城市环境噪声模拟与评估系统——“中大声图”的研究与应用*

蔡 铭，邹竞芳，李 锋，罗威力，王大蕾，陈志斌

(中山大学工学院∥广东省智能交通系统重点实验室，广东 广州 510275)

噪声污染是城市环境问题的四大公害之一，目前已成为制约城市人居环境质量提高的重要因素[1]。掌握准确的环境噪声信息,科学评价声环境质量现状、科学预测声环境的变化情况成为噪声管理和治理的重要基础[2]。国外许多大中城市通过采用Cadna/A和Soundplan等环境噪声模拟软件绘制噪声地图，以掌握噪声的污染程度和分布情况，例如英国的伯明翰已于2000年完成全城噪声地图的绘制并于2004年再次更新地图[3]；德国已有500多个城镇绘制了噪声地图，并应用于工厂的选址及噪声的控制[4]；挪威运用噪声地图和人口统计资料来进行噪声控制[5]。但这两个软件所采用的噪声计算模型为英国CRTN模型和德国的RLS90模型[6-7]，无法反应我国的实际道路交通状况；且软件无法直接从GIS地图中获取路网和建筑物的属性信息，对计算的输入信息处理较为繁琐。在国内，除香港开发了基于网络的噪声地图外[8]，张庆河[9]、庞伟、周晓丹等[10]已展开了基于GIS的交通噪声评价和预测系统的研究，但大多没有考虑建筑物的衰减，且基本未能在输入信息与噪声地图渲染方面与GIS进行直接交互。

本文自主研发了一个城市环境噪声模拟与评估系统——“中大声图”，系统可以综合模拟点声源、线声源、面声源对城市声场环境的影响；系统能直接从GIS上自动获取道路、建筑物、林带等信息，结合车辆噪声辐射和传播模型并考虑建筑物群及林带对交通噪声的遮挡衰减，能够计算出城市区域的交通噪声并将模拟结果直接渲染在GIS地图上，直观清晰地展示城市区域交通噪声的污染程度和分布情况。利用“中大声图”，本文绘制出了广州市内环路交通噪声地图及珠江新城的区域交通噪声地图，并对内环路采取单双号限行及安装声屏障等降噪措施进行了评估，为城市交通噪声污染控制提供科学决策依据。

1 系统的结构、功能与特色

1.1 系统的结构

系统采用Microsoft Access 数据库存储各种声源及障碍物的属性信息，结合GIS平台，并加入交通噪声评价和预测模型，实现对点源、面源、交通源噪声的综合计算及对大区域、高架路和公交车站等不同情况下的交通噪声分布计算，并直接输出噪声渲染地图，为城市交通噪声污染控制提供科学决策依据，系统的结构如图1所示。

1.2 系统的功能与特色

系统采用主界面与GIS界面交互运行的工作方式，通过从GIS界面选取交通源和建筑物的属性信息返回到主界面相应的响应选项卡上，作为噪声计算的基础数据；并将在主界面计算所得的噪声结果返回GIS界面进行渲染，得到直观的交通噪声分布地图，系统的具体功能与特色如下所示。

1.2.1 主界面的功能与特色 系统的主界面除具有基本的工程文件读入和保存等功能外，还包括七个选项卡页面，如图2所示。在这七个界面完成交通噪声分布的计算过程，各选项卡的功能如下所示：

图1 系统结构

图2 系统工作界面图

工程基本信息界面：设置工程名称和场地名称等信息。

交通源、点源及面源界面：分别输入、修改和删除交通源、点源、面源的基本信息，有手动输入和GIS载入两种方式。

障碍物界面：输入、修改、删除障碍物信息，支持手动输入和GIS载入两种方式。

计算界面：设置计算网格步长或数量、设置计算范围、计算交通噪声的分布。

结果界面：显示计算结果信息。

1.2.2 GIS界面的功能与特色 系统的GIS界面(如图3所示)除具备基本的GIS视图操作功能，如地图的打开、保存、放大、缩小、漫游、图层管理、鹰眼等功能外，主要完成三大部分的功能，具体如下所示：

图3 GIS界面

基础数据的获取：在GIS界面，系统为用户提供框选、界面全选和查找选择等三种方式，可以将用户选择的交通源和建筑物的属性信息返回到主界面相应的响应选项卡上，作为噪声计算的基础数据。

噪声地图的渲染：在主界面计算之后，结果可以返回GIS界面进行渲染，得到直观的交通噪声分布地图，以不同的颜色表示交通噪声的分布和级别。系统提供Krige和IDW两种渲染方式，并且经渲染之后的噪声地图能以mxd的地图格式保存，方便用户日后的使用。

交通视频与噪声监测的同步显示：视频检测是获取交通流基础信息的一个重要手段[11]，在此基础上，通过软硬件的结合，系统在GIS模块中设置了一个特殊的图层，这个图层中包含不同视频点，用户只需要点击，即可查看相应地区的交通视频和同步显示的噪声值，如图4所示。应用这个功能能够对交通噪声进行监控，可以作为日后积累的基础数据，同时也为采取相应的降噪措施提供了依据和检验手段。

