基于三角形網(wǎng)格算法的水污染應(yīng)急系統(tǒng)研究

龐治邦，劉波，周振

中國人民解放軍后勤工程學院，重慶401331

基于三角形網(wǎng)格算法的水污染應(yīng)急系統(tǒng)研究

龐治邦，劉波，周振

中國人民解放軍后勤工程學院，重慶401331

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，化學品的用量和運輸量與日俱增，從而增加了有毒物質(zhì)泄露的概率，導(dǎo)致水污染突發(fā)事件的發(fā)生。但目前水污染突發(fā)事件應(yīng)急處理系統(tǒng)的功能還不完善，無法滿足各水域應(yīng)急事件的處理需求。為此，本文設(shè)計了一套水污染突發(fā)事件應(yīng)急處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Web GIS為基礎(chǔ)架構(gòu)，以EFDC為水污染擴散模型，采用瀏覽器/服務(wù)器形式進行數(shù)據(jù)的輸入、處理和結(jié)果展示；服務(wù)器通過對水質(zhì)水文數(shù)據(jù)的分組和插值將污染物濃度劃分為8個區(qū)間，用8種顏色來完成污染物的精確展示；采用三角形網(wǎng)格算法對相同濃度的污染物進行等值面繪制，給出了三角形網(wǎng)格的繪制算法、等值點的確定、等值線的追蹤及等值線的光滑算法，這些都使用戶能夠更加直觀的觀察水污染的具體情況，對水污染的應(yīng)急決策具有重要意義。

水污染；應(yīng)急系統(tǒng)；三角形網(wǎng)格算法

為了應(yīng)對近年來發(fā)生的水污染突發(fā)事件，沿河國家進行了大量的水污染突發(fā)事件應(yīng)急處理系統(tǒng)和水源地安全的研究［1，2］，并將多媒體技術(shù)、數(shù)學模擬和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在應(yīng)急處理系統(tǒng)中，如歐洲開發(fā)的“環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”，就能夠完成水污染突發(fā)后的多元決策。而國內(nèi)的發(fā)展較晚，已有的水污染應(yīng)急系統(tǒng)各自獨立，無法形成一個有機體系；在水污染突發(fā)事件的應(yīng)急決策上，都是手動錄入，自動化程度低而且不能從其它水污染事件處理中汲取經(jīng)驗，無法滿足我國各水域的需求［3，4］。針對上述問題，就需要一個性能更加完善，自動化程度更高的水污染應(yīng)急系統(tǒng)。

1　水污染應(yīng)急系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1水污染應(yīng)急系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)采用瀏覽器/服務(wù)器形式，用戶登錄后，輸入水污染突發(fā)事件的時間、地點和污染物總量信息，將其提交至Web服務(wù)器。Web服務(wù)器對用戶的請求進行處理，將GIS應(yīng)用服務(wù)器所需的信息進行提取計算，然后將計算結(jié)果返回至Web服務(wù)器，由其發(fā)布處理結(jié)果。如此用戶就能夠在各自的瀏覽器端查看處理結(jié)果，一個用戶訪問至最終結(jié)果發(fā)布的過程如圖1所示：

從圖1可以看出，系統(tǒng)由Web服務(wù)器和GIS應(yīng)用服務(wù)器組成，而GIS應(yīng)用服務(wù)器又包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和地圖服務(wù)器。其中Web服務(wù)器向用戶提供具體服務(wù)，是用戶直接面對的系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存儲全部的水質(zhì)水文數(shù)據(jù)和動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，用來支撐地圖服務(wù)器；地圖服務(wù)器以數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為支撐，提供地圖的查詢、分析等功能。

1.2應(yīng)急處理模塊設(shè)計

應(yīng)急處理模塊完成系統(tǒng)的主要功能，實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)的處理和展示，由模型輸入及預(yù)處理、模型正式處理和模型展示三個模塊組成。

1.2.1模型輸入及預(yù)處理模塊設(shè)計模型輸入由用戶在瀏覽器界面完成，預(yù)處理由Web服務(wù)器完成，然后將預(yù)處理數(shù)據(jù)發(fā)送至GIS應(yīng)用服務(wù)器進行計算。模塊主要完成流域信息管理、參數(shù)設(shè)置和圖層管理功能。

1.2.2模型正式處理系統(tǒng)以EFDC為水污染擴散計算模型，其為獨立的擴展模塊，所以需要將輸入數(shù)據(jù)按照EFDC模型的輸入文件格式進行編制，本系統(tǒng)中創(chuàng)建輸入文件與主控文件的為Cmodelinputdata.cs類，模型計算的為EFDC_DS_LIB.dll類，生成輸出文件的為Cmodeloutputdata.cs類。

1.2.3模型展示調(diào)用EFDC模型對水污染的擴散進行計算后，就能夠在地圖上展示，系統(tǒng)能夠完成速度矢量場展示、峰值運移軌跡、等濃度面的繪制和區(qū)間污染物濃度統(tǒng)計等，本文主要對基于三角形網(wǎng)格算法的污染物等濃度面繪制進行研究。

