基于元胞自動(dòng)機(jī)的海洋溢油模型

滿苗苗, 柳 林, 2, 程 鵬, 魏國(guó)忠, 張 省

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基于元胞自動(dòng)機(jī)的海洋溢油模型

滿苗苗1, 柳 林1, 2, 程 鵬1, 魏國(guó)忠3, 張 省3

(1. 山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590; 2. 海島(礁)測(cè)繪技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266590; 3. 山東省國(guó)土測(cè)繪院, 山東 濟(jì)南 250102)

本文采用三維元胞自動(dòng)機(jī)模型, 對(duì)海洋溢油過(guò)程進(jìn)行了模擬, 對(duì)風(fēng)流、水流等水平方向的影響系數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。考慮了蒸發(fā)、垂直擴(kuò)散、岸邊附著、溶解、乳化等因子的影響, 并且引入乳化含水率將乳化因子進(jìn)行實(shí)際量化, 構(gòu)建了海洋溢油模型。并以“DeepSpill”的溢油實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行了模擬, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Kappa系數(shù)達(dá)到0.902, 與實(shí)際相比具有較好的一致性。本文對(duì)海洋溢油事故進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬, 為提出合理有效的應(yīng)急預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)。

元胞自動(dòng)機(jī); 海洋溢油; 模擬

2001年西班牙“威望”號(hào)油輪斷裂、2010年墨西哥灣石油鉆井平臺(tái)溢油事故[1-2], 對(duì)海洋生物、生態(tài)環(huán)境造成了巨大損失。利用元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)海洋溢油擴(kuò)散進(jìn)行模擬, 能夠更直觀、真實(shí)地顯示溢油的動(dòng)態(tài)變化。近年來(lái), 元胞自動(dòng)機(jī)在海洋溢油方面得到越來(lái)越多的關(guān)注。Karafyllidis[3]綜合了風(fēng)、流、蒸發(fā)等因素, 采用元胞自動(dòng)機(jī)研究了海洋溢油的運(yùn)動(dòng)和遷移[3]。王璐等[4]考慮了流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)等因素, 采用二維元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行了水體污染帶的模擬擴(kuò)散研究。沈敬偉等[5]將元胞自動(dòng)機(jī)與并行計(jì)算相結(jié)合, 綜合考慮了多種因素, 模擬了水體污染物擴(kuò)散。李維乾等[6]結(jié)合3S技術(shù)將智能體引入元胞自動(dòng)機(jī)模型, 進(jìn)行了水污染模擬仿真。盡管有眾多學(xué)者早已利用元胞自動(dòng)機(jī)研究海上溢油, 但考慮的影響因素不夠全面、影響系數(shù)比較復(fù)雜。因此, 本文綜合考慮了風(fēng)流、水流、蒸發(fā)、溶解、乳化、岸邊附著等影響因子, 對(duì)風(fēng)流、水流等影響系數(shù)進(jìn)行了改進(jìn), 構(gòu)建了海洋溢油模型。

1 元胞自動(dòng)機(jī)影響因子設(shè)定

本文不僅考慮了風(fēng)、流因子的作用, 還考慮了重力、浮力作用。另外綜合了岸邊附著、溶解、乳化等因子的影響。

1.1 風(fēng)流因子

風(fēng)、流是影響污染物擴(kuò)散的最重要因素, 用影響系數(shù)表示風(fēng)、流狀態(tài)下不同鄰域元胞對(duì)中心元胞的影響, 該系數(shù)的計(jì)算由兩部分組成:

假設(shè)風(fēng)速的方向?yàn)閺奈飨驏|, 則只有鄰域元胞(–1,,)對(duì)中心元胞(,,)產(chǎn)生影響, 此時(shí)在時(shí)風(fēng)產(chǎn)生的影響系數(shù)F中引入(,,)和(–1,,)處風(fēng)速的平均值, 并以該平均值與最大風(fēng)速的比值作為風(fēng)的影響系數(shù), 如公式(2)所示:

S為在時(shí)在某方向上水流產(chǎn)生的影響系數(shù),S修正為該方向上的水流速度與流域內(nèi)最大流速的比值。如公式(3)所示:

1.2 擴(kuò)散因子

1.3 蒸發(fā)

其中,Z為蒸發(fā)率, 其方程表述為:

1.4 岸邊附著

其中,為油濃度;為吸附常數(shù),m為最大吸附量,為吸附指數(shù)。

1.5 溶解

溢油過(guò)程中有一部分會(huì)溶解于海水, 溶解于海水的溢油質(zhì)量r的公式為:

1.6 溢油乳化

乳化含水率W(%)利用公式(10)計(jì)算:

