基于GIS云平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維表征設(shè)計(jì)與應(yīng)用初探

李 維，蔣 明

1．桂林市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，廣西 桂林 541002

2．桂林市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西 桂林 541002

環(huán)境監(jiān)測(cè)的迅速發(fā)展帶來多元海量的數(shù)據(jù)，“大數(shù)據(jù)時(shí)代”“信息爆炸”成為環(huán)境監(jiān)測(cè)管理的難題。通過探討環(huán)境監(jiān)測(cè)“數(shù)據(jù)場(chǎng)”與“可視化”相關(guān)概念，初步探索了環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的三維表征設(shè)計(jì)與應(yīng)用，力求在環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘與環(huán)境質(zhì)量綜合分析等方面作出有益的嘗試。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和可視化技術(shù)

以往對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，多是從數(shù)據(jù)是否超標(biāo)或從時(shí)間序列上的分布特性等方面分析數(shù)據(jù)變化，主要利用統(tǒng)計(jì)圖表形式(折線圖、直方圖、餅圖等)來說明數(shù)據(jù)的特點(diǎn)［2］，較少利用數(shù)據(jù)與空間位置的相互關(guān)聯(lián)來表達(dá)和分析利用。實(shí)際上，環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是一定地理區(qū)域內(nèi)與空間位置緊密相關(guān)的數(shù)據(jù)集，并與相關(guān)環(huán)境因子共同構(gòu)成“數(shù)據(jù)場(chǎng)”，即“環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)”。

基于地理信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化。興起于20世紀(jì)80年代中期的計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，發(fā)展出多種“體繪制(Volume Rendering)”技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、醫(yī)療、氣象等領(lǐng)域。這些技術(shù)旨在運(yùn)用圖形方式表達(dá)海量數(shù)據(jù)中蘊(yùn)涵的重要信息，提高數(shù)據(jù)挖掘能力，化解“數(shù)據(jù)爆炸”困境。因?yàn)槿藗儚膱D像中能迅速感知大量、多維的信息，例如“三維氣象可視化”［3］，針對(duì)海量氣象數(shù)據(jù)，通過體繪制技術(shù)可同時(shí)顯示各層氣壓面相關(guān)信息(氣壓、溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向等)及地形條件，為準(zhǔn)確分析天氣狀況及變化趨勢(shì)提供極大便利。這類方法也是空氣污染綜合分析和演示技術(shù)之一。

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常是分布在特定區(qū)域中的物理量或化學(xué)量，通?？煞Q之為“場(chǎng)”，如污染物濃度場(chǎng)。描繪場(chǎng)的屬性通常是一個(gè)以空間位置(坐標(biāo))為自變量的矢量函數(shù)或標(biāo)量函數(shù)，分別稱之為矢量場(chǎng)或標(biāo)量場(chǎng)。勢(shì)場(chǎng)是一種重要的標(biāo)量場(chǎng)，勢(shì)函數(shù)是質(zhì)點(diǎn)位置的函數(shù)，通?？捎玫葎?shì)線或等勢(shì)面來描繪其空間分布，如濃度線、等高線、等溫面等。

在描繪數(shù)據(jù)場(chǎng)時(shí)，理想的情況是位于場(chǎng)中的任何數(shù)據(jù)對(duì)象都是相互影響的。引入標(biāo)量函數(shù)——?jiǎng)莺瘮?shù)(即位置或距離的函數(shù)，可以疊加)，若設(shè)數(shù)據(jù)場(chǎng)中每一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象對(duì)場(chǎng)中任何一點(diǎn)的勢(shì)都有貢獻(xiàn)，且貢獻(xiàn)的大小與距離的平方呈反比。數(shù)據(jù)場(chǎng)中任何一點(diǎn)x上的勢(shì)函數(shù)可被定義為所有數(shù)據(jù)影響之和。給定n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，距離D={d1，… dn}，則在x上的勢(shì)函數(shù)定義為

