三維繪圖軟件Voxler在水質(zhì)分析數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

張景華，邵景力，崔亞莉，張世輝

（1.中國地質(zhì)大學(xué) 水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.華北電力大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，河北 保定 071003）

三維繪圖軟件Voxler在水質(zhì)分析數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

張景華1，邵景力1，崔亞莉1，張世輝2

（1.中國地質(zhì)大學(xué) 水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.華北電力大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，河北 保定 071003）

使用Voxler三維數(shù)據(jù)成圖軟件對大量的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形象地展示了化學(xué)物濃度等要素的空間分布情況，分析了污染物的擴(kuò)散規(guī)律。此項(xiàng)技術(shù)為水質(zhì)分析與研究工作提供了可視化的科學(xué)依據(jù)。

Voxler；三維可視化；數(shù)據(jù)處理；水質(zhì)分析

在水資源（地表水或地下水）的水質(zhì)監(jiān)測工作中一般會得到大量的實(shí)測數(shù)據(jù)。水質(zhì)數(shù)據(jù)的普遍特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量較大、種類復(fù)雜，因此如何在大量繁雜無章的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)水質(zhì)粒子的分布和遷移規(guī)律、如何更好地處理并展示數(shù)據(jù)結(jié)果，是水質(zhì)評價、決策分析，采取防污措施等一系列相關(guān)工作的重要環(huán)節(jié)。

水質(zhì)分析數(shù)據(jù)處理的傳統(tǒng)方法是利用微軟公司推出的辦公軟件Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與管理，通過在Excel表格里建立數(shù)據(jù)模板，調(diào)用函數(shù)或公式進(jìn)行數(shù)據(jù)的對比、匯總、運(yùn)算、繪圖等操作［1］。Excel表格處理法一般適用于數(shù)據(jù)量較少的情況，其繪圖效果欠佳。專業(yè)的水化學(xué)分析繪圖軟件以美國ESRI公司開發(fā)的Aquachem及Golden Software公司開發(fā)的Surfer、Grapher等軟件為主。Aquachem可以對二維水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及生成相關(guān)報表，最終生成piper圖、餅圖、Stiff圖、X-Y散點(diǎn)圖等。 Surfer［2］和Grapher也同樣是二維數(shù)據(jù)處理軟件，均可以表示水化學(xué)離子的濃度分布等。它們的共同缺點(diǎn)是只能存儲二維數(shù)據(jù)，生成的結(jié)果分析圖也只限于平面，對于三維空間上水質(zhì)數(shù)據(jù)的處理顯得力不從心。

隨著計算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測或水化學(xué)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)處理開始面向三維化、可視化。常見的三維可視化軟件如GOCAD、Inventor等，因操作復(fù)雜、成圖緩慢等原因造成了在應(yīng)用方面的局限性。針對上述局限性本文將三維數(shù)據(jù)處理軟件Voxler應(yīng)用于水質(zhì)分析的數(shù)據(jù)處理中，并取得了較好效果。與其他繪圖軟件相比，該軟件以界面友好、成圖快捷、三維可視著稱［3］；其強(qiáng)大的繪圖與可視功能可以應(yīng)用于水質(zhì)數(shù)據(jù)的展示、處理、分析、成圖等方面，在水質(zhì)數(shù)據(jù)處理與水質(zhì)評價工作中發(fā)揮了獨(dú)特優(yōu)勢。

1 Voxler簡介

鑒于目前Voxler在國內(nèi)水質(zhì)分析領(lǐng)域中的應(yīng)用仍為空白且業(yè)內(nèi)人士對Voxler的使用較少，需對該軟件的基本功能和主要模塊做出介紹。

1.1 基本功能

Voxler 1.0是Golden Software公司推出的三維可視化科學(xué)制圖軟件。Voxler是該公司之前推出的在地質(zhì)、水利、氣象等行業(yè)中廣泛應(yīng)用的等值線繪制軟件Surfer的姊妹篇，是Surfer在三維空間領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展與應(yīng)用。

