基于3S集成的突發(fā)水污染模擬研究

楊明祥，解建倉，李建勛，謝玉峰

（西安理工大學，710048，西安）

基于3S集成的突發(fā)水污染模擬研究

楊明祥，解建倉，李建勛，謝玉峰

（西安理工大學，710048，西安）

針對當前水污染研究多局限于模型開發(fā)，可視化工作較為薄弱的問題，提出了一種基于3S集成的突發(fā)水污染模擬方案，并討論了河流三角化、離散點濃度擬合、基于視域的數(shù)據(jù)動態(tài)加載等關(guān)鍵技術(shù)，對松花江某取水口上游突發(fā)石油污染事件進行了動態(tài)模擬。結(jié)論表明，該方法可以形象地模擬污染物的擴散和運移過程，并提供定點的污染監(jiān)測功能，為污染模型的檢驗提供了依據(jù)，為應急方案的制定提供了全方位的信息支持。

3S集成；三維可視化；水污染擴散

近年，我國GDP保持了較快的增長勢頭，經(jīng)濟建設突飛猛進，但在經(jīng)濟發(fā)展的同時，各種環(huán)境問題日益突出，特別是突發(fā)水污染更是頻繁發(fā)生。由于突發(fā)水污染具有影響范圍大、不確定性因素多、往往距離人口稠密區(qū)較近等特點，對人民生命財產(chǎn)和生態(tài)平衡造成了巨大威脅，制約了經(jīng)濟社會發(fā)展。因此，如何有效地分析突發(fā)水污染事件，制定有效地應急措施成為社會關(guān)注的熱點問題。目前為止，國內(nèi)對于突發(fā)水污染的研究多局限于污染物遷移擴散的模型開發(fā)，對其運移過程的可視化模擬還非常薄弱，特別是三維的可視化模擬方面，還沒有成熟的系統(tǒng)出現(xiàn)。這樣，就導致了現(xiàn)有模型多處于孤立狀態(tài)，沒有與其配套的驗證和展示系統(tǒng)，不能很好地指導應急方案的制定。本文提出了基于3S集成的突發(fā)水污染模擬方案，利用3S集成平臺的坐標和影像系統(tǒng)來實現(xiàn)污染物的定位及其周邊地形的展示服務，為應急方案的制定提供全方位的信息支持，達到提高方案制定速度和質(zhì)量的目的。

一、3S集成下的水污染模擬體系結(jié)構(gòu)

1.3S集成平臺

3S技術(shù)是指遙感技術(shù)（RS，remote sensing）、地理信息系統(tǒng)（GIS，geographic information system）和全球定位 系 統(tǒng) （GPS，global positioning system）。3S集成則是三者的有機結(jié)合，其集成可以提供一些特定的功能，遙感（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的集成，可實現(xiàn)河流周邊地形的展示。而地理信息系統(tǒng)（GIS）和其他各數(shù)據(jù)庫的聯(lián)合集成將構(gòu)成一個功能強大的數(shù)據(jù)存儲和分析平臺，可以為河流水污染模擬提供強有力的技術(shù)支撐和保障。

水利行業(yè)自20世紀80年代初開始應用遙感（RS）技術(shù)，即通過對地觀測獲取信息。對GIS的使用則始于20世紀80年代后期，在經(jīng)歷了認識了解和初步應用兩個階段后，現(xiàn)已步入深入應用的階段，且很快就與生產(chǎn)實際緊密地結(jié)合起來。全球定位系統(tǒng)（GPS）在水利行業(yè)的應用始于20世紀90年代初，但發(fā)展非常迅速，在地面及水下地形測繪中使用已很普遍?？梢?，水利行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)積累了大量的空間信息資源，完全有條件開發(fā)和利用3S集成平臺解決相關(guān)問題，特別是突發(fā)水污染問題，由于其涉及地域面積廣，影響時間長，有明顯的時空分布特點，僅靠模型計算難以實現(xiàn)對全局信息的掌握，很有必要引入3S集成平臺，對污染數(shù)據(jù)進行全方位的信息展示和分析。

