環(huán)境信息可視化表達(dá)的內(nèi)容和方法

殷殿龍陳季徐洪恩黃秀英黃勝利張武，佳木斯大學(xué) 54007； ，佳木斯市環(huán)保局

環(huán)境信息可視化表達(dá)的內(nèi)容和方法

殷殿龍1陳季1徐洪恩2黃秀英1黃勝利1張武11，佳木斯大學(xué) 154007； 2，佳木斯市環(huán)保局

環(huán)境管理的基礎(chǔ)是環(huán)境信息的管理，環(huán)境信息的可視化表達(dá)符合人類的認(rèn)知規(guī)律，是環(huán)境信息管理和環(huán)境科學(xué)研究的有效地手段和方法。如何利用好GIS（Geographic information systems 地理信息系統(tǒng)）系統(tǒng)的可視化功能的關(guān)鍵在于確定環(huán)境信息可視化表達(dá)的內(nèi)容和方法。文章從環(huán)境信息的處理深度和使用出發(fā)研究探索宜于環(huán)境信息可視化表達(dá)的內(nèi)容及可采用的方法。

環(huán)境信息；可視化；內(nèi)容；方法

1、引言

近年來國家政府對環(huán)境保護(hù)工作的高度重視并不斷加大資金的投入力度，省市級環(huán)境保護(hù)管理機(jī)構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)計算機(jī)辦公自動化、網(wǎng)絡(luò)化，環(huán)境監(jiān)測設(shè)備得到進(jìn)一步加強(qiáng)，很多機(jī)構(gòu)建立起環(huán)境保護(hù)信息中心， 相當(dāng)數(shù)量的市級機(jī)構(gòu)建立起以GIS為信息管理平臺的環(huán)境管理信息系統(tǒng)。環(huán)境信息化的建設(shè)整合機(jī)構(gòu)內(nèi)部的信息資源，實現(xiàn)信息的共建和共享，加強(qiáng)部門之間的協(xié)同合作，提高工作效率和管理水平，同時GIS系統(tǒng)提供的可視化技術(shù)也為環(huán)境信息管理和環(huán)境科學(xué)的深入研究提供有效的工具。

環(huán)境信息可視化是建立在環(huán)境信息化基礎(chǔ)上的科學(xué)技術(shù)，它符合人類認(rèn)知規(guī)律，可以幫助人們更好的理解信息，提高環(huán)境信息的管理能力和分析研究能力。在環(huán)境管理中應(yīng)用可視化技術(shù)的條件已經(jīng)具備。在實際工作中，如何充分利用以GIS系統(tǒng)進(jìn)行的環(huán)境信息可視化表達(dá)，什么樣的環(huán)境信息宜于可視化表達(dá)，采用何種表達(dá)方式和方法是環(huán)境管理人員及環(huán)境研究人員需要解決的問題。 因此有必要在環(huán)境信息可視化的適用內(nèi)容和方法進(jìn)行研究探索。

2、科學(xué)可視化與環(huán)境信息可視化

2.1 科學(xué)可視化

20世紀(jì)80年代，美國自然科學(xué)基金會就圖形學(xué)、圖像處理及計算機(jī)科學(xué)等問題召開學(xué)術(shù)會議，指出世界將出現(xiàn)一個新興的技術(shù)領(lǐng)域，即科學(xué)可視化，并給出定義：借助計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理等技術(shù)，使用幾何圖形、紋理、透明度、對比度以及動畫技術(shù)等手段，將科學(xué)計算中產(chǎn)生的大量非直觀的、抽象的或者不可見的數(shù)據(jù)以圖形、圖像的形式，直觀、形象地表達(dá)出來，并交互處理的方法[1]。近年來科學(xué)可視化得到快速的發(fā)展。借助科學(xué)可視化，利用相關(guān)的計算機(jī)技術(shù)和方法，可以將大量不可視的信息轉(zhuǎn)化為人們?nèi)菀桌斫獾目蛇M(jìn)行交互分析的圖形、圖像、動畫等形式。有效地幫助研究者理解數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中蘊含的規(guī)律，直觀地通過視覺，借助特定的工具對處理過程進(jìn)行控制，提高數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量和效率。