Voxler［3］界面友好、簡單易學(xué)，主要功能面向體積渲染和三維數(shù)據(jù)展示。該軟件繼承了Surfer的等值線基本繪制功能，還能展示流線圖、矢量圖、等值線圖、等值面圖、圖像切面圖、正射影像圖、散點(diǎn)分布圖、體積渲染圖等。Voxler能夠根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)真實(shí)地展示三維圖像，圖像能夠隨著鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)以任何角度顯示；其精確的數(shù)據(jù)分析與形象的圖形展示功能可以應(yīng)用到水質(zhì)數(shù)據(jù)的處理和分析中。

1.2 識別數(shù)據(jù)類型

Voxler對數(shù)據(jù)的兼容性良好，支持多種散點(diǎn)數(shù)據(jù)文件（文件類型可以是txt、xls、dat、csv等），實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快捷導(dǎo)入。 散點(diǎn)數(shù)據(jù)文件中包括多個三維位置點(diǎn)，每個位置點(diǎn)對應(yīng)一個數(shù)據(jù)值；數(shù)據(jù)按行存儲，每一行有4列，分別表示三維坐標(biāo)點(diǎn)p（x，y，z）和坐標(biāo)點(diǎn)處的屬性值f（x，y，z）。

1.3 主要模塊

Voxler的模塊庫中包括4個功能模塊：示例模塊，即該軟件自帶的教學(xué)繪圖范例，作為繪圖時輔助參考；通用模塊，用來設(shè)置軟件界面的顯示屬性，如自定義示圖區(qū)的背景顏色、亮度等；計算模塊，用來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)源的篩選、網(wǎng)格化插值等計算功能；圖形輸出模塊，用來生成三維效果圖，以圖形的方式展示原始數(shù)據(jù)。在實(shí)際繪圖中主要應(yīng)用的是Computational（計算模塊）和Graphics Output（圖形輸出模塊），在表1及表2中分別列舉了這兩種模塊的主要功能。

表1 計算模塊主要功能

表2 圖形輸出模塊主要功能

所有的模塊均是通過Netword管理網(wǎng)絡(luò)（見圖1）統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)連接的。Netword管理網(wǎng)絡(luò)也稱“數(shù)據(jù)流”模型。

圖1 Netword管理網(wǎng)絡(luò)

2 Voxler在水質(zhì)分析中的應(yīng)用

本實(shí)例利用Voxler處理水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行了相關(guān)的水質(zhì)分析和評價。軟件生成的三維圖形清晰地展示了水質(zhì)粒子或污染物質(zhì)的空間分布狀況與擴(kuò)散范圍，充分體現(xiàn)了Voxler強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和圖形智能分析功能。

2.1 實(shí)例概述

某地區(qū)由于化工廠的污水排放，大量含有氯化物的污水流入該地區(qū)的水域中，并通過水量交換，影響到了整個水系。為了監(jiān)測該區(qū)水系的的氯化物含量，建立1個水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)，共布設(shè)10條監(jiān)測垂線，每條垂線上分別設(shè)10個采樣點(diǎn)，總共100個采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)的空間布置示意圖，見圖2。

圖2 采樣點(diǎn)的空間布置示意圖

2.2 操作流程及成果圖展示

本例中利用Voxler對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形處理按照以下3個步驟：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出。操作流程見圖3。

圖3 實(shí)例操作流程圖

2.2.1 數(shù)據(jù)輸入

數(shù)據(jù)輸入即導(dǎo)入Voxler識別的數(shù)據(jù)文件，這是三維成圖的第1步。Voxler識別多種數(shù)據(jù)類型，在本例中使用的文件類型為Excel文件。