2.三維水質(zhì)模擬體系結(jié)構(gòu)

3S集成平臺上三維水質(zhì)模擬包含三個方面的內(nèi)容：河面三維仿真、影像數(shù)據(jù)展示和污染物擴散運移可視化，三者通過地理空間坐標相聯(lián)系形成污染物擴散運移可視化展示平臺，在此基礎(chǔ)上進行各種統(tǒng)計分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、關(guān)鍵技術(shù)

1.河流三角化

為了實現(xiàn)河流的三維仿真，需要對河流進行三角化，本文提出了一種基于經(jīng)緯方格的剖分算法來實現(xiàn)三角化。其步驟如下所述：

①解析河道二維GIS數(shù)據(jù)，獲取待處理區(qū)域的經(jīng)緯方格，如圖2所示。經(jīng)線（緯線）之間的間距越小，則單個經(jīng)緯方格所圍成的面積越小，代表河面被剖分得越為精細。

②求出經(jīng)緯方格與河岸的所有交點，以及位于兩岸之間的方格頂點，如圖2中黑色圓點即為所求的點。該過程的核心是求經(jīng)緯方格與河岸的交點。

③將相鄰兩經(jīng)線上的點依次連接成三角形，如圖2所示。

圖1 突發(fā)水污染模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 河面三角網(wǎng)

經(jīng)過以上三個步驟，實現(xiàn)了河面的三角化，但這僅僅是二維平面的三角化，要實現(xiàn)河流的三維空間模擬，還要利用3S集成平臺中的DEM模型，根據(jù)空間經(jīng)緯度信息獲取高程，這樣，每個三角形的三個頂點都被賦予了不同的高程信息，模擬出的河流可以表現(xiàn)出實際的地貌信息。

2.離散點濃度擬合

河流的三角化為水質(zhì)仿真提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，通過將網(wǎng)格點賦予不同的濃度信息，可以實現(xiàn)不同污染情況的表現(xiàn)，然而污染物擴散模型計算出來的結(jié)果是離散點的濃度信息，這些點在空間上并不與網(wǎng)格點一一對應，需要將其擬合到網(wǎng)格點上才能實現(xiàn)三維的水質(zhì)模擬。由于河道狹長且蜿蜒曲折，傳統(tǒng)單一的擬合方法不能準確反映濃度信息，本文借鑒分段的思想，每隔一定距離將河道分割成一段，在每一個河段內(nèi)使用最小二乘法擬合出網(wǎng)格點的濃度。需要說明的是，在河段較長的情況下，這種方法在斷面處會形成較為明顯的濃度跳變現(xiàn)象，所以在斷面處需要使用線性插值進行濃度平滑。

3.水質(zhì)仿真可視化

通過擬合獲取網(wǎng)格點的污染物濃度后，再進行水質(zhì)的仿真可視化。水質(zhì)仿真可視化是指通過圖形圖像的方式對水質(zhì)模型仿真過程進行跟蹤、駕馭和結(jié)果的顯示，同時實現(xiàn)整個過程的可視化，提供迅速、直觀、高效和形象的模型展示效果。本文所述仿真可視化過程借助3S集成平臺來實現(xiàn)，用戶可以通過鼠標在屏幕上直觀形象地進行操作 （開始、暫停、加速、減速等），根據(jù)實際需要控制整個仿真過程。污染物濃度與展示顏色之間的映射是可視化過程中的核心，其含義是把計算機數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可供繪制的幾何圖素和屬性，它決定在最后的圖像中應該看到什么，又如何將其表現(xiàn)出來。

