基于GIS技術的道路交通噪聲預測技術

劉蔚然

(中冶節能環保有限責任公司 北京 100088)

在城市建設不斷加快的背景下，交通噪聲逐漸成為城市環境污染的主要公害之一，迫切需要對交通噪聲進行正確評估與實現對噪聲污染變化的科學預測，掌握環境噪聲現狀與未來發展趨勢，從而對噪聲污染進行精準的控制和管理[1]。GIS技術能夠為道路噪聲污染的計算提供支撐，在計算機軟件、硬件系統的支持下對地理分布數據進行收集、編輯和處理，主要解決的問題包括趨勢、條件、位置與模型，利用輸出可視化地理數據結果幫助人們直觀地預測分析道路噪聲污染情況。

1 道路交通噪聲的預測模型

在對道路交通噪聲預測的過程中，數據庫具有重要作用。

1.1 非空間數據庫

非空間數據庫一般使用表格存儲屬性信息，能夠對現象特性和事物進行描述，在設計過程中需滿足三范式的要求，系統所屬數據來源于各個噪聲監測點監測數據。道路交通噪聲預測的非空間數據庫主要包括道路信息、環境噪聲、監測數據等，對各級城市功能區環境噪聲的等級聲級與各個區域環境噪聲的數據表進行存儲[2]。各個數據表利用FID 字段和空間數據表相互連接，監測數據表并不會關聯空間數據表，只能夠利用FID檢測查詢監測點歷史監測值。

1.2 空間數據庫

空間數據庫能夠對事物的地理空間特性進行存儲，是地理信息系統的運行基礎。地理空間表達方法包括三角形不規則網、柵格、矢量和Voroni 等，由此創建地理空間不同的數據結構和模型，此系統數據結構包括柵格和矢量。柵格數據指的是針對位置結構數據，能夠在連續空間變量中使用，通過列陣方式表示數據特征，列陣中的元素數據值指的是每個屬性、每個元素只能夠有一個值，位置隱含在行列中[3]。因為柵格數據結構比較簡單，分析處理方便，所以將柵格數據為實現系統模型計算，與聲場在自由空間中的連續分布特點結合，模擬通過柵格數據保存結果[4]。系統的空間數據庫包括區域中各種要素，為滿足實際需求進行組織和管理，根據各地理要素的特征，劃分為面圖層、線圖層和點圖層進行存儲。

1.3 道路交通噪聲預測模型

目前，道路交通噪聲預測模型備受人們的重視，模型所考慮的因素有：（1）聲源強度，包括行車速度、道路車流量、道路坡度、車型百分比、道路鋪設材質等[5]；（2）噪聲傳播方式和路徑，包括接受點到聲源的距離、聲屏障、綠化帶對噪聲的阻擋等；（3）噪聲接受點空間位置[6]。

道路交通噪聲預測理論模型的形式基本相同，預測點噪聲是通過車輛噪聲源強和修正項得出的，并結合實際情況針對其他影響因素進行刪減和修正，使模擬結果與實際監測值吻合。其他影響因素選擇包括以下幾點：（1）不考慮建筑物反射修正，由于系統對噪聲數值模擬只是對距離地面高1.2 m 的接受點等效噪聲等級進行計算，所以不考慮此因素的影響[7]；（2）因研究區域為平原地區，城市道路坡度小于2%，所以在模擬過程中不考慮坡度因素對交通噪聲的影響；（3）噪聲擴散衰減修正，計算點距離車道中線7.5 m 以上再計算。與實際情況結合，得出沒有擴散衰減修正時交通噪聲等效聲級計算公式：

考慮擴散衰減修正后，交通噪聲的等效聲級計算公式為

多個車道對同一計算點的影響，是利用能量疊加的方式進行計算的。假設有n條道路單元，每條道路單元對計算點所產生的預測值為L1，L2，L3，…，Ln，能量疊加后得出噪聲預測值為

