突发性水污染事故影响范围的三维模拟

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摘要

  0 引言

  水污染事件是指大量含有高浓度污染物的液体或者固体进入水体,使某一水域的水体遭受污染,从而降低或失去使用功能并产生严重危害的现象。 突发性水污染事件一般是指人为或者自然灾害引起,使污染物在短期内恶化速率突然加大的水污染现象。 近年来,我国接连发生多起重大突发性水污染事故,不仅造成了巨大的经济损失,更造成了社会的不安定和生态环境的严重破坏。 突发性水污染事故已经成为用水安全和水环境质量的一个潜在威胁。 其中较为重大的典型事件为广东北江镉污染事件、辽宁浑河抚顺段水质酚浓度超标事件、广西红水河天峨段水质污染事件、湖南湘江株洲和长沙段镉污染事件等这些事件均对饮用水源地安全造成直接影响。 由此可见,突发性水污染事件已经成为威胁水源地安全的最主要因素,它有可能在短时间内迅速影响城市供水系统,直接威胁人群健康; 它造成的城市停水等事件又可能对一个城市社会经济系统造成重大影响,并引发重大社会问题。 然而在应对突发性水污染事故方面,传统的环境管理方式仅能监测特定地点的、当时的水质状况,发布监测到的水质数据; 而分析计算、预警预报的手段很有限,自动化水平比较低,在允许的工作量下,无法准确描述管理范围内任意地点的水质状况,无法准确把握水质未来数日的走向趋势,无法使发布的数据直观、简便地为大众理解。 虚拟现实技术对于目前而言还是一项较为新兴的技术,而此技术在应急事件推演中应用才刚刚开始,就已经体现出其明显的优势。 其主要体现在两个方面。

  一方面是有一种真实感和全新交互体验。 这种真实的感受是其它任何一种非仿真模型展示手段所不具备的,是对现实的虚拟仿真以及对现实中并不存在的事件进行虚构。 另一方面也可以对突发事件预案的处理流程进行检验和优化。 也是传统的模拟江河等水资源污染推演模拟无法比拟的(如图 1 所示) .

  1 虚拟现实地理信息系统的研究价值与意义

  虚拟现实地理信息系统(Virtual RealityGeographical Information System ,VRGIS) ,是地理信息系统与虚拟现实技术相结合的产物,是目前地理信息系统和虚拟现实技术研究的热点和前沿方向之一,它具有传统 GIS 系统所具有的空间数据的存储、处理、查询和分析等功能,只是将VR 技术作为主要的用户界面和交互方法。 在虚拟现实地理信息系统中,地理实体的三个基本特征是空间、时间和属性。 因此 ,地理实体的变化要从空间语义、时间语义以及属性语义进行描述。 空间刻画了地理实体的空间位置,空间分布与空间相关性。 时间语义通过事件序列来表达,也就是说,事件是地理实体变化的源泉,事件的发生导致实体状态的不断改变 ,而这种改变涵盖了实体变化的各个方面,包括对象状态的改变、空间位置的改变、对象属性的改变以及对象的演变等. 因此,通常采用记录事件发生的时间、发生的地点、作用的对象、发生的事件以及导致的变化几个方面,即采用记录事件五要素: 时间、地点、对象、事件、量变的方式。 包括地理实体的变化时可以在特定的事件五要素中能识别和访问一系列事件。

  2 虚拟现实地理信息系统特征及地理对象模型

  VRGIS 具有以下几个方面的特征: (1) 空间数据的真实表现; (2) 用户可从任意角度进行观察、浸入、实时交互,可在所选择的地理范围内外自由移动; (3) 具有基于三维空间数据库的基本GIS 功能; (4) 可视化部分作为用户接口的一个完整的部分. 虚拟现实技术的应用为地球信息科学提供了一种崭新、灵活、交互的方式去表达真实世界中的各种地理现象和地理过程,而地理信息系统技术为虚拟现实所构建虚拟世界增强用户利用 GIS 的分析功能,VRGIS 也是对现实环境对象进行仿真定义与操作,不同地理空间对象在虚拟空间中可以具有不同特性 (如颜色、材质或纹理). 它是一个动态的虚拟信息空间,其变化不仅在时序上,而且更体现于地理对象之间交互变化,当修改某个地理对象的特性时,可能会对它所处的环境产生影响,改变与它存在特定关系的其它对象的状态,从而改变整个虚拟环境。 它们之间的变化是通过事件属性描述定义的,即当对象的事件属性的属性值发生改变时,会自动触发事先定义在该属性上的事件。 基于该基理,地理对象模型分为 8 个基本元素: 对象标识、时间信息、空间信息、事件信息、关系属性、外观属性、事例属性和一般属性。 其中对象标识是识别该地理对象和数据库用来管理对象的唯一标识符。 因而利用 Unity3d 这款全面整合的专业引擎可以让开发者轻松创建诸如三维真实环境、建筑可视化、实时三维动画等多种类型相结合的跨多平台虚拟现实的综合型开发工具。