本文中，水質(zhì)按被污染程度劃分為5個等級，分別為Ⅰ類水、Ⅱ類水、Ⅲ類水、Ⅳ類水、Ⅴ類水。Ⅰ類水水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)(COD)濃度0～2.5，Ⅱ類水2.5～4.0，Ⅲ類水4.0～6.0，Ⅳ類水6.0～10.0，Ⅴ類水 10.0～15.0，通過不同的顏色表示被污染的程度，最好的Ⅰ類水質(zhì)對應色帶中藍色部分，愈往右走，表示被污染的程度愈高，右端紅色表示污染程度最嚴重，為Ⅴ類水。根據(jù)顏色和濃度的映射關(guān)系，將網(wǎng)格點著色，然后以三角形為單位，利用三個頂點的顏色信息進行平滑渲染，實現(xiàn)濃度信息向圖像信息的轉(zhuǎn)化，多組濃度值映射成一個圖像序列，根據(jù)間隔的時間將這些真彩色圖像順序播放成動畫，即實現(xiàn)了水污染過程中污染物的擴散演進模擬。

4.分析統(tǒng)計

突發(fā)水污染影響面廣，危害大，發(fā)展瞬息萬變，在污染發(fā)生后，需要根據(jù)污染物發(fā)展狀態(tài)制定應急方案，最大限度降低損失。使用三維圖形圖像技術(shù)模擬污染物運移和擴散可以為應急方案的制定提供直觀、形象和全景式的信息支持，但污染過程中的某些定量信息也很重要，例如對某個特定取水口的保護措施制定中，決策者需要了解的信息是取水口開始被污染的時間、污染物濃度達到峰值的時間以及水質(zhì)達標的時間，所以還需要提供污染信息的分析統(tǒng)計功能，主要包括定點污染統(tǒng)計和重度污染區(qū)影響統(tǒng)計分析。

定點污染統(tǒng)計：水面上某一確定點在污染事件發(fā)生后其污染物濃度的變化。這里可以直接對污染擴散模型計算出來的某個時間點的成果文件進行分析。實際計算時，在成果文件中找出定點所在的三角形，然后根據(jù)三角形頂點差值計算出定點的濃度值。利用這種方法計算出各個時間點的濃度值，按照時間序列繪制濃度變化曲線，從而可以直觀地看到定點水質(zhì)的變化過程，為應急方案制定提供定量的數(shù)據(jù)支持。

重度污染區(qū)影響統(tǒng)計分析：在特定時間點對Ⅳ類、Ⅴ類水影響區(qū)域進行分析統(tǒng)計，主要包括影響到的取水口、灌區(qū)和生態(tài)保護區(qū)等。首先，將濃度達到Ⅳ類水及其以上的網(wǎng)格點找到，獲取重度污染區(qū)域（不止一個），然后獲取各個區(qū)域的邊界 （由網(wǎng)格點組成），最后根據(jù)這些重度污染區(qū)域的邊界對保護對象進行篩選，即可得到該時間點被重度污染的保護對象。這些信息可以幫助決策者判斷污染事件的危害和影響程度，正確決策，盡可能降低重要保護目標的受污染程度。

5.基于視域的數(shù)據(jù)動態(tài)加載

水質(zhì)模擬過程中，網(wǎng)格點對內(nèi)存的耗費是不可忽視的。一個待模擬的網(wǎng)格點包括以下信息：經(jīng)度、緯度和顏色，經(jīng)度和緯度使用浮點數(shù)表示，顏色使用RGB值表示，故一個點占用28個字節(jié)，如果緯線和經(jīng)線的間隔都取為5m，對50km長、平均300m寬的河道進行剖分，一個時間點的數(shù)據(jù)需要占用16MB的空間，這樣大的數(shù)據(jù)量在兩幅圖像更替的時候必然導致畫面的延遲，然而水質(zhì)仿真需要達到平滑的顏色漸變效果，對實時性要求較高，是不允許出現(xiàn)延遲現(xiàn)象的。在系統(tǒng)運行過程中，人們能觀察到的是一個視域范圍內(nèi)的圖形圖像信息，視域外的信息對用戶沒有任何意義，于是考慮對網(wǎng)格點數(shù)據(jù)進行基于視域的動態(tài)加載和卸載：在圖像刷新的時候，判斷當前視域經(jīng)緯度的最大值和最小值，只有處于這個范圍內(nèi)的信息才被加載，反之則被卸載。通過這種數(shù)據(jù)動態(tài)加載的方法，實現(xiàn)了內(nèi)存使用量的降低，從而達到了畫面的流暢播放。獲取視域經(jīng)緯度范圍的關(guān)鍵代碼如下所示：