首先需要準(zhǔn)備水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，將10條監(jiān)測線上各采樣點(diǎn)的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并保存為Voxler識別的數(shù)據(jù)格式（Excel文件）。然后運(yùn)行File→Lodedata，將整理好的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Network管理網(wǎng)絡(luò)窗口。數(shù)據(jù)文件位于管理網(wǎng)絡(luò)的最高層，作為繪圖的基礎(chǔ)和依據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)導(dǎo)入后需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理。對導(dǎo)入的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是圖形繪制的關(guān)鍵和核心。

在本例中調(diào)用Computational（計算模塊）中的Gridder（網(wǎng)格化模型）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即對導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化插值計算。網(wǎng)格化的目的是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，由空間分布不均勻的離散數(shù)據(jù)生成空間分布規(guī)則的三維網(wǎng)格狀數(shù)據(jù)矩陣。所有的三維圖形均是基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)矩陣生成的，因此對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化插值計算是精確制圖的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)處理包括3個操作內(nèi)容：選擇計算模塊、模塊數(shù)據(jù)連接、設(shè)置模塊顯示屬性。首先運(yùn)行 Create→Computational→Gridder在Network管理網(wǎng)絡(luò)窗口添加 Gridder模型，將其與上一步導(dǎo)入的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。對Gridder模型進(jìn)行屬性設(shè)置，如選擇合適的插值方法（本例使用的是克里格插值）、指定網(wǎng)格數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

2.2.3 數(shù)據(jù)輸出

數(shù)據(jù)輸出的實(shí)質(zhì)是基于原始數(shù)據(jù)的三維圖形展示。在本例中通過調(diào)用Graphics Output（圖形輸出模塊）中的Isosurface（等值面）、Contour（等值線）、OrthoImage（正射影像圖）和VolRender（體積渲染圖）子模型，對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制。

2.2.3.1 繪制濃度等值面圖

等值面可以清晰地反映出具有相同屬性值的粒子在三維空間的整體特征。相同數(shù)值的點(diǎn)連接成的面即為等值面。

本例中以Gridder模型生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，在Network管理網(wǎng)絡(luò)窗口中添加Isosurface（等值面）模型，并與Gridder模型相連接；最后設(shè)置該等值面模型的屬性，在本例中將等值面的屬性值設(shè)為250 mg/L。最終效果見圖4。

圖4 濃度值為250 mg/L的等值面

圖4反應(yīng)了濃度值為250mg/L的氯化物在該水域范圍內(nèi)的整體分布特征。根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》［5］相關(guān)規(guī)定，飲用水中的氯化物不能超過250mg/L。以圖中所示的等值面為界，可以判定出局部水體中氯化物的含量是否超標(biāo)，定性分析出該水域的水質(zhì)污染狀況。

2.2.3.2 繪制三向切面正射影像圖

正射影像圖反映的是在某一投影平面上的數(shù)據(jù)屬性值的變化特征。在本例中分別選取XY平面、XZ平面及YZ平面，在此三向切面上分別做氯化物的濃度分布影像圖。

以Gridder模型生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，在Network管理網(wǎng)絡(luò)窗口中依次添加3個方向的OrthoImage（正射影像圖）模型，并分別與Gridder模型相連接。最后設(shè)置影像圖的屬性，如顏色等級、顏色比例尺的顯示。最終效果如圖5所示：切面影像圖可以清晰直觀地反映出沿著水體不同深度、寬度和長度的氯化物濃度分布特征。切面方向和位置可以任意選取。

圖5 三向切面上的濃度影像圖

2.2.3.3 繪制體積渲染圖

體積渲染圖指根據(jù)數(shù)據(jù)屬性值的差異性對三維空間體積進(jìn)行顏色渲染，不同數(shù)值區(qū)間的體積范圍被填充為不同的顏色。

本例中繪制體積渲染圖同樣是以Grider模型生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，通過調(diào)用GraphicsOutput（圖形輸出模塊）中的VolRender（體積填充圖）模型來實(shí)現(xiàn)。最終效果如圖6所示：體積渲染圖展示了一定區(qū)域范圍內(nèi)氯化物濃度的三維空間分布特征。