式中:d(x，di)表示 x到數(shù)據(jù)點(diǎn) di的距離，ρi為該點(diǎn)數(shù)值的大小(如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值等)為向量因子，σ為影響因子。σ的大小變化將直接影響等勢(shì)線的間距，σ越小則單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的影響范圍越小，等勢(shì)線越密集，見圖1(a)、圖(b)。

不同類型的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)因其類型(矢量、標(biāo)量)、空間位置分布特征(平面、立體、離散、連續(xù))等不同而分別形成各種類型的數(shù)據(jù)場(chǎng)，見圖1(c)～圖1(f)。

總之，可將環(huán)境狀況表達(dá)為以空間位置(坐標(biāo))為自變量的矢量函數(shù)或標(biāo)量函數(shù)(即數(shù)據(jù)場(chǎng))，并建立環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在空間場(chǎng)中的信息表征形式(即可視化)數(shù)學(xué)模型。

3 基于云技術(shù)的GIS可視化平臺(tái)

3.1 基于云技術(shù)的三維可視化平臺(tái)

利用GIS軟件平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化。既可使用獨(dú)立的GIS平臺(tái)(如ArcGIS、SuperMap GIS、MapGIS、GeoGlobe、EV-Globe 等)，也可使用基于云技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)共享式平臺(tái)(如谷歌地球、天地圖等)。谷歌地球是一款由谷歌公司開發(fā)的免費(fèi)的虛擬地球儀軟件，它可將遙感影像和GIS數(shù)據(jù)展示在一個(gè)三維地球模型上，免費(fèi)提供全球的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(在城市和重點(diǎn)區(qū)域提供的影像分辨率高達(dá)1 m)，是目前全球范圍內(nèi)技術(shù)較成熟且支持二次開發(fā)的三維可視化云平臺(tái)系統(tǒng)。充分利用谷歌地球平臺(tái)，可節(jié)省大量的平臺(tái)建設(shè)時(shí)間和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資料(如衛(wèi)星影像、高程數(shù)據(jù)等)購置費(fèi)用，用戶只需專注于自有數(shù)據(jù)的可視化表征設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，效率極高。

3.2 數(shù)據(jù)場(chǎng)的空間坐標(biāo)系

為保證數(shù)據(jù)處理的一致性，環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集使用的空間坐標(biāo)應(yīng)盡可能統(tǒng)一為大地坐標(biāo)系，即三維地心坐標(biāo)系。中國(guó)的測(cè)繪部門建議GIS數(shù)據(jù)系統(tǒng)的坐標(biāo)統(tǒng)一使用CGCS2000坐標(biāo)系。CGCS2000是以地球質(zhì)量中心為原點(diǎn)的全球地心坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的定義與WGS84坐標(biāo)系采用的參考橢球非常接近，扁率差異引起橢球面上的緯度和高度變化最大僅為0.1 mm。在當(dāng)前測(cè)量精度范圍內(nèi)，可以忽略。從原理上說，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)只要被賦予大地坐標(biāo)系和高程，并疊加在虛擬地球體上，就已具有三維特征［4］。

3.3 數(shù)據(jù)場(chǎng)的疊加

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)的變化常常受到許多外界環(huán)境因子的影響，如地表狀態(tài)(下墊面糙度、土地利用等)、高程地形、氣壓風(fēng)場(chǎng)等。在實(shí)際表征應(yīng)用中，需要對(duì)這些因子進(jìn)行統(tǒng)一考慮，在GIS中這些因子可以用地圖圖層來表示。環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表征，一般是指監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)層與背景層的疊加處理。在GIS處理分析過程中，往往需要進(jìn)行層與層之間的疊加運(yùn)算;而在數(shù)據(jù)表征中，主要是利用各層在同一區(qū)域的相互影響關(guān)系來簡(jiǎn)化問題、說明問題和還原情景。