2 道路交通噪聲的預測技術

2.1 總體架構

該系統將GIS 作為操作平臺，利用其組件開發噪聲預測系統，主要目的是設計具備專業功能與GIS 基本功能相結合的城市道路交通預測系統。

（1）對環境信息科學管理：對交通噪聲數據、屬性數據、空間數據等基礎信息進行管理，提供環境信息服務[8]。（2）對噪聲進行預測：基于交通噪聲預測模型，通過GIS實現空間數據與屬性數據的分析、處理，計算道路附近接收點處的噪聲值，為城市道路建設提供基礎。（3）實現減噪模擬：利用綠化帶、聲屏障等減噪措施的設置實現減噪模擬，以相關法規為標準對減噪后效果進行評估，為城市道路規劃提供幫助。（4）分析區域環境噪聲：使用GIS 可視化功能使區域環境噪聲情況更加直觀、精準[9]。

當用戶成功登錄系統后，將用戶選擇區域的屬性數據與空間數據嵌入噪聲預測模型中，對道路交通噪聲進行計算，通過圖形、表格和消息框等方式對結果進行顯示。用戶還能夠實現預測結果和環境噪聲標準的對照，假如超標，利用減噪模擬進行調整，實現新一輪數據計算、查詢和顯示，直到用戶滿意預測結果。

2.2 功能實現

基于GIS的城市道路交通噪聲預測系統和其他系統不同，此系統為GIS和噪聲預測模型結合的功能，不僅能夠實現地理信息系統對于空間數據的處理、編輯、管理和分析，還能夠在系統中使用GIS 功能實現減噪模擬、噪聲預測計算、噪聲分析評價等。

2.2.1 地圖基本操作

（1）實現視圖管理和圖層文件管理，視圖管理能夠實現地圖的漫游、縮小、放大、全景等，還能夠提供鷹眼功能，使主視圖和縮略圖相互關聯，縮短快速定位到主視圖中；圖層文件管理能夠實現圖層刪除、添加、圖層和保存。（2）實現地圖的編輯，主要編輯空間數據，也就是通過相應圖層對地理要素進行刪除和添加，并且實現地理要素屬性數據的編輯[10]。

2.2.2 數據輸出

系統用戶可將分析數據與圖表能夠通過文件方式進行輸出和保存，也可將分析后的專題圖庫和圖層數據通過圖片的形式進行保存，方便對輸出結果進行管理。

2.2.3 噪聲處理

噪聲處理功能可實現GIS城市道路交通噪聲預測系統的模塊功能，具體內容敘述如下。

（1）噪聲計算：噪聲計算能夠應用預測模型，對交通主干道噪聲進行計算。（2）噪聲統計：系統能夠統計噪聲預測結果，通過圖表的形式表示，并且可以與現有噪聲數據進行對比。（3）噪聲查詢：用戶可以根據坐標、接收點名稱，或者以相應的條件等多種方式進行查詢，查詢內容包括交通噪聲預測結果與歷史噪聲。（4）減噪模擬：用戶通過圖層添加屏障或者草坪實現減噪，并且對比減噪前后的噪聲預測值，以噪聲相關標準和法規對減噪效果進行評價，為相關部門提供減噪模擬措施，對城市規劃建設進行指導[11]。

2.2.4 區域環境噪聲評價

（1）等值線：系統以某個年份的區域環境噪聲圖層數據能夠生成區域環境噪聲的等值線圖，將各地區噪聲情況展現出來。（2）噪聲超標查詢：以環境噪聲標準實現條件查詢，對噪聲超標區域噪聲值進行查詢，在地圖中實現高亮顯示，為城市環境規劃人員與環保工作提供決策支持。

2.2.5 其他功能

其他功能包括系統幫助、用戶管理、法規標準檢索。系統幫助可支持用戶盡快掌握系統功能與操作方法；用戶管理能夠實現用戶添加、登錄、修改密碼等；法規標準檢索包括聲環境相關法律、環境質量標準、排放標準和其他相關規范，能夠讓用戶對標更加方便。

2.3 系統數據庫

道路交通噪聲預測數據庫使用ArcMap 實現地圖矢量化工作，使用桌面應用程序ArcToolbox 實現圖形轉換，使用數據資源根據ArcCatalog實現管理。

（1）將ArcMap 應用程序打開，對道路和沿線帶狀地形圖柵格圖片文件進行加載，將Georeferncing 工具條添加到工具欄中，實現空間配準，對圖像進行地理坐標校正。選擇多個已知坐標控制點實現坐標的輸出，從而完成配準。