2　數(shù)據(jù)分組與插值

2.1數(shù)據(jù)分組

在污染物等濃度面的繪制過程中，為了盡可能的使顯示結(jié)果清楚，需要先對數(shù)據(jù)進行分組，然后再展示給用戶。此處采用等距分組將污染物濃度劃分為八個區(qū)間，分別用紫色、橘黃色、紅褐色、淺黃色、紅色、黃色、淡綠色和淡藍色8種顏色在地圖上表示，其污染物濃度由高到底，這樣就能夠通過顏色來直觀的對水污染物濃度進行查看。

2.2數(shù)據(jù)插值

由于掌握的污染物濃度的數(shù)據(jù)都是離散的，且在某些位置還缺少相關(guān)數(shù)據(jù)，但繪制空間連續(xù)的污染物濃度曲線需要連續(xù)數(shù)據(jù)，所以在曲線繪制前要對數(shù)據(jù)進行插值。此處采用層次B樣條插值算法，在100×100的矩形網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，20個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)如圖2所示，通過監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行插值的結(jié)果如圖3所示，從圖中能夠看出，插值后的曲面光滑過度，能夠滿足顯示要求。

圖2　監(jiān)測點數(shù)據(jù)Fig.2 Data from monitoring points

圖3　插值結(jié)果Fig.3 Results of interpolations

3　水污染等值面繪制

系統(tǒng)需要直觀地給用戶展示水污染的擴散情況，就要用等值面在地圖上繪制出污染物分布情況，而等值面是基于等值線繪制的，所以繪制等值線是最重要的一步，本文采用網(wǎng)格數(shù)量少、精度高的三角形網(wǎng)格［5，6］建立插值網(wǎng)格，整個等值面的繪制包括插值網(wǎng)格的繪制、等值點的確定、等值線的追蹤和等值線的光滑四步。

3.1插值網(wǎng)格繪制

本文采用逐點插入法生成插值網(wǎng)格，其基本思想為在存在的三角網(wǎng)當中，每次僅插入一個點，然后重新定義三角形，其具體步驟如下：

①定義一個包含全部數(shù)據(jù)點的初始多邊形；

②在步驟1的的初始多邊形中，創(chuàng)建初始三角網(wǎng)格；

③插入一個數(shù)據(jù)點D，在三角網(wǎng)中找到包含D的三角形T，將三角形T和數(shù)據(jù)點D的三個頂點連接，進而產(chǎn)生三個新的三角形；

④使用LOP算法對三角形網(wǎng)格進行優(yōu)化；

⑤重復(fù)步驟3和步驟4，直至處理完全部數(shù)據(jù)點。

3.2等值點的確定

三角形網(wǎng)格△PiPjPk上的任意一條邊PiPj，其存在的值為Value的等值點條件如式1所示：

如果△PiPjPk滿足式1，就要使Z（Pi）的值稍作變化，使等值線通過三角形；如果△PiPjPk不滿足式1，則分為如下三種情況：

圖4　等值線的三種走向Fig.4 Three trends of contour lines

此時對Pi，Pk和Pj，Pk按式1進行判斷，就能夠確定等值線所經(jīng)過的三角形邊。對全部三角形網(wǎng)格執(zhí)行同樣的操作，就能獲得全部值為Value的點，這樣便確定了等值點。

3.3等值線的追蹤

在完成等值線的確定后，接下來要進行等值線的追蹤。根據(jù)等值線類別，等值邊的搜索分為非閉合等值線等值邊搜索和閉合等值線等值邊搜索。

非閉合等值線等值邊搜索步驟如下：

①在已經(jīng)確定的等值線集合中，選擇一條等值線數(shù)值為依據(jù)。在邊界邊上找出一條等值邊數(shù)值與等值線物理量值相等的邊為起始邊，如果未找到，說明其為閉合等值線，按照閉合等值線等值邊搜索辦法進行搜索，否則把該邊添加至相應(yīng)的等值邊集合中并將其移出待搜索邊集合；

②在起始邊相鄰的三角形網(wǎng)格中，繼續(xù)尋找第二條等值邊，找到后將該邊添加至相應(yīng)的等值邊集合中，并將其移出待搜索邊集合；

③從待搜索的邊集合中，移出已完成等值線搜索的三角形。然后再尋找下一條等值邊，其僅有一個相關(guān)的三角形，在該三角形內(nèi)繼續(xù)搜索下一條等值邊，找到后把該邊添加至相應(yīng)的等值邊集合中并將其移出待搜索邊集合；

④重復(fù)執(zhí)行步驟3，直至下次找到的三角形邊界邊為等值邊為止；

⑤完成了一條非閉合等值線的等值邊搜索。

閉合等值線等值邊搜索步驟如下：

①在已經(jīng)確定的等值線集合中，選擇一條等值線數(shù)值為參照。從等值邊集合中找出任意一條邊作為等值線度量值的起始邊，如果未找到，說明集合中無該等值線，那么就完成了該條等值線的搜索，繼續(xù)進行下一條等值線的搜索。