4 數(shù)據(jù)場(chǎng)的場(chǎng)景還原與環(huán)境背景表達(dá)

在表達(dá)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)時(shí)，如能充分利用計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)真實(shí)還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景以適應(yīng)人類感官特點(diǎn)，則能更生動(dòng)地表達(dá)環(huán)境問題或環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)問題。特別是包含了豐富信息量的遙感影像，在還原場(chǎng)景方面能起到獨(dú)到的作用。許多在實(shí)際工作中易為人所忽略的問題，在遙感影像中均能以不同方式呈現(xiàn)出來，常常能為環(huán)境問題分析帶來全新的視野［5-6］。

在軍事上，利用電子沙盤(圖2、圖3)和地形匹配等虛擬仿真技術(shù)可輔助解決戰(zhàn)役決策和戰(zhàn)術(shù)判斷等問題［7］。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，也可利用類似技術(shù)還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、輔助解決污染狀況評(píng)估和數(shù)據(jù)挖掘等方面的問題。

圖2 基礎(chǔ)地理場(chǎng)景

圖3 標(biāo)志性建筑

5 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化

環(huán)境模擬技術(shù)常用等值線、趨勢(shì)面、多圖層疊加等方式作可視化表達(dá)，包括一維、二維、三維及綜合形態(tài)。如三維體繪制可視化是一種直接由三維數(shù)據(jù)場(chǎng)在屏幕上產(chǎn)生二維圖像的技術(shù)，常用的算法有光線投射法、足跡表法、錯(cuò)切變形法、三維紋理貼圖法等，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、地質(zhì)和氣象相關(guān)領(lǐng)域，也可應(yīng)用于環(huán)境和地球科學(xué)等方面。三維可視化主要是描繪和理解模型的一種手段，是數(shù)據(jù)體的一種表征形式［8］?？梢暬瓤捎糜谶^程描述，又可用于狀態(tài)表達(dá)。

在實(shí)踐中，基于谷歌地球平臺(tái)，通過 API、KML等二次開發(fā)技術(shù)，可將經(jīng)過處理的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)專題圖層疊加于三維地球模型上，實(shí)現(xiàn)三維可視化表征(圖4)。谷歌地球使用KML文件來描述三維顯示界面中所顯示的地標(biāo)、曲線、多邊形、多面體、三維模型等。KML文件是一種使用XML描述語言的文本格式文件，程序員通過簡(jiǎn)單的幾行程序代碼即可讀取、生成所需的KML文件以繪制圖形。因此，使用KML格式的地標(biāo)文件非常利于基于云技術(shù)平臺(tái)的GIS系統(tǒng)的開發(fā)。

圖4 數(shù)據(jù)流程示意圖

5.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫的后臺(tái)支持

通過建立“環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)(MIS)”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)、分類管理及統(tǒng)一處理，需要積累豐富的歷史數(shù)據(jù)，為GIS系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析提供后臺(tái)數(shù)據(jù)支持。

5.2 基礎(chǔ)地圖和環(huán)境專題圖數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)地圖是指各類基礎(chǔ)電子底圖、高程數(shù)據(jù)、遙感影像等。環(huán)境專題圖數(shù)據(jù)指與環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)的地理圖層數(shù)據(jù)，如土壤、地質(zhì)、植被、土地利用、管網(wǎng)分布、城市規(guī)劃等專題圖。

5.3 環(huán)保地物要素的三維模型

重要的環(huán)保地物要素(如廢氣排放設(shè)施、廢水設(shè)施、自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站、排放口標(biāo)志等)可以使用三維模型來表達(dá)。在谷歌地球平臺(tái)中，三維模型可分為兩種:一種是簡(jiǎn)單模型(少量立體形狀構(gòu)造)，見圖5-1;另一種是精致模型(復(fù)雜立體形狀構(gòu)造+精細(xì)貼圖)，見圖5-2，精致模型如圖3所示的標(biāo)志性建筑、污染物排放設(shè)施、工廠典型設(shè)施等。在環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)中適度利用三維模型，可提高現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景效果，起到畫龍點(diǎn)睛的作用。