（2）在ArcMap工具欄中將ArcCatalog模塊打開，創建個人數據庫，以道路和沿線構造物不同特征創建不同特征類，輸入特征類名稱、坐標限差，對投影坐標系進行選擇。一個特征類和一個圖層對應，在數據庫中對表進行存儲。本文系統以功能需求對道路路橋、橋梁涵洞、道路路面、道路路基等特征類進行創建。

（3）通過ArcMap加載上個新建特征類，使用editor工具條實現分層矢量化工作。因需要大量矢量化數據，通過edior工具手繪工作量大，所以轉變成為ArcGIS數據文件，在數據庫中以MDB格式存儲，之后以面圖層和線圖層的轉換和合理分層實現功能。完成以上工作后，就完成了空間數據庫的創建。

3 可視化和實例分析

3.1 噪聲等值線生成

道路左右兩側計算區域的兩個噪聲鏈表生成為繪制噪聲等值線提供基礎，此鏈表屬于雙向鏈表，結點數據域描述為

式（4）中，(xi,yi)為網格節點Vi坐標，二維標量場等值線的抽取有網格無關法和網格序列法兩種，網格無關法能夠在等值線分布規則的情況下使用，網格序列法的使用比較廣泛，但是針對四邊形網格馬鞍點二義性解決比較復雜。目前，一般使用網格序列法，三角形或者矩形網格，但是此算法都無法在非結構化異性笛卡爾網格數據場中使用。針對非結構化異性笛卡爾網格數據場，網格單元尺寸具有較大的差別，在大網格單元區域中將鋸齒狀等值線充分展現出來，并且單色等值線無法將區域噪聲變化情況展現出來，所以，針對等值線后續處理，使用等值線光滑和顏色映射算法。完成等值點追蹤和連接之后的等值線數據在GIS 系統TAB表中存儲，使其依次連接等值線。

對等值線數據TAB 表進行讀取，使用三次樣條函數實現等值線光滑，得到的差值點坐標在光滑等值線TAB表中存儲；創建顏色映射表，根據每條等值線的等效A 聲級利用顏色漸變算法賦予顏色；在GIS 中實現圖層的創建，對光滑等值線TAB表進行讀取，使差值點通過給定顏色值依次連接直線段，繪制3 次樣條函數光滑等值線；繪制的等值線圖層和背景地圖進行疊加展示，從而實現可視化。

3.2 系統實現

使用本文提出的方法通過ArcMap平臺實現交通噪聲計算和可視化，根據評價導則的要求設置等值線的間隔為5 dB，通過繪制等值線的方式實現等效A聲級值的可視化輸出。根據《聲環境質量標準》（GB 3096-2008），道路兩側一定距離內執行4a類聲環境功能區環境噪聲限值，即晝間70 dB（A），夜間55 dB（A），比限值小就保持系統默認色。

3.3 實例分析

為驗證該系統在道路噪聲預測過程中的效果，對系統計算結果和噪聲實測數據進行了對比。實驗地點為某道路中，地理環境優越，測量場地開闊，且沒有反射物。測量時間為晝間，聲級計距離地面1.2 m。使用HT-308激光測距儀對距離進行測量，設置監測點。通過表1數據可以看出，GIS環境系統的噪聲預測值和實測值接近，但是存在下偏差，主要是因為系統在對地面效應衰減計算的過程中，使用的是疏松地面模型，而實驗地點為非典型的疏松地面，因此衰減計算結果有所偏差。

表1 計算結果

4 結語

從長遠來看，機動車擁有量將不斷增加，城市道路聲環境質量也會隨之惡化，城市環境和交通噪聲的關系越來越密切，兩者矛盾加深，對環境是非常不利的。隨著城市居民對聲環境知識越來越了解，逐漸認識到城市聲環境的重要性。所以，今后要對城市道路交通噪聲進行管理，并且使用相應的控制措施，從而避免對社會經濟和城市居民生活的影響。