硫化氫氣體模型海量時(shí)空數(shù)據(jù)的處理與可視化

郭紅燕，鄒立群，董文彤

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

硫化氫氣體模型海量時(shí)空數(shù)據(jù)的處理與可視化

郭紅燕，鄒立群，董文彤

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

鑒于在利用三維地形環(huán)境分析硫化氫氣體沿地形擴(kuò)散趨勢(shì)時(shí)，需解決該氣體擴(kuò)散模型在三維環(huán)境中的時(shí)空可視化問題，該文針對(duì)氣體擴(kuò)散模型數(shù)據(jù)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、硫化氫氣體濃度值的時(shí)空有效性等特點(diǎn)，首先對(duì)氣體擴(kuò)散模型建立八叉樹索引以壓縮數(shù)據(jù)，提高對(duì)海量模型數(shù)據(jù)體的訪問效率，其次，通過抽取模型下底面有效數(shù)據(jù)以及時(shí)空切片的方式，實(shí)現(xiàn)氣體模型海量時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化。該文研究成果可用于復(fù)雜山地高含硫氣田開發(fā)的事故分析。

硫化氫氣體擴(kuò)散模型；海量時(shí)空數(shù)據(jù)處理與可視化；三維環(huán)境應(yīng)急系統(tǒng)；數(shù)據(jù)壓縮；時(shí)空切片

0 引 言

在高含硫氣田開發(fā)中，最大的風(fēng)險(xiǎn)為硫化氫氣體的泄漏。氣體發(fā)生泄漏后受到地形、風(fēng)力、風(fēng)向等環(huán)境因素的影響進(jìn)行擴(kuò)散漂移，對(duì)人畜造成直接的危害，并可伴生次生的林火等災(zāi)難[1-3]。因此，只有準(zhǔn)確模擬出特定自然條件下高含硫氣體擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)才能做出精確度較高的事故影響分析。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高含硫氣體泄漏的擴(kuò)散范圍，對(duì)于及時(shí)確定事故危害目標(biāo)，規(guī)劃撤離路徑，調(diào)配可用資源，生成有效的應(yīng)急搶險(xiǎn)方案十分重要[4-5]。

如何在三維地形地貌的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)氣體擴(kuò)散模型的時(shí)空可視化，是復(fù)雜山地硫化氫擴(kuò)散分析系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。本研究中的氣體擴(kuò)散模型屬于體模型，它是應(yīng)用三維立體格網(wǎng)來直接描述地理場(chǎng)景，空間中的每一個(gè)格網(wǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)可測(cè)的屬性值[6-8]。同時(shí)氣體擴(kuò)散模型具有時(shí)態(tài)性，其時(shí)間軸與歐幾里德空間的三維坐標(biāo)軸共同構(gòu)成描述氣體擴(kuò)散模型的表達(dá)空間[6-8]。歐幾里德空間的三維體形狀多采用目前較為成熟的真三維顯示技術(shù)進(jìn)行可視化，而時(shí)間軸則按照時(shí)間序列借助動(dòng)畫技術(shù)表述地理數(shù)據(jù)的時(shí)間維[6-8]。

在本研究中，硫化氫氣體擴(kuò)散模型數(shù)據(jù)量巨大，需要大量的內(nèi)存空間與極高的處理速度，在目前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，響應(yīng)速度非常慢，嚴(yán)重制約了硫化氫擴(kuò)散分析中可視化的效果。本文要解決的問題之一是如何通過有效的數(shù)據(jù)處理減小數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)的響應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)時(shí)空維的可視化，并達(dá)到良好的可視化顯示效果。

本文對(duì)硫化氫氣體擴(kuò)散模型進(jìn)行了有效的數(shù)據(jù)體分析，根據(jù)其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、地形分布、有效值的分布等特點(diǎn)，提出了有效的研究區(qū)內(nèi)硫化氫氣體擴(kuò)散模型的數(shù)據(jù)處理與可視化方法。

1 硫化氫氣體擴(kuò)散模型數(shù)據(jù)分析

1.1 硫化氫氣體擴(kuò)散模型數(shù)據(jù)體分析

氣體擴(kuò)散模型是一個(gè)受多參數(shù)影響、數(shù)據(jù)量巨大的復(fù)雜數(shù)據(jù)體，針對(duì)研究區(qū)一個(gè)典型井噴或泄露事故，需考慮多種工況下的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。在本研究中對(duì)8個(gè)風(fēng)向3個(gè)風(fēng)速下46個(gè)時(shí)刻的氣體擴(kuò)散數(shù)值模擬結(jié)果序列進(jìn)行處理。氣體擴(kuò)散模型數(shù)據(jù)有以下4個(gè)特點(diǎn)。