圖5-1 廢水污染源(污水處理廠)

圖5-2 廢氣污染源(水泥廠)

6 數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化表達(dá)——表征設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)三維可視化涉及數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)場(chǎng)模型、三維建模、GIS處理、動(dòng)態(tài)表達(dá)等多方面的處理技術(shù)，該研究主要討論不同類型環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的三維立體表達(dá)相關(guān)的問題，即三維表征設(shè)計(jì)。

6.1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

6.1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

不同類型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)往往具有不同的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方式，同類型的評(píng)價(jià)方式下不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目往往具有不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值。對(duì)同幅顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化等方面的前處理，有利于數(shù)據(jù)間的同尺度比較判斷。例如:空氣污染指數(shù)(API)、空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)、水質(zhì)污染指數(shù)等。

6.1.2 指標(biāo)篩選

環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目眾多，但實(shí)際工作中往往只需關(guān)注部分重要指標(biāo)的情況。可通過相關(guān)數(shù)據(jù)模型對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選，以便準(zhǔn)確把握主要問題。如飲用水源水監(jiān)測(cè)指標(biāo)多達(dá)109項(xiàng)，一般只有少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)(如氨氮、總磷等)值得關(guān)注。

6.1.3 顯示控制

對(duì)于數(shù)據(jù)值變化差異過大或過小的數(shù)據(jù)集，要通過一些函數(shù)曲線來拉伸或壓縮，調(diào)整顯示幅度，可在可視區(qū)范圍內(nèi)合理地表現(xiàn)數(shù)值;對(duì)于數(shù)據(jù)空間分布疏密不均，相互關(guān)聯(lián)緊密的數(shù)據(jù)集，通過加密(或抽稀)插值或?qū)I(yè)模型，使其分布均勻。

6.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的表征形式

不同類型的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)(如污染源、水體、氣體、噪聲、生態(tài)等)往往具有不同的空間分布特征，可分別進(jìn)行表征設(shè)計(jì)。部分典型環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化表征方案示例如下:

1)噪聲環(huán)境質(zhì)量:①區(qū)域環(huán)境噪聲網(wǎng)格監(jiān)測(cè):將區(qū)域網(wǎng)格的測(cè)點(diǎn)噪聲值轉(zhuǎn)換為高度值構(gòu)成網(wǎng)格立方體(圖6)，立方體的色彩和高度，代表網(wǎng)格噪聲污染嚴(yán)重，通過每個(gè)立方體下呈現(xiàn)的道路車流量、房屋類型、建筑密度和地貌等相關(guān)要素分析，結(jié)合監(jiān)測(cè)值，可以直觀地判斷區(qū)域噪聲污染原因，并提供網(wǎng)格化管理依據(jù);②噪聲污染立體渲染:利用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確計(jì)算噪聲在三維空間的傳播與分布，得到的各層各點(diǎn)噪聲值，配色渲染到三維建筑模型表面上(圖7)，可以精確表達(dá)建筑物表面各單元污染程度，直觀地展現(xiàn)于三維可視化系統(tǒng)中，為環(huán)境影響評(píng)估等提供便利;③道路交通噪聲和環(huán)境噪聲功能區(qū)劃圖等(圖略)。

2)空氣環(huán)境質(zhì)量:①二維濃度等值線:對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行加密插值和級(jí)別分類后形成二維等值線圖(圖8)，展現(xiàn)于三維可視化系統(tǒng)中;②三維濃度分布曲面:對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果通過加密插值后轉(zhuǎn)換為高程值，形成空氣污染物三維曲面，見圖9;③散點(diǎn)柱體動(dòng)態(tài)分布:圖10為全國(guó)范圍的空氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的污染物濃度分布圖，其屬性中存儲(chǔ)了12個(gè)月的濃度值，通過時(shí)間滑動(dòng)控制標(biāo)尺隨時(shí)間移動(dòng)，可表現(xiàn)空間環(huán)境中空氣污染值的動(dòng)態(tài)變化情況。