2 系统的核心算法

系统将噪声污染源分为交通源、点源和面源三种。交通源用于计算城市内道路等线性噪声源对噪声的贡献量，点源用于各个噪声特殊地点的噪声计算，面源则适用于区域噪声污染源的计算，三种因素共同考虑，计算时进行能量叠加可得出预测地点的噪声值。在噪声的传播过程中，计算模型考虑了建筑物、植被对于噪声传播的衰减作用，具体的算法如下所示。

2.1 交通源算法

道路交通噪声的计算按线声源模型，同时考虑噪声传播途中的地面吸收和障碍物的附加衰减量，距行车线r处的等效声级为[12]：

10 lgπr0+ΔL

(1)

式中：Loi为第i种车型在参考距离处的平均辐射噪声级，dB，采用的是对本地共1 176辆机动车的噪声及车速的实测结果所拟合出来的模型，其值与车型及车速有关[13]；Ni为第i种车型的车流量，veh/h；Vi为第i种车型的车速，km/h；r0为参考距离，r0=7.5 m；r为接受点距行车线的距离，m。

行车道上实际车流为大、中、小三种车型的组合车流，道路交通噪声的等效声级为三种车流的等效声级的叠加，即：

(2)

2.2 点源算法

综合考虑点声源距离衰减、声屏障的绕射衰减、建筑物和林带的衰减作用后，点声源对接受点R的噪声值为：

ΔLb+ΔLS+ΔLg

(3)

式中，Lo为点声源在参考距离处的平均辐射噪声级，dB；r0为参考点的距离，m；r为点源至接收点的距离，m；ΔLb为建筑物的附加衰减量；ΔLS为声屏障的附加衰减量[14]；ΔLg为林带的附加衰减量。

2.3 面源算法

面源对一点的噪声辐射能量可近似地看作面源的各轮廓线对该点的噪声辐射能量之和，即把面源的源强近似地集中到轮廓线上，使计算得到简化：

100.1·StrengthA×AA=100.1·StrengthL×CL

(4)

式中：StrengthA为面源强度，dB/m2；StrengthL为等效线源强度，dB/m；AA为面源面积，m2；CL为面源轮廓线周长，m。

而等效线源对任意一个接收点的噪声为：

(5)

式中：θ为接收点到线源两端点的夹角， rad；d为接收点到线源的距离，m。

将各轮廓线对接收点的噪声进行能量叠加，可得到整个面源对接收点的噪声辐射，即：

(6)

2.4 林带衰减的计算方法

林带的平均衰减量采用《公路建设项目环境影响评价规范》中的式子来进行估算[15],即：

ΔLg=-0.1l

(7)

式中，l为声波穿过林带的宽度，m。

2.5 建筑物衰减的计算方法

根据《声学 室外声传播衰减 第2部分》标准所规定的方法[16]，由建筑物群的屏蔽及反射两种作用所引起的噪声衰减量为：

Δb=Ahouse,1+Ahouse,2

(8)

其中，Ahouse,1的平均值为：

Ahouse,1=0.1Bdb

(9)

式中，B为沿声传播线上的建筑物的密度，等于以总的地面面积(包括建筑物所占面积)去除建筑物的总的平面面积所得的商；db为通过建筑物群区的声路线长度，m。

(10)

式中，p为相对于在建筑物邻近的公路的总长度的建筑物正面的长度的百分数，其值小于或等于90％。

城市路网密度大，建筑物群数量多，在进行大区域计算时计算速度十分缓慢，针对这个问题，系统采取了自动划分网格和筛选交通源的优化算法。在区域不大的时候，计算程序按照用户自定义的固定步长或固定数量的网格进行计算；当区域增大的时候，程序先将区域分块，然后针对每一块区域进行判断，若区域内无交通源则可进行网格的稀疏，若区域内有交通源，则先按用户需求来划分网格，然后再筛选有影响的交通源进行进算，进而达到简化计算的效果。

3 “中大声图”的应用

3.1 广州内环路的交通噪声地图

广州内环路全长26.7 km，双向六车道，自2000年1月建成通车后，广州市中心区的交通得到明显改善，但也给沿线的环境带来了较大的交通噪声影响。为掌握内环路对沿线环境的噪声影响，以内环路为中心线，选取其沿线100 m范围内的建筑物，以10 m为计算的网格步长，利用“中大声图”计算其交通噪声并渲染出其噪声地图，计算时，交通源为431个，建筑物1 845栋，区域面积为68.8 km2，计算结果共166 808条，渲染图如图5所示。

图5 广州内环路的交通噪声地图

由图5可见，“中大声图”能够计算大区域的交通噪声并渲染出交通噪声地图，直观地展示城市交通噪声的分布情况，为交通噪声的管理与控制提供了一个良好的可视化平台。

经分析发现，广州内环路的南岸路路段交通噪声污染较为严重，其交通噪声地图如图6所示。由图6可以看出，南岸路的最大噪声值在75～80 dB之间，沿线附近范围内的噪声大多在65～70 dB之间，噪声污染较为严重。