圖6 濃度的體積渲染圖

分析該圖形可得到以下結(jié)論：

（1）左邊顏色圖例反映了氯化物濃度值的范圍，顏色越深代表污染物的含量越高。由顏色圖例可以看出，很多水域中氯化物的含量高于250mg/L，由于我國關(guān)于生活飲用水的衛(wèi)生規(guī)定為氯化物濃度不能超過250mg/L［5］，所以該水域中很多水體不符合飲用標(biāo)準(zhǔn)。

（2）右邊體積渲染圖具有在三維空間中顏色漸變的現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)反映了溶質(zhì)在不同流向、流速等因素影響下的擴(kuò)散作用?？山璐伺袛辔廴疚锏膶訝顢U(kuò)散規(guī)律并推斷未知水體范圍的污染物的擴(kuò)散趨勢。

（3）右邊體積渲染圖中有兩個位置點(diǎn)的顏色最深，說明氯化物濃度最高?？山璐顺醪脚袛喑鲈撍虻奈廴驹搭愋蜑辄c(diǎn)污染源、污染源的具體位置分別位于三維空間坐標(biāo)點(diǎn)p1（10，12，12）和p2（16，40，24）兩處。

3 結(jié)語

Voxler強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、三維圖形繪制功能、圖形分析功能，在水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及水質(zhì)分析評價工作中發(fā)揮了獨(dú)特優(yōu)勢。其生成的散點(diǎn)圖、等值面圖、切面影像圖、體積渲染圖等眾多圖像能夠真實(shí)地在三維空間內(nèi)展現(xiàn)水質(zhì)采樣點(diǎn)的空間布設(shè)位置、水化學(xué)粒子的濃度空間分布特征、水化學(xué)粒子的濃度值隨水體不同深度、寬度、長度的變化規(guī)律及污染物在整個水域的運(yùn)移擴(kuò)散趨勢等。該軟件以體積渲染圖為重要應(yīng)用手段，通過分析體積渲染圖，可以較容易判斷出污染源或污染較嚴(yán)重水域的地理位置，為進(jìn)一步采取有效措施（如在水域污染嚴(yán)重點(diǎn)采取水質(zhì)集中處理等措施）提供科學(xué)的可視化依據(jù)。

Voxler為處理和分析大量的水質(zhì)數(shù)據(jù)提供了捷徑，這一優(yōu)勢是其他數(shù)據(jù)處理軟件難以比擬的。此技術(shù)簡化了數(shù)據(jù)的處理過程、成圖快捷直觀，在輔助工作人員做出正確的水質(zhì)分析評價并采取有效的防污控制措施等方面起到了重要作用。

［1］李婧，鄧朝祥.Excel 在水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用［J］.分析測試技術(shù)與儀器，2005，11（2）：128-132.

［2］朱慶俊，李風(fēng)哲.SURFER軟件在地球物理資料處理中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2007，31（3）:254-256.

［3］劉慧鵬，李文堯.Voxler在EH4數(shù)據(jù)資料成圖中的應(yīng)用［J］.云南地質(zhì)，2010，29（1）：98-101.

［4］GB 5749—2006，生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］.

Applications of Three-dimensional Drawing Software Voxler in the Data Processing
of Water Quality Analysis

ZHANG Jing-hua1，SHAO Jing-li1，CUI Ya-li1， ZHANG Shi-hui2
（1.College of Resources and Environmental， China University of Geosciences， Beijing 100083，China;
2.College of Mathmatics and Physics， North China Electric Power University， Baoding 071003， China）

Using of three-dimensional drawing software Voxler to process a large number of measured data of water quality，displaying the image of the concentration of chemical elements and analysing the discipline of pollutant dispersion in space.The technique provides a visual scientific foundation for the water quality research.

Voxler;three-dimensional visualization;data processing;water quality analysis

P333

A

1672-9900（2011）03-0032-03

2011-03-26

張景華（1987—），女（漢族），河北保定人，碩士，主要從事水資源管理與評價研究，（Tel）15210837827。