dc是3S集成平臺運行中的上下文對象，包含平臺當前的基本信息。

三、應用實例

松花江流域跨黑龍江省、吉林省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，匯入黑龍江后，經(jīng)俄羅斯注入太平洋。流域全長2214.3 km，流域面積 55.68萬 km2，流域總?cè)丝?5669 萬（2000年），位居長江、黃河之后，為我國第三大河，是我國重要的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源基地。隨著我國振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略的實施，松花江流域的工業(yè)經(jīng)濟得到了再次發(fā)展，但與此同時，突發(fā)水污染事故也頻頻發(fā)生，嚴重威脅流域內(nèi)人民生命財產(chǎn)安全，給國民經(jīng)濟造成了巨大的損失。如何及時應對和處理流域內(nèi)的突發(fā)水污染事件，保護取水口等重要目標，成為當前治理松花江流域污染的關(guān)鍵。

松花江突發(fā)水污染水質(zhì)時空分布模擬系統(tǒng)是利用現(xiàn)代網(wǎng)絡通信、計算機、信息管理技術(shù)，并借助3S集成平臺對水質(zhì)的時空分布信息進行展示，為應急決策的制定提供直觀且全方位的信息支持。系統(tǒng)主要模塊及功能見表1。

系統(tǒng)以JAVA語言開發(fā)，采用C/S模式，實現(xiàn)了對松花江干流突發(fā)水污染水質(zhì)時空分布情況的動態(tài)可視化模擬。假設位于“××”取水口上游5 km處，發(fā)生了油罐車翻車事故，有10m3油料進入河道，在水質(zhì)數(shù)學模型支持下模擬油膜的擴散、分散過程，經(jīng)系統(tǒng)模擬在翻車事故發(fā)生后的1小時9分鐘取水口附近水質(zhì)變?yōu)棰纛愃?，?小時42分鐘后水質(zhì)達到Ⅲ類水標準，從模擬圖像可以看出，污染物呈帶狀分布，濃團位于河流中間部分，污染區(qū)域逐漸變大，且有逐漸稀釋的趨勢，與實際情況相符。

表1 系統(tǒng)主要功能

四、結(jié) 論

本文分析了突發(fā)水污染的特點以及我國的研究現(xiàn)狀，闡述了傳統(tǒng)水污染仿真手段的不足——缺乏空間定位信息、脫離實際地貌，提出了基于3S集成平臺對污染物運移和擴散進行可視化展示的方法。實例研究表明，該方法形象直觀地展示了污染物遷移擴散過程，為檢驗污染模型的準確性提供了參考和依據(jù)，也為快速有效處置突發(fā)水污染事件提供了全新的思路和有力的技術(shù)支持。

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責任編輯 鄧淑珍

The research of sudden water pollution simulation based on 3 S integration

Yang Mingxiang,Xie Jiancang,LiJianxun，XieYufeng

This paper pointed out the problems that current water pollution research more confined to model development,and visualization work was weak.Then,it put forward a method of sudden water pollution simulation that based on 3S integration and discussed the river triangle melt,the discrete points concentration fitting,the data dynamic loading based on the horizon,and some key techniques.Simulated a sudden water pollution broke upstream a certain intake of songhua river.The conclusion show that this method can simulate the diffusion and transport process of pollutants better and provide the function of fixed-pointmonitoring,the basis for pollution model test and the comprehensive information support for emergencyplan formulation.

3Sintegration；3 Dvisuali zation；water pollution diffusion

國家863計劃資助項目(2006AA01A126)，國家自然科學基金資助項目（50979088）。

X522

A

1000-1123（2011）11-0012-03

2011-02-01

楊明祥，碩士研究生。