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环境信息可视化表达的内容和方法

2010-02-15殷殿龙陈季徐洪恩黄秀英黄胜利张武佳木斯大学54007佳木斯市环保局

中国科技信息 2010年12期
关键词:可视化动画环境

殷殿龙陈季徐洪恩黄秀英黄胜利张武,佳木斯大学 54007; ,佳木斯市环保局

环境信息可视化表达的内容和方法

殷殿龙1陈季1徐洪恩2黄秀英1黄胜利1张武11,佳木斯大学 154007; 2,佳木斯市环保局

环境管理的基础是环境信息的管理,环境信息的可视化表达符合人类的认知规律,是环境信息管理和环境科学研究的有效地手段和方法。如何利用好GIS(Geographic information systems 地理信息系统)系统的可视化功能的关键在于确定环境信息可视化表达的内容和方法。文章从环境信息的处理深度和使用出发研究探索宜于环境信息可视化表达的内容及可采用的方法。

环境信息;可视化;内容;方法

1、引言

近年来国家政府对环境保护工作的高度重视并不断加大资金的投入力度,省市级环境保护管理机构已经实现计算机办公自动化、网络化,环境监测设备得到进一步加强,很多机构建立起环境保护信息中心, 相当数量的市级机构建立起以GIS为信息管理平台的环境管理信息系统。环境信息化的建设整合机构内部的信息资源,实现信息的共建和共享,加强部门之间的协同合作,提高工作效率和管理水平,同时GIS系统提供的可视化技术也为环境信息管理和环境科学的深入研究提供有效的工具。

环境信息可视化是建立在环境信息化基础上的科学技术,它符合人类认知规律,可以帮助人们更好的理解信息,提高环境信息的管理能力和分析研究能力。在环境管理中应用可视化技术的条件已经具备。在实际工作中,如何充分利用以GIS系统进行的环境信息可视化表达,什么样的环境信息宜于可视化表达,采用何种表达方式和方法是环境管理人员及环境研究人员需要解决的问题。 因此有必要在环境信息可视化的适用内容和方法进行研究探索。

2、科学可视化与环境信息可视化

2.1 科学可视化

20世纪80年代,美国自然科学基金会就图形学、图像处理及计算机科学等问题召开学术会议,指出世界将出现一个新兴的技术领域,即科学可视化,并给出定义:借助计算机图形学和图像处理等技术,使用几何图形、纹理、透明度、对比度以及动画技术等手段,将科学计算中产生的大量非直观的、抽象的或者不可见的数据以图形、图像的形式,直观、形象地表达出来,并交互处理的方法[1]。近年来科学可视化得到快速的发展。借助科学可视化,利用相关的计算机技术和方法,可以将大量不可视的信息转化为人们容易理解的可进行交互分析的图形、图像、动画等形式。有效地帮助研究者理解数据,发现数据中蕴含的规律,直观地通过视觉,借助特定的工具对处理过程进行控制,提高数据处理的质量和效率。

2.2 环境信息可视化

环境信息是现实环境世界的反映,是客观事物的存在及演变情况的反映,它包括环境保护领域的相关消息,报道和知识。其中环境要素信息是环境信息的主体和基础,如大气、水、土壤、植被、地貌、生态要素信息等,这些要素也是环境保护研究的重要对象,是环境监测的重要目标,这类环境信息不仅具有时间性,动态性而且都与地理空间位置相关,有明显的空间特征。此类环境信息应属于地理信息范畴,将这些非直观、抽象的数据利用GIS系统提供的计算机图形图像处理技术使用几何图形、纹理、对比度及动画等手段通过交互处理的方法以图形、图像的形式表达出来。这就是所谓的环境信息可视化。

3、环境信息可视化表达的内容

判断环境信息可视化的适用内容应该从环境信息是否具有空间特征出发,基于GIS平台进行可视化表达是在特定区域的地理空间内查询、分析和显示环境信息的分布,变化发展趋势,和其它环境要素的关系和影响等可视化处理。环境信息的绝大部分是可以实现可视化表达。根据计算机处理的交互过程可以体现为过程性表达和结果表达。 过程性表达表现为在交互处理过程中对所处理的环境信息表现进展性规律的专注。结果表达表现为对经计算机交互处理后的结果专注。实际处理中我们将适宜可视化表达的环境信息根据环境管理机构的业务及环境信息的处理深度分为以下层次:

3.1 环境监测数据

环境监测数据是环境保护工作的重要数据支撑,它直接反应监测区域的环境质量状况和发展趋势,是环境管理机构重要的基础性的业务数据,监测数据涉及大气、水、固体废物、噪声、土壤、生态等方面的内容,这些内容可通过交互操作以图形化的方式显示。以环境空气监测为例包括:大气污染点源的空间分布图,大气自动监测点的空间分布位置图、SO2、NO2、PM10区域分布状况图等。环境监测站可根据实时采集的数据更新数据库和可视图层进行管理。

3.2 实验分析测定数据

此类数据是在实验室内通过物理或化学的方法分析测定的。数据加工程度较深,如污染水质的常见污染物的检测数据,酸雨采集样本的测定,土壤重金属的测定等。上述数据同样易于图形化显示。

3.3 环境统计数据

按照国家环境保护部要求上报的环境统计数据。其中综合报表中各地区工业污染排放及处理利用情况(环年综1表)、各地区重点调查工业污染排放及处理利用情况(环年综1-1表)各地区火电行业污染排放及处理利用情况、各地区危险废物集中处置情况、各地区工业企业污染排放季报表等更易于分区统计方式的可视化表达。

3.4 环境决策支持数据

此类数据包括环境预测分析、环境评价分析、环境决策分析等数据,是专家通过成熟环境专业模型利用GIS的空间分析技术,综合分析复杂环境要素的影响得出的环境决策数据。如区域有害气体扩散的应急处理、建设项目的环境影响评价、环境规划等。