①模擬數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與文件格式。數(shù)據(jù)的表示方式采用文本方式。每個(gè)文本文件第一行為字段名稱，第2行到尾都是數(shù)據(jù)。第1個(gè)字段，node number為格網(wǎng)點(diǎn)序號(hào)；第2個(gè)字段，x-coordinate為水平相對(duì)坐標(biāo)；第3個(gè)字段，y-coordinate為縱向(南-北)相對(duì)坐標(biāo)；第4個(gè)字段，z-coordinate為絕對(duì)高程坐標(biāo)；第5個(gè)字段，molef-h2s是硫化氫濃度值。

②采用相對(duì)地圖坐標(biāo)。整個(gè)格網(wǎng)坐標(biāo)為相對(duì)地圖坐標(biāo)，坐標(biāo)系的原點(diǎn)在格網(wǎng)左下角，井口位于坐標(biāo)系中間。氣體擴(kuò)散模型地圖坐標(biāo)X=(井口地圖坐標(biāo)X-井口相對(duì)坐標(biāo)X)+氣體擴(kuò)散模型X。每個(gè)井場(chǎng)不同工況的坐標(biāo)數(shù)據(jù)(IDXYZ)是一樣的，只是不同時(shí)刻每個(gè)點(diǎn)上的濃度不一樣。

③模擬數(shù)據(jù)追隨地形的特點(diǎn)。模擬數(shù)據(jù)是采用追隨地形坐標(biāo)系建立起來的，點(diǎn)的密度和地形相關(guān)。離地面越低點(diǎn)密度越大，離地越高點(diǎn)密度越稀。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定高度上限，就成了規(guī)則格網(wǎng)。對(duì)于同一口井各風(fēng)向，風(fēng)速數(shù)值模擬結(jié)果實(shí)際上采用的是完全相同的一組三維空間坐標(biāo)。

④數(shù)據(jù)值分布特點(diǎn)。每個(gè)文本數(shù)據(jù)量巨大，并有很多的無效值。對(duì)于氣體蔓延區(qū)域外的采樣點(diǎn)云以及某個(gè)高程以上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，氣體濃度值一直保持在0值。

以上是針對(duì)數(shù)據(jù)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、格式、坐標(biāo)特點(diǎn)、地形特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)量的總體分析。在此基礎(chǔ)上，下面本文進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)體有效值的分布情況進(jìn)行分析，在充分剖析數(shù)據(jù)特征情況下，制定有效的解決方案。

1.2 數(shù)據(jù)體時(shí)空有效性分析

對(duì)一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)體來說，它包括了井位坐標(biāo)、DEM、風(fēng)速、風(fēng)向及采樣時(shí)間5個(gè)獨(dú)立的標(biāo)志性參數(shù)，由這5個(gè)參數(shù)唯一確定一個(gè)數(shù)據(jù)體。在進(jìn)行模型數(shù)據(jù)體時(shí)空有效值結(jié)構(gòu)分析時(shí)，就是要考慮硫化氫氣體有效值的時(shí)空分布特點(diǎn)，確定模型數(shù)據(jù)體的有效值范圍。

具體方法是：①在5個(gè)參數(shù)條件下，結(jié)合生物危害高度等環(huán)境污染相關(guān)參數(shù)選擇x、y、z3個(gè)方向的空間坐標(biāo)范圍，確定空間統(tǒng)計(jì)條件，計(jì)算數(shù)據(jù)體在8個(gè)方位區(qū)域濃度統(tǒng)計(jì)特征，包括硫化氫濃度最大值、最小值、均值、數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)百分比(包含點(diǎn)數(shù)對(duì)總點(diǎn)數(shù)的百分比)等。②以硫化氫有毒氣體危害的化學(xué)濃度(濃度域值)為參考標(biāo)準(zhǔn)，在井場(chǎng)周圍一定空間范圍內(nèi)，硫化氫濃度滿足該閾值的為有效值，對(duì)于濃度低于該閾值的空間范圍全部作為無效值范圍，這樣就把原來的數(shù)據(jù)體壓縮為只包括有效值范圍的數(shù)據(jù)體，從而極大減少了數(shù)據(jù)的空間分布量。