2 溢油模型的構(gòu)建

元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automaton, CA)是定義在一個(gè)有限的、離散狀態(tài)的元胞空間上并按照一定的局部轉(zhuǎn)化規(guī)則, 在離散的時(shí)間維上演化的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)[12]。它由4部分構(gòu)成: 元胞、元胞空間、鄰域和狀態(tài)演化規(guī)則。用規(guī)則的幾何圖形將研究區(qū)域分為網(wǎng)格, 每一個(gè)網(wǎng)格就是一個(gè)元胞。所有的元胞按照一定規(guī)則排列組成的空間就是元胞空間。每個(gè)元胞都有自己的狀態(tài), 元胞的狀態(tài)是它周圍鄰域中的其他元胞的狀態(tài)共同作用決定的。鄰域類型一般有馮.諾伊曼鄰域[13](Von Neumann型)、摩爾(Moore)型、擴(kuò)展摩爾型[14]三種, 如圖1所示。狀態(tài)演化規(guī)則是元胞自動(dòng)機(jī)的核心, 是當(dāng)前狀態(tài)元胞進(jìn)行下一時(shí)刻元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)化的變換函數(shù)。

其中,是4個(gè)正方向的擴(kuò)散系數(shù);是4個(gè)斜角方向上的擴(kuò)散系數(shù), 且當(dāng)=0.16、=0.084時(shí)可得到最佳模擬效果。

考慮風(fēng)流對(duì)溢油的影響, 參照文獻(xiàn)[6]可將公式(11)修正為:

因此, 通過(guò)對(duì)以上各因子進(jìn)行分析, 綜合考慮構(gòu)建了海洋溢油模型, 其公式為:

圖1 鄰域類型圖

圖2 質(zhì)量傳遞圖

3 元胞自動(dòng)機(jī)擴(kuò)散模擬

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)選取

3.2 模擬結(jié)果

通過(guò)以上條件及演化規(guī)則得出模擬結(jié)果如圖3, 并與初始圖像、檢驗(yàn)圖像、對(duì)比圖像進(jìn)行對(duì)比, 其中對(duì)比圖像為彭曉鵑等[15]的結(jié)果。從圖4—圖6可以看出溢油的方向相同, 吻合度較高。溢油范圍向四周擴(kuò)散, 整體朝東南方向擴(kuò)散。與彭曉鵑等[15]實(shí)驗(yàn)中所得到的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比, 結(jié)果具有一定的改進(jìn)(圖7)。

圖3 模擬結(jié)果

圖4 初始圖像與模擬結(jié)果

3.3 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

模型構(gòu)建完成后需要進(jìn)行檢驗(yàn), 本文通過(guò)混淆矩陣[17]計(jì)算了CA模型的模擬精度, 并通過(guò)Kappa系數(shù)a[18]定量地檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M精度。

圖5 模擬結(jié)果與及檢驗(yàn)圖像

圖6 與檢驗(yàn)、初始圖像對(duì)比圖

圖7 與彭曉鵑實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

表1 精度模擬及Kappa系數(shù)

Tab.1 Accuracy simulation and kappa coefficient

4 結(jié)語(yǔ)

該模型模擬溢油的擴(kuò)散漂移, 不僅考慮了風(fēng)、流等因素, 而且考慮了溢油消失過(guò)程, 綜合了蒸發(fā)、乳化、溶解、岸邊附著等溢油行為, 可以更加準(zhǔn)確地模擬出溢油的時(shí)空變化過(guò)程。模擬了“Deepspill”海上溢油進(jìn)行驗(yàn)證, 實(shí)驗(yàn)表明模擬結(jié)果的總精度、Kappa系數(shù)均較高, 因此認(rèn)為該模型可以用來(lái)模擬海洋溢油的過(guò)程。

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(本文編輯: 李曉燕)

Marine oil spill model based on cellular automata

MAN Miao-miao1, LIU Lin1, 2, CHENG Peng1, WEI Guo-zhong3, ZHANG Sheng3

(1. Geomatics College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Qingdao 266590, China; 3. Shangdong Provincial Institate of Land Surveying and Mapping, Jinan 250102, China)

Based on the three-dimensional cellular automata model, this paper studies oil spill. The influence coefficients of the wind and flow in the horizontal direction are improved, in addition to considering the influence of evaporation and vertical diffusion in the vertical direction; the shore attachment, dissolution factor, and the emulsified water content parameters are ased in order to achieve a practical quantitative emulsifying factor. Based on the experiment “DeepSpill”, the simulation precision is considerably improved.

cellular automata; marine oil spill; simulation

Apr. 13, 2017

滿苗苗(1992-), 女, 山東濟(jì)寧人, 在讀碩士研究生, 研究方向: 地理信息處理及應(yīng)用, 電話: 13206427649, E-mail: 1509443062@qq.com; 柳林,通信作者, 副教授, 主要從事LBS、海洋GIS、智慧城市、3S集成等方面的研究, 電話: 0532-80681183, E-mail: liulin2009@126.com

X55

A

1000-3096(2017)09-0021-06

10.11759/hykx20170413003

2017-04-13;

2017-08-08

山東省自然科學(xué)基金(ZR2012FM015); 海島(礁)測(cè)繪技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2013B08); 衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(KLAMTA-201407)

[Shandong Provincial Natural Science Foundation, No.ZR2012FM015; the Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reed, State Bureau of Surveying, Mapping and Geoinformation, No.2013B08; the Key Laboratory of Satellite Mapping Technology and Application, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation , No. KLAMTA-201407]