图6 南岸路噪声地图(dB)

为降低南岸路的交通噪声污染，采取单双号限行和安装声屏障(3.0 m高)两种控制措施从声源和声传播过程中降低噪声污染，降噪前后南岸路的交通噪声如表1所示(各点的位置见图6)：

表1 降噪前后的交通噪声

由表1可以看出，在道路两侧安装声屏障后，交通噪声明显降低，声屏障的降噪量约为4～15 dB，降噪效果非常明显；限行后，由于交通量减半，噪声值也有所降低，限行的降噪量约为0～4 dB左右，其降噪效果没有声屏障的显著。

3.2 珠江新城的交通噪声地图

珠江新城位于广州北二环与东二环的交汇处，是广州重要的城市中心商务区，了解其交通噪声的污染程度分布情况可为采取有效的防治措施提供科学依据。本研究所选取的珠江新城区域北侧紧临黄埔大道西，西侧邻接广州大道中，面积约为1.3×1.7 km2，其区域交通噪声地图如图7所示。

图7 珠江新城交通噪声地图(dB)

由图7可以看出，区域内主干路的噪声值均在70 dB之上，尤其是广州大道中和黄埔大道西的噪声值已接近75 dB，小区内道路的噪声值也在65 dB之上，居住区的噪声大部分处于60-65 dB之间，噪声污染较为严重。因此，可考虑在在广州大道中和黄埔大道西的道路两侧加装声屏障，贯穿区内的道路可以适当采取限速、限制大型车通行等措施来达到降低噪声的目的。

为检验计算结果的准确性，对珠江新城展开交通流和噪声实地调查，调查时间为2011年3月15日17:00-17:30，共11个监测点，每个点位监测30 min，各点位的位置见图7。噪声的实测值与系统计算值的比较如图8所示。

图8 实测值与计算值的比较

实测值与系统计算值之间的最大误差为2.09 dB，最小误差为0.55 dB，平均误差为1.31 dB，平均相对误差为1.956％，系统计算值的准确性较高。

5 结 论

结合城市环境噪声排放模型及噪声传播扩散的基本原理，自主研发了一个城市环境噪声模拟与评估系统—“中大声图”。该系统具有与地理信息系统交互运行、大区域噪声模拟计算和考虑城市复杂障碍物等特点。从应用和验证的实例来看，系统能够绘制大区域交通噪声地图，能够对各种降噪措施进行评估，且计算的平均误差为1.31 dB。因此，系统对城市环境噪声，特别是城市交通噪声的控制和管理有很好的应用前景。

参考文献：

[1]李红星,王雪平.GIS技术在城市环境噪声中的应用研究[J].环境科学与管理,2007,32(3):42-44.

[2]郭红连.Cadna/ A 和GIS 在城市道路交通环评中的应用[J].山西建筑,2010,36(16):352-353.

[3]JOHN H,ANDREW J,KEVIN H.BUMP -The Birmingham updated noise mapping[J].Acta Acustica united with Acustica,2005(1):66-68.

[4]POPP C.Noise abatement planning in German-experiences and consequence of the EU directive on the assessment of environmental noise[J].Acta Acustica united with Acustica,2003(1):65-67.

[5]KLAEBOE R,ENGELIEN E,STEINNES M.Context sensitive noise impact mapping[J].Applied Acoustics,2006 (67):620-642.

[6]Department of Transportation and Welsh Office UK.Calculation of road traffic noise[R].London: HMSO,1988.

[7]Road Construction Section of the Federal Ministry for Transport.Directives for anti-noise protections along roads[R].Berlin: Ministry for Transport,1990.

[8]LUO Z Y,LI Z K,WU Y W,DAI M G.Using 3D visualization technologies to enchance the understanding of environmental noise[J].Noise and vibration control,2005(1):56-58.

[9]张庆河,邹峥嵘.基于GIS的交通噪声评价和预测系统[J].测绘科学,2008,33(5):116-110.

[10]周晓丹.基于GIS的城市道路交通噪声预测系统的研制[D].大连理工大学,2005:26-50.

[11]肖敬文,余志,聂佩林,等.基于几何与颜色特征的公交车辆视频检测算法[J].中山大学学报:自然科学版,2005,44(2):152-155.

[12]张玉芬.道路交通环境工程[M].北京:人民交通出版社,2001:48-49.

[13]李锋,刘济科,蔡铭,等.信号控制对交通噪声的影响分析[J].噪声与振动控制,2010(6):109-113.

[14]盛晔,潘仲麟.高架复合道路噪声声场分布研究[J].环境污染与防治,2002,24(6):368-369.

[15]交通部公路科学研究院,长安大学.JTG B03—2006公路建设项目环境环境影响评价规范[S].北京: 人民交通出版社,2006:47.

[16]全国声学标准化技术委员会.GB/T 17247.2-1998声学室外声传播衰减[S].北京：中国标准出版社:2006:17.