以上是對(duì)數(shù)據(jù)體的空間分析。同樣，在時(shí)間維上，數(shù)據(jù)體為每30秒一次采樣的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，對(duì)井噴發(fā)生后關(guān)鍵時(shí)間范圍的數(shù)據(jù)體進(jìn)行數(shù)據(jù)空間壓縮，剔除掉數(shù)據(jù)體空間分析中有效值區(qū)域數(shù)據(jù)點(diǎn)百分比達(dá)到10%以下的采樣時(shí)間數(shù)據(jù)體。

2 氣體模型數(shù)據(jù)體的處理與展示

通過上文中對(duì)擴(kuò)散模型數(shù)據(jù)體分析，本研究提出了解決氣體擴(kuò)散模型海量數(shù)據(jù)體傳輸效率的壓縮以及時(shí)空展示方法，該方法流程如圖1所示。

圖1 氣體擴(kuò)散數(shù)值模擬數(shù)據(jù)處理流程

2.1 氣體擴(kuò)散模型海量數(shù)據(jù)體的壓縮

(1)氣體擴(kuò)散模型下底面數(shù)據(jù)抽取

進(jìn)行有毒氣體模型數(shù)據(jù)體近地表的下底面抽取。根據(jù)有毒氣體擴(kuò)散對(duì)人的危害程度的需求分析，可知人是在距離地面一定高度接觸氣體的，因此，對(duì)數(shù)據(jù)的分析的重點(diǎn)是距地面一定高度的氣體濃度數(shù)據(jù)，即離地面一定高度的濃度的等值線。由于模擬數(shù)據(jù)是采用追隨坐標(biāo)系來模擬的，可以利用原始數(shù)據(jù)的高度減去地表的高程值，得到數(shù)據(jù)相對(duì)高度的濃度分布。

(2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

將地圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度的坐標(biāo)。

(3)建立八叉樹索引

利用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)減少數(shù)據(jù)量。對(duì)于海量四維點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)，建立八叉樹索引文件，將一個(gè)井場(chǎng)一個(gè)風(fēng)速風(fēng)向的所有數(shù)據(jù)壓縮成一個(gè)文件，減小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，便于后續(xù)計(jì)算。

其中，建立八叉樹索引的處理流程如下：八叉樹細(xì)分過程可以用一棵度為8的樹來表示。將指定的三維空間區(qū)域分成8個(gè)卦限，且在樹上的每個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)處存儲(chǔ)8個(gè)數(shù)據(jù)元素(體素)。每個(gè)元素都是一個(gè)小的立方體，稱為體元，其對(duì)應(yīng)的三維空間稱為體素。在三維空間中，如果一個(gè)體素是空的，則該體元的類型用NULL表示：如果一個(gè)體素中的實(shí)體是同一種類型，我們就把它稱為均質(zhì)的，否則稱為非均質(zhì)的。對(duì)于一個(gè)非均質(zhì)的體素，必須把它再分成更小的8個(gè)卦限，節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的體元指向樹中的下一層節(jié)點(diǎn)。

我們可以對(duì)以任何形式定義的物體建立生成八叉樹的算法。利用物體的最大和最小坐標(biāo)值，圍繞該物體定義一個(gè)平行六面體(包圍盒)，把它分解成8個(gè)子立方體，并對(duì)立方體依次編號(hào)。再對(duì)包含物體的三維空間區(qū)域逐個(gè)卦限測(cè)試，如果子立方體已經(jīng)是均質(zhì)的，則該子立方體可停止分解；否則，需要對(duì)該立方體作進(jìn)一步分解，再分為8個(gè)子立方體，直至滿足所規(guī)定的條件為止[9-10]。

圖2 建立八叉樹索引流程圖

算法步驟如圖2所示：①讀入格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算格網(wǎng)點(diǎn)的外廓范圍：Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，Zmax，Zmin，利用該外廓范圍形成一個(gè)空間立方體包圍所有格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

②將空間立方體格網(wǎng)化，若數(shù)據(jù)太少可采用插值方法進(jìn)行網(wǎng)格插值。

③初始化八叉樹的根結(jié)點(diǎn)。用一個(gè)鍵表把所有點(diǎn)連接起來作為八叉樹的根結(jié)點(diǎn)鍵表，同時(shí)記下該外接空間立方體的8個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。