圖6 網(wǎng)格噪聲監(jiān)測(cè)三維柱圖

圖7 噪聲污染三維渲染圖

圖8 空氣污染物二維等值線

圖9 空氣污染物三維曲面

圖10 空氣監(jiān)測(cè)與污染散點(diǎn)動(dòng)態(tài)表達(dá)

3)水體環(huán)境質(zhì)量:①綜合污染指數(shù)的表征:可通過不同顏色的點(diǎn)狀圖標(biāo)表達(dá)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染程度;②單項(xiàng)指標(biāo)的表征:經(jīng)歸一化處理，篩選重要指標(biāo)，計(jì)算單項(xiàng)指數(shù)，可通過柱體分級(jí)分段表達(dá)各指標(biāo)水質(zhì)類別及污染狀況，圖11為河流水各斷面的氨氮污染分級(jí)圖;③區(qū)域內(nèi)水體污染物濃度分布表征(類似于圖8)。

4)污染源分布:①將工業(yè)廢水、廢氣和生活源等各類污染源標(biāo)注于三維可視化系統(tǒng)中，按類型分別使用相應(yīng)的圖形符號(hào)(如煙囪、污水排放口等，圖12)。②對(duì)典型污染源的工藝設(shè)施、產(chǎn)污設(shè)備、處理設(shè)施、污染物排放口等典型設(shè)施使用三維模型進(jìn)行直觀表達(dá)(可參考圖4、圖5);當(dāng)視點(diǎn)由遠(yuǎn)及近時(shí)，觸發(fā)(或點(diǎn)擊)不同比例尺下的動(dòng)態(tài)顯示功能，污染源由符號(hào)圖形過渡轉(zhuǎn)換到實(shí)體三維模型，表達(dá)實(shí)景視覺的特點(diǎn)。

圖11 水質(zhì)監(jiān)測(cè)與污染分布

5)二維矢量數(shù)據(jù)的三維顯示:對(duì)生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果、土壤類型、植被覆蓋、水文地質(zhì)等面狀分布的數(shù)據(jù)層，一般不存在高程值，但與地形地貌的相關(guān)性極高。通過投影配準(zhǔn)、透明度及配色處理后，疊加在EDM數(shù)據(jù)上，結(jié)合遙感影像紋理及三維場(chǎng)景(圖13)，其顯示效果也遠(yuǎn)優(yōu)于平面形態(tài)。

6)柵格圖的三維顯示:其他環(huán)保專題柵格圖或遙感影像，也可配準(zhǔn)后疊加在三維場(chǎng)景中。圖14為某次污染事故平面專題圖在三維場(chǎng)景的表達(dá)示例，使紙質(zhì)圖中細(xì)致突出的專業(yè)要素、遙感影像中豐富地物信息和三維地形的立體多面體的各自優(yōu)勢(shì)相互補(bǔ)充，多方位表達(dá)環(huán)境狀況，為污染事故應(yīng)急指揮提供直觀借鑒。

圖12 污染源點(diǎn)狀表達(dá)

圖13 矢量圖(生態(tài)遙感)三維顯示

圖14 柵格圖與三維數(shù)據(jù)疊加表達(dá)

