舰载地理信息系统在海洋原油泄漏响应中的应用研究

高润喜

(包头铁道职业技术学院，内蒙古包头014060)

舰载地理信息系统在海洋原油泄漏响应中的应用研究

高润喜

(包头铁道职业技术学院，内蒙古包头014060)

摘要:海洋原油泄漏响应系统是一种信息化的决策支持系统，用于对海洋原油泄漏事故进行实时监控、分析和响应。本文提出一种基于地理信息系统(GIS)的海洋原油泄漏响应系统，该系统集成多种分析模型，如三维水力模型，油迹动态模型等，并能够运行在地理信息系统平台上，结合传统地理信息系统的功能，发挥更好的效果。在本文中，对系统的框架和关键技术进行研究，研究并设计了所需的数据库，最后构建了原型系统并进行仿真，最终结果表明本文提出的方法能够较为精确地预测海洋油迹的变化规律，并能够给出及时的响应，具有较高的可用性。

关键词:地理信息系统;原油泄漏;事故响应

Research on application of ship GIS in marine oil splitting response

GAO Run-xi
(Baotou Railway Vocational and Technical Collge Inner Mongolia，Baotou 014060，China)

Abstract:Marine oil spill response system is an information decision support system，used for Marine oil spill in real－time monitoring，analysis and corresponding．This paper puts forward a kind of based on geographic information system (GIS) of Marine oil spill response system，the system integrates many kinds of analysis model，such as 3 d hydraulic model，soil dynamic model and so on，and be able to run on geographic information system platform，combined with the traditional function of geographic information system，play a better effect．In this article，the system framework and key technologies are studied，the research and design of the database，and finally built a prototype system，the final result shows that the proposed method can more accurately predict the changing rule of the Marine oil stains，and be able to give a timely response，has the high usability．

Key words:GIS; oil splitting;accidents response

0　引言

原油运输在当前的航运业中扮演着重要角色，由于其较低的费用和较为稳定的航道，使得各国将航运作为原油进出口的重要途径。除此之外，随着海洋勘探和钻探技术的提高，海洋石油钻井平台的数量也不断扩张，海洋已经成为人类石油等矿石资源开发的新战场。然而，在各国不断发展自身的海洋石油钻探和石油运输业的同时，各种各样的原油泄漏事件也屡次发生，对海洋及海洋周边岛屿、海岸的生态环境造成及其严重的影响。并且，随着航运业的不断发展，此类事件的发生频率一直居高不下，甚至逐渐呈上升态势，造成的环境危害不断扩大，经济损失也逐年上升。为此，各个企业、政府和机构，提出多种方法遏制这一问题，使得如何应对海洋原油泄漏事件逐渐成为当前研究和发展的热点之一［1－2］。

纵观历史上发生的原油泄漏事件，其造成较大

影响的原因主要有2点:一是原油泄漏之后呈漂浮状态，其运行轨迹难以预测，因此对海洋油迹的清理难度较大;二是当前原油泄漏的监视和报告过程缺乏实时性，难以在事故发生的第一时间给出报告和响应，导致在后期处理过程中，需要耗费较大的时间和精力，却难以取得较好的效果［3］。

信息技术的发展，为解决以上问题提供机会，当前地理信息系统逐渐在各个领域取得了广泛应用，且功能也被不断完善和增强，使其具备了直观、方便、自动化处理地理空间信息的能力，逐渐成为船舶导航、定位等不可或缺的重要助航设备。本文目的在于研究如何在地理信息系统平台上，构建一种信息化、自动化的海洋原油泄漏响应系统［4］。该系统一方面能够结合地理信息系统的原有功能，实现对原油泄漏位置的精确定位，结合电子地图直观显示事故影响的范围和发展的态势，从而为下一步的灾难处理提供决策支持;另一方面能够融入当前原油泄漏响应研究领域最新的模型，实现对事故相关信息的自动化分析、预测和记录。本文对该系统的框架和关键技术进行研究，提出了初步的实现方案，并在此基础上设计实现了原型系统，通过实验证明本文提出方法具有较好的可用性。