④通過遞歸創(chuàng)建八叉樹：先計(jì)算出以該立方體中點(diǎn)，將該立方體分成8個(gè)子立方體，并令8個(gè)子立方體為該樹的8個(gè)子節(jié)點(diǎn)。把該樹的根結(jié)點(diǎn)的鍵表上的點(diǎn)分到8個(gè)子節(jié)點(diǎn)，形成8個(gè)子鍵表，判斷每一個(gè)子鍵表上是否有點(diǎn)。若沒有，則令該子樹的flag=0，否則，判斷每一個(gè)子鍵表上的點(diǎn)屬性是否相同。若相同，則令該子樹的flag=1，否則，則令該子樹的flag=2。接下來判斷如果該子樹的flag=0，用底色填充。如果該子樹的flag=1，則該子樹用它的屬性值填充；如果該子樹的flag=2但滿足終止條件，則用該子樹的屬性值填充；如果該子樹的flag=2 且不滿足終止條件，則重復(fù)①，直到每一個(gè)立方體的flag=0 或flag=1 或滿足終止條件為止。

2.2 氣體擴(kuò)散模型海量數(shù)據(jù)體的時(shí)空展示

(1)數(shù)據(jù)規(guī)則格網(wǎng)化

把非規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則格網(wǎng)化，生成時(shí)間切片，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字地球平臺(tái)可展現(xiàn)的形式。根據(jù)八叉樹索引文件按離地特定高度切片，切片插值方法保證渲染的真實(shí)性。根據(jù)不同濃度范圍分層設(shè)色，生成PNG圖片，便于三維渲染。

輸入給定的高度值H，確定建立規(guī)則格網(wǎng)的分辨率resolution。 根據(jù)八叉樹文件中記錄的立方體范圍，確定格網(wǎng)原點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)，用倒距離加權(quán)法內(nèi)插出格網(wǎng)點(diǎn)的濃度值。其中，距離倒數(shù)加權(quán)法的基本思想是：假設(shè)在x-y平面上有一離散的空間數(shù)據(jù)點(diǎn)集{(xi，yi，zi)|i=1，2…，N}，離散點(diǎn)(xi，yi，zi)在平面上的投影記為Di，則平面上任何一點(diǎn)P(x,y)上之所以有一值Z，是由于已知離散點(diǎn)Di上的高程值z(mì)i影響的結(jié)果。每個(gè)Di上的z值對(duì)點(diǎn)(P(x,y)上的值的影響不同，即離P點(diǎn)近的點(diǎn)，其值對(duì)P點(diǎn)的影響大，離P點(diǎn)遠(yuǎn)的點(diǎn)，其值影響就小。把各點(diǎn)對(duì)于P點(diǎn)z值的影響值加起來就是P點(diǎn)上的z值，即數(shù)據(jù)點(diǎn)z值按與P點(diǎn)的距離加權(quán)平均，距離小的權(quán)值大，距離大的權(quán)值小。

(2)濃度等值線跟蹤

對(duì)于上一步生成的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行等值線跟蹤，生成100PPM濃度等值線。不同濃度的硫化氫氣體對(duì)于人體的危害不同，100PPM是一個(gè)危害臨界值，高于此濃度的硫化氫氣體對(duì)于人體危害巨大，因此需要得到100PPM以上濃度的氣體范圍，以確定硫化氫氣體擴(kuò)散中的高危區(qū)域。等值線以KML格式進(jìn)行保存，便于在三維數(shù)字地球平臺(tái)上的解析渲染，為危害目標(biāo)查詢提供查詢范圍，輔助后續(xù)事故決策。

(3)預(yù)生成時(shí)空切片模擬展示氣體擴(kuò)散模型

在氣體擴(kuò)散數(shù)值模擬模型數(shù)據(jù)體三維展示中，采用了時(shí)空切片預(yù)生成以及調(diào)用快速模型兩種方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與調(diào)度。圖3為氣體擴(kuò)散模型三維展示流程。如圖所示，首先輸入風(fēng)速、風(fēng)向及高度等氣象、模擬參數(shù)，在服務(wù)器端調(diào)用動(dòng)態(tài)庫，生成離地1m距離范圍的不規(guī)則數(shù)據(jù)體。然后對(duì)生成數(shù)據(jù)重采樣為規(guī)則數(shù)據(jù)體，生成3個(gè)風(fēng)速8個(gè)風(fēng)向的0.5m、1.0m、1.5m、2.0m濃度柵格圖，保存為PNG格式。按八叉樹目錄索引進(jìn)行檢索，以圖片方式直接疊加到客戶端三維地形上。利用時(shí)間控制每30s刷新一次，展示分時(shí)動(dòng)態(tài)空間維切片。第二種方式是實(shí)時(shí)讀取壓縮數(shù)據(jù)體，調(diào)用氣體擴(kuò)散快速模型動(dòng)態(tài)庫，根據(jù)用戶輸入?yún)?shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，得到某地點(diǎn)特定條件下某一時(shí)刻的高含硫天然氣擴(kuò)散范圍及濃度范圍，并在三維平臺(tái)上進(jìn)行分層渲染。同時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行等值線跟蹤，生成H2S濃度等值線，為危害目標(biāo)查詢提供查詢范圍。