6.3 動(dòng)態(tài)展現(xiàn)與時(shí)態(tài)分析

環(huán)境質(zhì)量狀況主要受到污染物排放量和環(huán)境因素(如空氣污染時(shí)的氣壓分布、風(fēng)速風(fēng)向、溫度、濕度等)等方面的影響，隨時(shí)間變化而變化。污染物排放量和環(huán)境因素本身往往也會(huì)隨時(shí)間變化而發(fā)生改變。因此，對(duì)連續(xù)時(shí)間點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及環(huán)境因素的狀態(tài)(即時(shí)態(tài)數(shù)據(jù))開展時(shí)態(tài)分析，將有助于準(zhǔn)確了解環(huán)境狀況變化規(guī)律并預(yù)測(cè)環(huán)境狀況變化趨勢(shì)，為進(jìn)一步制定污染防治方案提供科學(xué)依據(jù)。三維可視化系統(tǒng)能以動(dòng)態(tài)展現(xiàn)方式回顧、追蹤、分析環(huán)境質(zhì)量狀況的變化情況。圖15展現(xiàn)了20張連續(xù)時(shí)間點(diǎn)的亞歐地面氣壓場(chǎng)分布圖(每張間隔6 h)，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的時(shí)間滑動(dòng)控制標(biāo)尺，可以動(dòng)畫形式連續(xù)展示5 d內(nèi)的氣壓場(chǎng)等值線分布變化過程，為開展環(huán)境空氣質(zhì)量變化分析提供極大便利。

7 三維可視化應(yīng)用與環(huán)境質(zhì)量綜合分析

上述環(huán)境監(jiān)測(cè)“數(shù)據(jù)場(chǎng)”和“可視化”，可理解為“環(huán)境電子沙盤”的應(yīng)用，實(shí)質(zhì)上是利用計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)展現(xiàn)和分析污染分布和變化過程。

7.1 三維表征的特點(diǎn)與目的

7.1.1 多維多元的交織

三維表征方式比二維表達(dá)增加了對(duì)高度、形態(tài)、側(cè)表面的描述，從二維平面 (x，y)向三維空間(x，y，z)，甚至加上時(shí)間(t)構(gòu)成四維子集 (x，y，z，t)形成的數(shù)據(jù)集合，擴(kuò)展了對(duì)數(shù)據(jù)的整體認(rèn)識(shí)，有利于表達(dá)和分析環(huán)境空間中交織混雜多因子間的相互作用。

7.1.2 多形態(tài)的表達(dá)

通過三維場(chǎng)景、動(dòng)態(tài)透視、多角度、多方位、多時(shí)態(tài)地直觀展示環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果，有利于分析環(huán)境空間的相關(guān)因子的疊加、交錯(cuò)、切割、融合等相互影響。

7.1.3 多要素的融合

結(jié)合數(shù)據(jù)處理模型、數(shù)據(jù)表征方式、相關(guān)環(huán)境背景，在透視場(chǎng)景中展示數(shù)據(jù)，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集及污染源的二維三維表征方式，匯聚地理專題要素(氣象水文、土地利用、土壤植被等)和GIS平臺(tái)共享數(shù)據(jù)(遙感影像、地形地貌、輔助圖層)等資源，促進(jìn)多學(xué)科交融，從多層次地表達(dá)和分析環(huán)境因子變化趨勢(shì)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)海量環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深度挖掘。

7.2 基于GIS云平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維表征應(yīng)用

GIS云平臺(tái)中豐富的共享資源與環(huán)保專題數(shù)據(jù)等通過統(tǒng)一格式、坐標(biāo)、平臺(tái)，再結(jié)合三維表征形式構(gòu)建的技術(shù)平臺(tái)，為分析和理解數(shù)據(jù)提供實(shí)用工具。對(duì)環(huán)境質(zhì)量綜合分析極有應(yīng)用價(jià)值。