②在起始邊相鄰的三角形網(wǎng)格中，尋找第二條符合條件的邊，找到后將該邊添加至相應(yīng)的等值邊集合中，然后將其移出待搜索邊集合；

③從待搜索的邊集合中，移出已完成等值線搜索的三角形。然后再尋找下一條等值邊，其僅有一個相關(guān)的三角形，在該三角形內(nèi)繼續(xù)搜索下一條等值邊，找到后把該邊添加至相應(yīng)的等值邊集合中并將其移出待搜索邊集合；

④重復(fù)執(zhí)行步驟3，直至下次搜索的等值邊為起始邊結(jié)束；

⑤完成了一條閉合等值線的等值邊搜索。

3.4等值線的光滑

在完成等值線的追蹤后，最終結(jié)果都是直線段，為此采用B樣條曲線法［7，8］對等值線進行光滑處理。設(shè)給定的n+1個點為P0，P1，...，Pn，采用三次B樣條曲線對四點光滑處理。假設(shè)待光滑處理的四個點為Pi-1，Pi，Pi+1，Pi+2，每兩點劃分為n段進行三次B樣條擬合光滑處理，設(shè)t=i/n（i=1，2，3，...，n），則三次B樣條擬合的矩陣如式2所示：

式中，1≤i≤n-2，0≤t≤1，對于非閉合等值線，有Pn≠P0，Pi=2P0-P1，Pn+1=2Pn-Pn-1；對于閉合的等值線，有Pn=P0，Pi=Pi-1，Pn+1=P1。其中Pi-1，Pi，Pi+1，Pi+2為四個點向量，其在二維x，y軸上的分量如式3，是4所示：

將式3和式4展開，得到關(guān)于x和y的方程如式5所示：

擬合曲線在Pi-1到Pi+2間隨參數(shù)t順序變化，t在0到1范圍內(nèi)變化。通過式3，4，能夠計算出所擬合曲線的位置點。當完成所有計算后，按順序連接各位置點完成曲線的擬合，這樣就完成了等值線的光滑處理。在生成光滑的等值線后，在各等值線間填充對應(yīng)的顏色，就完成了等值面的繪制。使用該方法繪制的等值面如圖5所示，其表示污染物濃度的分布，其中不同顏色代表不同的污染物濃度。

4　討論

本文在水污染突發(fā)事件的應(yīng)急處理系統(tǒng)的設(shè)計過程中，運用數(shù)據(jù)分組和插值算法進行數(shù)據(jù)修正，同時采用三角形網(wǎng)格算法對等值線進行追蹤，取得了較好的等值面展示效果。但同時也存在一些問題：一是人機交互受限于目前的Web GIS技術(shù)，功能還不夠完善，人機界面也不夠美觀；二是繪制出的等值面與實際污染情況略有差異，而且算法的等值面繪制時間也不是非常令人滿意。這些還需在后續(xù)的開發(fā)中予以更大的重視。

5　結(jié)論

針對目前國內(nèi)水污染突發(fā)事件的應(yīng)急處理系統(tǒng)功能不完善問題，研究了基于三角形網(wǎng)格算法的水污染應(yīng)急系統(tǒng)。系統(tǒng)以瀏覽器/服務(wù)器形式進行數(shù)據(jù)的傳遞和展示，通過三角形網(wǎng)格算法能夠?qū)⑺廴厩闆r清晰直觀的展示給用戶，對今后水污染突發(fā)事件的應(yīng)急決策具有重要意義。

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Study on the Emergency System of Water Pollution Based on Triangle MeshAlgorithm

PANG Zhi-bang，LIU Bo，ZHOU Zhen
Logistic Engineering University of PLA，Chongqing 401311，China

The amount of chemicals and carriages is increasing with the development of modern industry so as to increase the probability of leakage to lead to pollution incidents.But the current emergency treatment system for water pollution emergency function is not perfect and can not meet the demand of the water emergency treatment.Therefore，this paper designed the emergency treatment system for a water pollution，which was based on Web GIS architecture，using EFDC as a water pollution diffusion model to use the browser/server form of water pollution data input to process and display the results；the server through the grouping and interpolation on water quality and hydro-logical data of pollutant concentration would be divided for the 8 interval to display accurately 8 colors to complete the pollutants；then the pollutant triangle mesh algorithm on the same concentration of surface rendering was given triangle mesh rendering algorithm to contour point determination，contour tracing and contour smoothing algorithm.Which enabled users to specific situation of water pollution to observe more intuitive.It is of great significance for water pollution emergency decision.

Water pollution；emergency system；triangle mesh algorithm

X131.2

A

1000-2324（2016）02-0274-04

2015-03-13

2015-05-22

龐治邦（1990-），男，漢族，碩士研究生，主要研究方向為水處理技術(shù).E-mail：pangzb0406@163.com