2.2 環(huán)境信息可視化

環(huán)境信息是現(xiàn)實環(huán)境世界的反映，是客觀事物的存在及演變情況的反映，它包括環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的相關(guān)消息，報道和知識。其中環(huán)境要素信息是環(huán)境信息的主體和基礎(chǔ)，如大氣、水、土壤、植被、地貌、生態(tài)要素信息等，這些要素也是環(huán)境保護(hù)研究的重要對象，是環(huán)境監(jiān)測的重要目標(biāo)，這類環(huán)境信息不僅具有時間性，動態(tài)性而且都與地理空間位置相關(guān)，有明顯的空間特征。此類環(huán)境信息應(yīng)屬于地理信息范疇，將這些非直觀、抽象的數(shù)據(jù)利用GIS系統(tǒng)提供的計算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)使用幾何圖形、紋理、對比度及動畫等手段通過交互處理的方法以圖形、圖像的形式表達(dá)出來。這就是所謂的環(huán)境信息可視化。

3、環(huán)境信息可視化表達(dá)的內(nèi)容

判斷環(huán)境信息可視化的適用內(nèi)容應(yīng)該從環(huán)境信息是否具有空間特征出發(fā)，基于GIS平臺進(jìn)行可視化表達(dá)是在特定區(qū)域的地理空間內(nèi)查詢、分析和顯示環(huán)境信息的分布，變化發(fā)展趨勢，和其它環(huán)境要素的關(guān)系和影響等可視化處理。環(huán)境信息的絕大部分是可以實現(xiàn)可視化表達(dá)。根據(jù)計算機(jī)處理的交互過程可以體現(xiàn)為過程性表達(dá)和結(jié)果表達(dá)。 過程性表達(dá)表現(xiàn)為在交互處理過程中對所處理的環(huán)境信息表現(xiàn)進(jìn)展性規(guī)律的專注。結(jié)果表達(dá)表現(xiàn)為對經(jīng)計算機(jī)交互處理后的結(jié)果專注。實際處理中我們將適宜可視化表達(dá)的環(huán)境信息根據(jù)環(huán)境管理機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)及環(huán)境信息的處理深度分為以下層次：

3.1 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是環(huán)境保護(hù)工作的重要數(shù)據(jù)支撐，它直接反應(yīng)監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量狀況和發(fā)展趨勢，是環(huán)境管理機(jī)構(gòu)重要的基礎(chǔ)性的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)涉及大氣、水、固體廢物、噪聲、土壤、生態(tài)等方面的內(nèi)容，這些內(nèi)容可通過交互操作以圖形化的方式顯示。以環(huán)境空氣監(jiān)測為例包括：大氣污染點源的空間分布圖，大氣自動監(jiān)測點的空間分布位置圖、SO2、NO2、PM10區(qū)域分布狀況圖等。環(huán)境監(jiān)測站可根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)更新數(shù)據(jù)庫和可視圖層進(jìn)行管理。

3.2 實驗分析測定數(shù)據(jù)

此類數(shù)據(jù)是在實驗室內(nèi)通過物理或化學(xué)的方法分析測定的。數(shù)據(jù)加工程度較深，如污染水質(zhì)的常見污染物的檢測數(shù)據(jù)，酸雨采集樣本的測定，土壤重金屬的測定等。上述數(shù)據(jù)同樣易于圖形化顯示。

3.3 環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)

按照國家環(huán)境保護(hù)部要求上報的環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其中綜合報表中各地區(qū)工業(yè)污染排放及處理利用情況（環(huán)年綜1表）、各地區(qū)重點調(diào)查工業(yè)污染排放及處理利用情況（環(huán)年綜1-1表）各地區(qū)火電行業(yè)污染排放及處理利用情況、各地區(qū)危險廢物集中處置情況、各地區(qū)工業(yè)企業(yè)污染排放季報表等更易于分區(qū)統(tǒng)計方式的可視化表達(dá)。

3.4 環(huán)境決策支持?jǐn)?shù)據(jù)