1　系统框架

本系统的框架主要包含地理信息系统(GIS)、3－D水力模型、油迹动态模型、油迹回溯模型和以C + +语言编写的各种模型接口与GIS接口等，系统框架如图1所示。

图1　系统整体框架Fig.1　The architecture of system

为了将各种模型、数据库和地理信息模型相融合，需要使用C + +定义各种软件模块和接口，通过这些模块和接口，一方面能够使得用户与系统进行良好的交互，并能够在图形化的界面上直观观察所需的各种数据和信息;另一方面能够将多种模型和GIS相结合，使得对于信息分析的结果能够直接显示在GIS的电子地图之上，较为方便和直观。在本系统中GIS主要完成3个功能:

1)为海洋原油泄漏响应系统和用户提供交互的界面;

2)连接系统的输入、模型和输出;

3)管理GIS空间和属性数据库和响应数据库。

2　环境管理GIS

本文中使用的GIS系统为环境管理地理信息系统(EMGIS)，使用VC + + 6.0开发，运行于Windows平台。

2.1数据结构

EMGIS中使用的数据主要有2部分组成:图形化数据和属性数据。通过ActiveX数据对象技术，可以将2种数据同时存储于关系型数据库管理系统中，如SQLServer，Oracle等。在数据库中，图形化数据采用BLOB格式存储，采用层次化的组织方式，例如对于一幅地图来说，可分为地图层、图形层、实体层，具体的层次划分如图2所示。

图2　图形化文件的结构层次Fig.2　The hierarchical of graphic data

在数据库中使用3种表单存储图形化文件，第1种表单存储图形化数据;第2种表单存储属性数据;第3种表达存储空间索引信息。为了提高空间数据请求的精确性和图形化表示的能力，EMGIS中使用MBR技术和R－TREE索引技术。

2.2 EMGIS的主要功能

EMGIS能够提供传统GIS所有的功能和部分扩展功能，如数据输入、编辑、管理、输出，空间数据和属性数据的请求和对图层的管理等。将原油泄漏数值模型与EMGIS相结合，使得可以利用EMGIS

的图形化界面，直观实时地显示数值模型的处理结果。

EMGIS同时也是一个开放系统，能够读取当前主流的桌面GIS文件和CAD系统文件，如ArcView 的* .shp文件，MapInfo的* .Mif文件，Auto－cad 的* .dxf文件等。同时EMGIS产生的文件也能够被上述系统读取和使用。

3　数值模型介绍

3.1水力模型介绍

在本系统中，水力模型经过修改之后用来预测原油泄漏区域的潮汐洋流变化。该模型最初由Blumberg和Mellor在1987年提出，该模型在三维空间中使用有限差分近似的方法解决了对于水力的建模问题。使用该模型给出的方法，给出当前潮汐洋流的状态，采用“dry－wet”方法解决移动边界问题，然后使用ADI方法对仿真模型进行计算。并且将unison常数存储在数据库中，极大提高了潮汐洋流预测的速度［5］。

3.2轨迹动态模型

泄漏原油的油迹分布和动态趋势，由复杂的物理、化学甚至生物等多种因素影响，如蒸发、扩散、溶解、光化学反应、降解、沉降和浮游生物摄入等。为了快速对油迹的动态变化和发展趋势进行反应，模型无法也不需要将以上所有因素全部考虑中去，只需考虑若干关键和基础因素对油迹的影响即可。

在建模的过程中，首先将连续的原油痕迹分割为大小相等的点，将整个泄漏原油痕迹看做离散的点迹的集合，则每个点迹的移动规律可以被独立计算。其移动过程受到洋流、湍流和浮力的影响。其中湍流的影响被建模为三维随机漫游过程，而浮力则受到点迹密度和大小的影响。对以上问题Mackay 在1984和1980年分别给出了描述模型和公式，以风速、点迹含水量和特殊常数为参数，并且，当点迹漂浮到海岸之后，则认为点迹不再移动，将其从仿真过程中剔除。

3.3回溯模型

在某些原油泄漏事故中，当事人或船舶并未及时发现这一事故的发生，因而可能在事故发生的若干天之后，相关机构才能收到事故报告，导致难以确定事故的责任人和污染的影响范围。为了确定最初的原油泄漏位置，采用Monte－Carlo方法构建了回溯模型，使用概率论方法和随机过程方法来解决该问题。通过输入当前原油点迹的位置和当前的时间等参数，模型可以通过仿真过程，给出原油初始位置的结果，进而用来确定原油泄漏的精确位置。