1)環(huán)境質(zhì)量綜合分析。目前，地市級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果一般為300～600萬個(gè)/年，但絕大部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒有充分利用。因缺乏數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計(jì)分析手段，加上時(shí)間倉促，無法結(jié)合相關(guān)環(huán)境因子開展環(huán)境質(zhì)量狀況綜合分析。利用GIS云平臺(tái)模式，監(jiān)測(cè)站可實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)和三維環(huán)境可視化系統(tǒng)的自主研發(fā)，充分利用已有的海量環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和大量的共享資源，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)定制不同的數(shù)據(jù)表征方式，通過直觀形象的可視化表達(dá)，可實(shí)現(xiàn)海量環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效利用，為實(shí)現(xiàn)三個(gè)“說得清”——說清環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)、說清污染物排放狀況、說清潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。桂林站多年來堅(jiān)持環(huán)境質(zhì)量綜合分析例會(huì)制度，應(yīng)用三維可視化技術(shù)，促進(jìn)各種知識(shí)交流和數(shù)據(jù)表達(dá)，極大提高了環(huán)境質(zhì)量綜合分析水平。

2)數(shù)據(jù)挖掘和深化環(huán)境問題研究。對(duì)多源數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)挖掘，可深化環(huán)境問題的研究。例如在空氣污染分析中，可將污染源、氣象、地形、空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等同時(shí)展現(xiàn)于立體虛擬時(shí)空中，表達(dá)分析污染過程的時(shí)空分布及變化過程;在噪聲污染分析中，可將污染源、道路、建筑、地形、噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等同時(shí)展現(xiàn)于立體虛擬時(shí)空中，分析噪聲源及影響范圍;在生態(tài)環(huán)境分析中，可將植被、巖性、土壤、水文、土地利用類型、地貌等多要素疊加，利用多學(xué)科的知識(shí)和原理分析生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)和變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)和解讀異常問題。又如在桂林市南溪河流域面源污染研究調(diào)查中［13］，結(jié)合點(diǎn)源、面源(利用生態(tài)遙感手段監(jiān)測(cè)城市土地利用、建筑、人口分布)和地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)、河流納污區(qū)和地下排污管網(wǎng)等的調(diào)查結(jié)果，利用可視化技術(shù)建立了虛擬環(huán)境，明晰了各環(huán)境要素間的區(qū)域空間聯(lián)系，極大提高了對(duì)污染成因調(diào)查的分辨率與準(zhǔn)確性。相關(guān)資料表明，可視化技術(shù)已應(yīng)用于污染源［9］、環(huán)境功能區(qū)劃［10］、噪聲地圖［11］、空氣污染［12］等多個(gè)專項(xiàng)工作，部分省市環(huán)境信息系統(tǒng)也已建有三維模塊的污染源和污染模擬場(chǎng)景。

7.3 對(duì)不同受眾的不同作用

三維表征技術(shù)及形式，可應(yīng)用于不同層次的專業(yè)匯報(bào)、技術(shù)講座、大眾科普，針對(duì)不同受眾(領(lǐng)導(dǎo)、專家、技術(shù)人員、公眾等)分別設(shè)計(jì)不同的表征方式，既可實(shí)現(xiàn)直觀、簡(jiǎn)潔的演示，又可實(shí)現(xiàn)精確、全面的表達(dá)。①對(duì)于環(huán)境專業(yè)人員:是以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)作數(shù)據(jù)挖掘，綜合多學(xué)科知識(shí)，利用三維可視化技術(shù)開展環(huán)境質(zhì)量綜合分析，歸納總結(jié)環(huán)境質(zhì)量變化過程、原因及趨勢(shì)，為環(huán)境管理部門提出可行的對(duì)策建議;②對(duì)于領(lǐng)導(dǎo)層:系統(tǒng)以多種角度直觀地展示和解讀環(huán)境問題，讓領(lǐng)導(dǎo)層結(jié)合對(duì)問題的宏觀把握，了解和決定處理問題的抉擇，輔助決策;③對(duì)于公眾:系統(tǒng)以場(chǎng)景方式深入淺出地演示環(huán)境狀況，有利于說明環(huán)境問題的多元性和復(fù)雜性，引導(dǎo)并提高大眾環(huán)保意識(shí)。