  3 水污染突发事件系统的需求分析

  虚拟现实地理信息系统应具有分析突发性水污染事故的分类、特点与危害等功能. 因突发性水污染事故具有不确定性、危害紧急性、需快速有效响应性三大特征; 并在统计分析既往发生的突发性水污染事故案例基础上,从污染事故的风险源、污染事故的污染物种类、发生污染事故主体的薄弱环节三方面对突发性水污染事故风险进行分析; 该系统应用采用一维水动力水质数学模型作为污染事故影响模拟的工具; 并指出污染事故相关参数(综合降解系数、排放方式等) 的设置原则。 可设置常规污染物、重金属离子、可溶性非金属有毒物、难溶性非金属有毒物、可溶性有机物五类污染物的参数设置,并预留对其它类型污染物的特征参数设置. 以松花江某断面为模拟对象,在数模计算技术上实现了事故污染物的快速模拟,在 5 ~10 min 内对各水厂取水口提出预警; 并可设置不同天气不同水文条件下、不同事故发生地点,对事故污染物迁移传输的条件。

  4 虚拟现实地理信息系统动态环境建模技术路线

  虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。 动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,通过遥感影像数据预分析,提取整合后的数据,将着污染源标识在显示区域范围中,经过数据判读和处理,快速形成了着污染源监测数据范围。 利用获取的二维数据建立相应的三维虚拟环境模型. 三维数据的获取而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术,两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

  4. 1 数据源的获取及整合

  为确保监测取得实际效果,内外业同步实施,综合运用 GIS 技术与遥感技术相结合的方法,具有时效性强、分辨率高、资料获取快捷和费用低廉的特点,很好地解决了对全市有区、县水系污染情况实行监控这一问题。 外业使用动力三角翼,北斗定位技术和现代通讯技术相结合的方式。 通过动力三角翼上安装的图像采集系统,对发现的着污染源进行拍照,相机同步记录了地理坐标,通过即时通讯工具实时传回到监测数据库,并结合多种类型数据形成空间数据库。 Geo-database是一种采用标准关系数据库技术来表现地理信息的数据模型,ArcSDE 是一个连续的空间数据模型,借助这一模型,可以实现用关系数据库对空间数据库的管理。 在估算所需数据中引入 Geodatabase + ArcSDE 技术进行数据库管理,可实现属性数据和空间数据的一体化存储、管理,从理论上保证了数据的完整和数据共享.
  
  4. 2 地形与地物建模

  利用 Arcgis 软件对实验数据进行加工整理,可对现有的全要素地形图矢量化数据进行二次加工去除多余地形要素,保留关键要素如等高线,居民地,水域等要素,并转换格式为 dwg 格式。 使用 Sketchup8,导入 dwg 地形要素,进行大量的数据建模,如地形地势、房屋,也可进行贴图加工,将建立好的模型(如图 2 所示) . fbx 格式导出。 将 fbx 格式数据导入 unity 3d 下配合地形工具进行联合建模(如图 3 所示) .

  4. 3 三维地理信息系统功能设计

  (1) 基础功能区域: 选择实体功能、查询属性功能、局部缩放功能。 (2) 环境构造区域: 风速风力设定、季风方向设定、地表温度设定。 (3) 污染源事件触发区,可选择污染物种类: 该功能为浮动窗口,当选择污染源实体要素时,即时触发窗口并可以添加污染源种类以及排放量,种类有油脂类、液体类、化工污染类、剧毒类,每种类型污染物均可选择污染量,不同种污染物根据具体模型在水体中的扩散范围及时间也响应做出变化. (4) 实时推演功能区: 推演启动按钮、推演暂停按钮、推演快进按钮、推演停止按钮、分别控制该次推演的启动、暂停、快进、停止。 并有时间轴设置复选框,可以设置该次推演所进行的时间。

  4. 4 水资源污染突发事件地理信息系统的发布与维护

  对于快速形成了着水质污染监测数据范围的报告可由 ArcGIS Server 集中管理、处理、空间分析、编辑、制图等功能。 通过 ArcGIS Server,用户可以对自己创建的 GIS 数据内容进行数据操作,并维护变化的信息。 对于虚拟现实地理信息系统展示部分,由于运用的 Unity3d 技术,对于接受的数据是由 fbx 数据模型搭建而成,对其虚拟场景维护只能在 Unity3d 下完 成,由 于Untiy3d 支持众多平台及多种形式的客户端类型,发布可以选择用户面较广的 pc 平台下的 exe格式,也可以通过安装了 Unity web player 插件,以 web 的形式发布在网络服务器上,近年来随着便携智能设备的普及,Android 设备的已成了绝大多数人手机的智能平台,而 Untiy3d 也可以以apk 进行封装,从而在智能手机平台上发布。

  5 结束语

  该文通过应用虚拟现实地理信息系统技术,将三维地面模型、建筑物及相关设施的三维立体模型融合在一起,用户在显示屏上可以很直观地看到突发性水污染事故影响范围,也可进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作,避免或减少突发性水污染事件所造成的各种直接或间接的经济损失; 为城建规划、环保监测等提供由二维 GIS 向三维虚拟现实的可视化的三维 GiS发展需要。 并为政府和环境监察部门及时了解宏观情况并采取响应措施提供了客观、准确的依据。

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  [2] 姜学智,李忠华。 国内外虚拟现实技术的研究现状[J]. 辽宁工程技术大学学报,2004,23(2) : 238 -240.
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