梢曈?jì)算與圖形學(xué)。E-mail：wupeining@ciir.edu.cn