8 結(jié)語

對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維表征設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的直觀、形象表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深度挖掘，為環(huán)境質(zhì)量綜合分析提供新的方法和手段。

1)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù)場(chǎng)，結(jié)合GIS相關(guān)理論和技術(shù)，在后臺(tái)數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的支撐下，可實(shí)現(xiàn)三維可視化的精確表達(dá)。

2)基于GIS云技術(shù)平臺(tái)，利用二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)環(huán)境三維可視化系統(tǒng)，效率高、成本低。

3)根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型和受眾的不同，發(fā)揮三維場(chǎng)景式的特點(diǎn)，可分別設(shè)計(jì)不同維度、不同角度、不同詳細(xì)程度的數(shù)據(jù)可視化表征方式。

4)充分利用三維可視化技術(shù)開展環(huán)境質(zhì)量綜合分析，可促進(jìn)多學(xué)科的交流協(xié)作，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)分析及科學(xué)形象的數(shù)據(jù)表達(dá)，提高數(shù)據(jù)挖掘能力和環(huán)境綜合分析水平。

5)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的三維表征形式有待豐富完善，應(yīng)用領(lǐng)域有待拓展，應(yīng)用水平也有待提高。

［1］戴曉軍，劉常昱，韓旭，等．?dāng)?shù)據(jù)場(chǎng)在信息表征中的應(yīng)用［J］．復(fù)旦學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，43(5):933-936．

［2］李維．水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)的綜合分析研究—以陽朔站 PH 為例［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2009，25(3):94-98．

［3］尹東屏，吳海英，曾明劍，等．2008年蘇皖特大暴雨過程機(jī)理研究及預(yù)報(bào)技術(shù)分析［C］//中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)司．天氣預(yù)報(bào)技術(shù)論文集(2010)．北京:氣象出版社，2011:16-23．

［4］尹愛仁，秦樹人．橢球體三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化模型及實(shí)現(xiàn) ［J］．計(jì)量學(xué)報(bào)，2006，27(10):304-308．

［5］王橋．衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中應(yīng)用的進(jìn)展與挑戰(zhàn)［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2009，25(4):53-56．

［6］李維．基于CBERS－2B衛(wèi)星數(shù)據(jù)的《桂林城區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)影像地圖》研制與應(yīng)用［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2011，27(1):42-47．

［7］田茂義，曹洪松，劉如飛，等．基于ArcGIS和Global Mapper軟件的三維地形可視化技術(shù)的應(yīng)用［J］．全球定位系統(tǒng)，2011，36(2):65-68．

［8］戴曉軍，淦文燕，李德毅，等．基于數(shù)據(jù)場(chǎng)的圖像挖掘研究［J］．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，40(26):41-43．

［9］羅娜，萬鋒，葉貞成，等．基于云計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的化工過程虛擬工廠［J］．化工進(jìn)展，2012，31(12):85-89．

［10］李維，鄂崢．“聲環(huán)境功能區(qū)劃”中的3S技術(shù)應(yīng)用探索［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2013，29(1):151-156．

［11］方丹群，張斌，翟國(guó)慶，等．噪聲地圖的誕生與發(fā)展［EB/OL］//噪聲控制工程學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、環(huán)境物理學(xué)、環(huán)境物理學(xué)學(xué)科體系與進(jìn)展．2012(2012-01-12)［2013-12-12］http://www．sooooob．cn/watch/3296．htm．

［12］徐祥德，丁國(guó)安．北京城市冬季大氣污染動(dòng)力:化學(xué)過程區(qū)域性三維結(jié)構(gòu)特征［J］．科學(xué)通報(bào)，2003，48(5):496-501．

［13］李維，黃惠來，閆井玲，等．基于3S技術(shù)的城區(qū)小流域非點(diǎn)源污染監(jiān)測(cè)調(diào)查研究［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2012，28(4):141-148．