此類數(shù)據(jù)包括環(huán)境預(yù)測分析、環(huán)境評價分析、環(huán)境決策分析等數(shù)據(jù)，是專家通過成熟環(huán)境專業(yè)模型利用GIS的空間分析技術(shù)，綜合分析復(fù)雜環(huán)境要素的影響得出的環(huán)境決策數(shù)據(jù)。如區(qū)域有害氣體擴(kuò)散的應(yīng)急處理、建設(shè)項目的環(huán)境影響評價、環(huán)境規(guī)劃等。

3.5 環(huán)境信息發(fā)布數(shù)據(jù)

向社會公眾發(fā)布的日、季、年區(qū)域環(huán)境質(zhì)量報告等。

4、環(huán)境信息可視化表達(dá)的方法

環(huán)境信息可視化表達(dá)的方法依賴于環(huán)境信息管理系統(tǒng)的功能。當(dāng)前以GIS為平臺管理系統(tǒng)可視化表達(dá)功能可以實現(xiàn)交互式的可視化查詢，環(huán)境專題圖表達(dá)、趨勢與過程的動畫表達(dá)、遙感圖像與GIS圖形融合、三維GIS表達(dá)等多種方式方法。不同的環(huán)境信息處理內(nèi)容和要求決定可視化表達(dá)的方式。通過對污染物的可視化研究實踐，我們總結(jié)出如下的目前適宜的環(huán)境信息的可視化方法。

4.1 環(huán)境專題地圖

4.1.1 定點符號法

采用不同形狀、顏色和大小的符號，表示各自獨立的各個物體的數(shù)量與質(zhì)量特征的方法。常用來表達(dá)環(huán)境信息呈點狀分布狀況。有定性和定量兩種表達(dá)方法，如空氣自動監(jiān)測站的布點，主要表現(xiàn)為站點的空間位置信息，是定性要素，用符號形狀與顏色表示其定性特征；燃煤鍋爐的分布狀況，定點符號應(yīng)體現(xiàn)鍋爐排放煙塵的數(shù)量差異，用符號的大小表示數(shù)量指標(biāo)，視個體數(shù)量差異的大小，可采用比率符號和非比率符號兩種。

4.1.2 等值線法

等值線可以顯示地面和空間連續(xù)分布且均勻漸變的現(xiàn)象，并能說明這種現(xiàn)象在地圖上任一點的數(shù)值和強(qiáng)度。通常用于表達(dá)大氣污染物的擴(kuò)散，地表水污染物的擴(kuò)散，土壤重金屬的分布等。擴(kuò)展等值線也可以用于在一定時間內(nèi)有時間變化的環(huán)境現(xiàn)象。如在突發(fā)有害化學(xué)氣體泄漏事故表達(dá)中注意用等值線的虛實，粗細(xì)和顏色表示控制線以安排人員疏散。

4.1.3 網(wǎng)格法

地圖網(wǎng)格法以網(wǎng)格為單元通過顏色或暈線表示事物數(shù)量和質(zhì)量特征的方法。GIS的柵格數(shù)據(jù)模型更易于表現(xiàn)此類事物，柵格格網(wǎng)的像元值對應(yīng)單元格位置上空間的現(xiàn)象特征 不僅計算效率高，還可以進(jìn)行多種空間分析。現(xiàn)在除廣泛用于城市環(huán)境質(zhì)量評價外，還用于項目選址分析、環(huán)境影響評價等。

4.1.4 范圍法

范圍法也稱區(qū)域法或面積法。表達(dá)專題要素在制圖區(qū)域內(nèi)間斷而成片的分布范圍。范圍法能表示要素的質(zhì)量特征和漸進(jìn)性，一般不強(qiáng)調(diào)數(shù)量指標(biāo)，有簡單明確的優(yōu)點，如土壤類型的分布，某種動物的活動范圍，污染物的分布范圍等