4　数值模型与GIS的集成

本文中使用的全部数值模型均使用Visual Fortran语言进行编写，并使用动态链接库(DLL)进行存储和使用。GIS中具备多种开放式的接口，能够方便地进行二次开发，本文将使用这些接口，将前文提到的数值模型与GIS相结合，集成之后的系统模型如图3所示。

图3　集成系统结构图Fig.3　The structure of integrated system

在使用过程中，用户输入模型参数，如原油泄漏的位置和时间、风力、洋流速度等，在通过模型计算完毕之后，结果以二进制文件或文本文件的形式存储。当用户需要直观地看到计算的结果时，只需在用户界面上点迹相应的按钮，GIS即可读取计算结果文件，并将结果直观的显示在EMGIS的电子地图上。

5　实验分析

在本文中，将采用实际事故案例对本文提出的系统进行测试。采用的案例为2004年12月7日发生在南海担杆岛的原油泄漏事故。在此次事故中，1艘韩国油轮和德国油轮发生碰撞，进而造成了较大范围的原油泄漏事故，被称为“担杆岛12.7”事故，产生了较为恶劣的影响。

本文采用该事故作为测试用例，根据事实发生的数据作为输入，然后采用本文设计和实现的系统对原油泄漏的位置、发展趋势以及响应时间等进行测试，并与之后发生的实际情况进行比对，从而测试本文提出方法的正确性。

在此次事故中，韩国油轮共泄漏了超过1 450 t的原油和燃料。泄漏发生时，周边海域风速为13～16 m，泄漏的时间约为20 h，对周边环境影响较大，采用海洋原油泄漏响应系统对担杆岛周边的环境进行查看，并在EMGIS中显示海岛的具体位置，其结果如图4所示。

图4　岛屿及泄漏海域地图Fig.4　The map of the island and oil splitting area

将以上参数输入本文设计的系统中，并对最初2天的原油点迹移动轨迹进行估计和计算，其结果如图5所示。该结果计算出的原油表面覆盖范围和移动轨迹，与事故发生之后的实际值非常接近。然而，由于此次事故发生时，大多数的参数并未及时采集，因此在本文的测试过程中，仅仅使用了一部分参数，导致最后的结果与实际结果仍然存在一定的差异，然而，通过采集更多的初始参数，该差异可进一步缩小。

图5　系统处理结果与实际结果Fig.5　The result of system output and real data

通过以上测试证明:首先，本文提出的方法能够将GIS与传统的数值模型相结合，取得较好的使用效果;其次，本文提出的设计方案能够较为准确的预测原油泄漏事故发生之后的影响和发展趋势，对灾后的处理工作具有较大的参考价值。

6　结语

海洋地理信息系统是一种具备强大功能的通用地理信息处理和管理系统，能够在海洋环境中发挥重要的作用，进而可以用于海洋原油泄漏事故的分析和响应。本文在深入研究原油泄漏事故响应需求和海洋地理信息系统功能模块的基础上，对地理信息系统在海洋原油泄漏响应中的应用进行研究，给出系统的基本框架、关键技术和集成方法，最后使用实验分析，证明本文提出方法具有较好的可用性。

参考文献:

［1］MARTIN P H，LEBOEUF E J，DANIEL E B，et al．Development of a GIS－based Spill Management Information System［J］．Journal of Hazardous Material，2004(12) : 239 －252．

［2］任席闯，左丽芬，李树明，等．基于GIS的超低频通信服务区的预测［J］．舰船科学技术，2013，35(4) :86－90．REN Xi-chuang，ZUO Li-fen，LI Shu-ming，et al．The prediction of VLF communication service zone based on GIS［J］．Ship Science and Technology，2013，35(4) : 86 －90．

［3］FRENCH McCay，D．P．Environmental toxicology and chemistry［Z］．Special Issue honoring Don Mackay，2004．

［4］胡安康．船舶数字化设计的主脉——CAE信息链［J］．舰船科学技术，2008，30(1) :66－70．HU An-kang．The main vein of digital ship design——CAE information chain［J］．Ship Science and Technology，2008，30(1) :66－70．

［5］MARK S．Arc/info marine spill GIS［J］．Spill Science＆Technology Bulletin，2005，12 (1) :81－85．

作者简介:高润喜(1964－)，男，副教授，研究方向为测绘工程及高职测绘教学研究。

收稿日期:2014－11－15;修回日期: 2014－12－30

文章编号:1672－7649(2015) 07－0176－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.041

中图分类号:P208

文献标识码:A