圖3 氣體模型數(shù)據(jù)切片參數(shù)設(shè)置及模型展示

3 研究區(qū)試驗(yàn)

基于本文提出的對(duì)海量氣體擴(kuò)散模型下底面有效數(shù)據(jù)的收取以及八叉樹索引的建立，大幅度地提高了數(shù)據(jù)的壓縮比率。本研究選擇了龍崗高含硫氣田A井位的八風(fēng)向、風(fēng)速3m/s的所有時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)。其中下底面抽取使用的DEM數(shù)據(jù)的空間分辨率為25m。試驗(yàn)中，首先對(duì)數(shù)據(jù)建立八叉樹索引文件，包括氣體擴(kuò)散模型下底面抽取，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及八叉樹索引。其中輸入數(shù)據(jù)：A井單個(gè)工況的數(shù)據(jù)，包括該工況條件下的所有時(shí)間序列二進(jìn)制文件。單個(gè)時(shí)刻的文件大小為14.8兆，文件總共大小約為552兆。輸出數(shù)據(jù)：該工況的八叉樹索引文件，文件大小約為6兆。壓縮比約為92∶1。

對(duì)壓縮后的氣體擴(kuò)散模型數(shù)據(jù)，采用時(shí)空切片預(yù)生成技術(shù)，生成切片序列以及濃度等值線KML。其中輸入數(shù)據(jù)為已生成好的八叉樹索引文件。輸出文件為png圖片序列、圖片地理坐標(biāo)文本文件以及等值線kml文件。數(shù)值模擬數(shù)據(jù)切片圖片如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)切片結(jié)果

對(duì)氣體擴(kuò)散的數(shù)值模擬的切片數(shù)據(jù)在三維數(shù)字地球環(huán)境中進(jìn)行顯示，每一時(shí)刻數(shù)據(jù)切片疊加到三維地形上并以時(shí)間維進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，效果如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果切片三維顯示

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在三維環(huán)境中的硫化氫氣體擴(kuò)散數(shù)據(jù)模型可視化系統(tǒng)，極大地提高了氣體擴(kuò)散模型海量數(shù)據(jù)體的傳輸效率，同時(shí)采用時(shí)空切片預(yù)生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)模型數(shù)據(jù)體的時(shí)空可視化，在三維環(huán)境中展示硫化氫氣體沿三維地形的擴(kuò)散范圍、趨勢(shì)與濃度分布，取得了良好的效果。本文在優(yōu)化時(shí)空數(shù)據(jù)的表達(dá)方式上還有待于更進(jìn)一步深入研究，使其更方便準(zhǔn)確適用于動(dòng)態(tài)過程的時(shí)空表達(dá)與應(yīng)用。

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Spatio-temporal Processing and Visualization of Massive Data of H2S Gas Diffusion Mode

GUO Hong-yan，ZOU Li-qun，DONG Wen-tong

(ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development，Beijing100083)

Numerical simulation model of H2S gas diffusion is used to analyse affected range of toxic gas，which is released in the well-blowout accidents during the exploration of high-sulfur oilfield in the complex mountain regions.It is necessary to integrate the model with 3D environmental emergency system in order to learn diffusion trend of the toxic gas along the terrain.To solve technical difficulties in system integration，this paper firstly analyses the features of dataset of the gas model，such as data structure，distribution of effective concentration value with time and space.In this research octree compression is used to improve the efficiency of data access.At the same time，the ground data of gas diffusion model is extracted and cut into temporal and spatial chips in order to display its four-dimensional characteristics.

model of H2S gas diffusion；spatio-temporal processing and visualization of massive model dataset；3D environmental emergency system；data compression；temporal and spatial chips

2014-09-24

2014-11-15

郭紅燕(1969—)，女，博士，主要研究方向?yàn)槭瓦b感應(yīng)用。

E-mail：guohy01@petrochina.com.cn

10.3969/j.issn.1000-3177.2015.05.020

TP391

A

1000-3177(2015)141-0132-05