4.1.5 統(tǒng)計圖法

分級統(tǒng)計圖法是在整個制圖區(qū)域的若干個小的區(qū)劃單位內(nèi)（行政區(qū)劃或其它區(qū)劃單位）根據(jù)各資料的數(shù)量指標(biāo)進(jìn)行分級，并用相應(yīng)的色級或紋理反應(yīng)各區(qū)現(xiàn)象的集中程度或發(fā)展水平差別。因為此方法對資料要求不高，易于保密，故應(yīng)用廣泛。缺點是不能反映區(qū)域內(nèi)部的差異。常用于大氣。水、噪聲、土壤等要素質(zhì)量，區(qū)域綜合質(zhì)量等，是信息發(fā)布常用的方法。

4.2 動畫形式表達(dá)

可視化的環(huán)境信息除具有空間特征外，還具有時序特征，隨著時間的變化，環(huán)境要素也可能發(fā)生動態(tài)變化。如污染物出現(xiàn)，擴(kuò)散，消失顯示污染物的變化趨勢，這種動態(tài)變化特性可以用利用計算機(jī)動畫連續(xù)和流動的時間特性來表達(dá)。不僅可以解釋環(huán)境變化過程，還能對環(huán)境要素和現(xiàn)象間的關(guān)系做出解釋，近而推斷未來的環(huán)境變化趨勢，給出合理的預(yù)測。動畫采用的時間尺度與所研究的對象及資料的時間深度相關(guān)，利用GIS的動畫技術(shù)可以通過交互操作的方式獲得任意時段的環(huán)境要素的變化過程。動畫表達(dá)方法是近年來常用的趨勢研究方法。

4.3 RS與GIS融合表達(dá)

遙感圖像用于環(huán)境監(jiān)控在省級環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)以得到應(yīng)用如大氣環(huán)境質(zhì)量，土壤及生態(tài)狀況等特定區(qū)域的衛(wèi)星影像通過圖像的幾何糾正、投影變換、圖像增強(qiáng)和分類處理或可以和GIS中同區(qū)域環(huán)境要素圖層疊合在一起，進(jìn)行多要素分析，增強(qiáng)了環(huán)境要素的直觀性，擴(kuò)展了數(shù)據(jù)的來源渠道，提高了分析水平。

4.4 三維GIS表達(dá)

計算機(jī)計算能力的提升，寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及信息系統(tǒng)軟件功能的完善，促進(jìn)了GIS三維顯示技術(shù)。通過城市遙感影像圖建筑物信息提取，GIS實現(xiàn)了虛擬城市景觀，并可以改變用戶的觀察視角。在此基礎(chǔ)上疊加用戶需要的環(huán)境信息，就可以真實的表達(dá)現(xiàn)實場景，為環(huán)境管理提供更高層次的可視工具

4.5 實時視頻表達(dá)

用實時監(jiān)控視頻監(jiān)控區(qū)域內(nèi)重點污染源，顯示環(huán)境突發(fā)事件的現(xiàn)場狀況是環(huán)境管理的有效方法。目前GIS平臺無此項功能，但如有監(jiān)控條件，可通過第三方軟件來實現(xiàn)。

5、結(jié)語

環(huán)境信息可視化的應(yīng)用條件已經(jīng)成熟，環(huán)境信息可視化的技術(shù)可以提供給環(huán)境管理者和研究者更直觀的，更符合人類認(rèn)知規(guī)律的信息表達(dá)方式和方法。通過環(huán)境信息的構(gòu)成研究證明大多數(shù)環(huán)境信息可利用可視化方式表達(dá)。不同內(nèi)容的環(huán)境信息的處理要選擇不同的可視化方法。專題環(huán)境圖地圖仍然是環(huán)境管理和研究的主要方法，它與傳統(tǒng)的紙質(zhì)環(huán)境地圖不同，是環(huán)境信息管理者與系統(tǒng)交互處理的結(jié)果，過程中包涵查詢，分析和處理的環(huán)節(jié)。動畫、RS與GIS的融合，三維GIS的可視化，實時的監(jiān)控，虛擬現(xiàn)實的技術(shù)是環(huán)境信息可視化未來發(fā)展方向。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.12.053

佳木斯大學(xué)科研項目 項目編號：L2007-78