3.5 环境信息发布数据

向社会公众发布的日、季、年区域环境质量报告等。

4、环境信息可视化表达的方法

环境信息可视化表达的方法依赖于环境信息管理系统的功能。当前以GIS为平台管理系统可视化表达功能可以实现交互式的可视化查询,环境专题图表达、趋势与过程的动画表达、遥感图像与GIS图形融合、三维GIS表达等多种方式方法。不同的环境信息处理内容和要求决定可视化表达的方式。通过对污染物的可视化研究实践,我们总结出如下的目前适宜的环境信息的可视化方法。

4.1 环境专题地图

4.1.1 定点符号法

采用不同形状、颜色和大小的符号,表示各自独立的各个物体的数量与质量特征的方法。常用来表达环境信息呈点状分布状况。有定性和定量两种表达方法,如空气自动监测站的布点,主要表现为站点的空间位置信息,是定性要素,用符号形状与颜色表示其定性特征;燃煤锅炉的分布状况,定点符号应体现锅炉排放烟尘的数量差异,用符号的大小表示数量指标,视个体数量差异的大小,可采用比率符号和非比率符号两种。

4.1.2 等值线法

等值线可以显示地面和空间连续分布且均匀渐变的现象,并能说明这种现象在地图上任一点的数值和强度。通常用于表达大气污染物的扩散,地表水污染物的扩散,土壤重金属的分布等。扩展等值线也可以用于在一定时间内有时间变化的环境现象。如在突发有害化学气体泄漏事故表达中注意用等值线的虚实,粗细和颜色表示控制线以安排人员疏散。

4.1.3 网格法

地图网格法以网格为单元通过颜色或晕线表示事物数量和质量特征的方法。GIS的栅格数据模型更易于表现此类事物,栅格格网的像元值对应单元格位置上空间的现象特征 不仅计算效率高,还可以进行多种空间分析。现在除广泛用于城市环境质量评价外,还用于项目选址分析、环境影响评价等。

4.1.4 范围法

范围法也称区域法或面积法。表达专题要素在制图区域内间断而成片的分布范围。范围法能表示要素的质量特征和渐进性,一般不强调数量指标,有简单明确的优点,如土壤类型的分布,某种动物的活动范围,污染物的分布范围等

4.1.5 统计图法

分级统计图法是在整个制图区域的若干个小的区划单位内(行政区划或其它区划单位)根据各资料的数量指标进行分级,并用相应的色级或纹理反应各区现象的集中程度或发展水平差别。因为此方法对资料要求不高,易于保密,故应用广泛。缺点是不能反映区域内部的差异。常用于大气。水、噪声、土壤等要素质量,区域综合质量等,是信息发布常用的方法。

4.2 动画形式表达

可视化的环境信息除具有空间特征外,还具有时序特征,随着时间的变化,环境要素也可能发生动态变化。如污染物出现,扩散,消失显示污染物的变化趋势,这种动态变化特性可以用利用计算机动画连续和流动的时间特性来表达。不仅可以解释环境变化过程,还能对环境要素和现象间的关系做出解释,近而推断未来的环境变化趋势,给出合理的预测。动画采用的时间尺度与所研究的对象及资料的时间深度相关,利用GIS的动画技术可以通过交互操作的方式获得任意时段的环境要素的变化过程。动画表达方法是近年来常用的趋势研究方法。

4.3 RS与GIS融合表达

遥感图像用于环境监控在省级环境保护机构以得到应用如大气环境质量,土壤及生态状况等特定区域的卫星影像通过图像的几何纠正、投影变换、图像增强和分类处理或可以和GIS中同区域环境要素图层叠合在一起,进行多要素分析,增强了环境要素的直观性,扩展了数据的来源渠道,提高了分析水平。

4.4 三维GIS表达

计算机计算能力的提升,宽带网络技术的发展及信息系统软件功能的完善,促进了GIS三维显示技术。通过城市遥感影像图建筑物信息提取,GIS实现了虚拟城市景观,并可以改变用户的观察视角。在此基础上叠加用户需要的环境信息,就可以真实的表达现实场景,为环境管理提供更高层次的可视工具

4.5 实时视频表达

用实时监控视频监控区域内重点污染源,显示环境突发事件的现场状况是环境管理的有效方法。目前GIS平台无此项功能,但如有监控条件,可通过第三方软件来实现。

5、结语

环境信息可视化的应用条件已经成熟,环境信息可视化的技术可以提供给环境管理者和研究者更直观的,更符合人类认知规律的信息表达方式和方法。通过环境信息的构成研究证明大多数环境信息可利用可视化方式表达。不同内容的环境信息的处理要选择不同的可视化方法。专题环境图地图仍然是环境管理和研究的主要方法,它与传统的纸质环境地图不同,是环境信息管理者与系统交互处理的结果,过程中包涵查询,分析和处理的环节。动画、RS与GIS的融合,三维GIS的可视化,实时的监控,虚拟现实的技术是环境信息可视化未来发展方向。

[1]秦耀辰. 地球信息科学引论[M].北京:科学出版社. 2004.2 502-504

[2]黄仁涛. 专题地图的编制[M]. 武汉:武汉大学出版社 .2003.10 10-42

[3]欧竹斌. 环境制图中数量特征的表达方法研究[J].地理科学 .1996.2

[4]科技部国家遥感中心. 地理信息系统与管理决策[M].北京:北京大学出版社. 2000.4

[5]Paul A.longleg. 张晶译. 地理信息系统与科学[M].北京:机械工业出版社 . 2007.7

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.12.053

佳木斯大学科研项目 项目编号:L2007-78

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