基于GIS云平台的环境监测数据三维表征设计与应用初探

2015-04-26李维，蒋明

中国环境监测 2015年3期

李维，蒋明

1．桂林市环境保护科学研究所，广西桂林 541002

2．桂林市环境监测中心站，广西桂林 541002

环境监测的迅速发展带来多元海量的数据，“大数据时代”“信息爆炸”成为环境监测管理的难题。通过探讨环境监测“数据场”与“可视化”相关概念，初步探索了环境监测数据的三维表征设计与应用，力求在环境监测数据挖掘与环境质量综合分析等方面作出有益的尝试。

1 环境监测数据和可视化技术

以往对环境监测数据进行统计分析时，多是从数据是否超标或从时间序列上的分布特性等方面分析数据变化，主要利用统计图表形式(折线图、直方图、饼图等)来说明数据的特点［2］，较少利用数据与空间位置的相互关联来表达和分析利用。实际上，环境监测数据是一定地理区域内与空间位置紧密相关的数据集，并与相关环境因子共同构成“数据场”，即“环境监测数据场”。

基于地理信息技术和计算机可视化技术，可实现环境监测数据场的可视化。兴起于20世纪80年代中期的计算机可视化技术，发展出多种“体绘制(Volume Rendering)”技术，目前已广泛应用于地质、医疗、气象等领域。这些技术旨在运用图形方式表达海量数据中蕴涵的重要信息，提高数据挖掘能力，化解“数据爆炸”困境。因为人们从图像中能迅速感知大量、多维的信息，例如“三维气象可视化”［3］，针对海量气象数据，通过体绘制技术可同时显示各层气压面相关信息(气压、温度、湿度、风力、风向等)及地形条件，为准确分析天气状况及变化趋势提供极大便利。这类方法也是空气污染综合分析和演示技术之一。

2 环境监测数据场

环境监测数据通常是分布在特定区域中的物理量或化学量，通常可称之为“场”，如污染物浓度场。描绘场的属性通常是一个以空间位置(坐标)为自变量的矢量函数或标量函数，分别称之为矢量场或标量场。势场是一种重要的标量场，势函数是质点位置的函数，通常可用等势线或等势面来描绘其空间分布，如浓度线、等高线、等温面等。

在描绘数据场时，理想的情况是位于场中的任何数据对象都是相互影响的。引入标量函数——势函数(即位置或距离的函数，可以叠加)，若设数据场中每一个数据对象对场中任何一点的势都有贡献，且贡献的大小与距离的平方呈反比。数据场中任何一点x上的势函数可被定义为所有数据影响之和。给定n个数据点，距离D={d1，… dn}，则在x上的势函数定义为

式中:d(x，di)表示 x到数据点 di的距离，ρi为该点数值的大小(如监测数据值等)为向量因子，σ为影响因子。σ的大小变化将直接影响等势线的间距，σ越小则单个数据点的影响范围越小，等势线越密集，见图1(a)、图(b)。

不同类型的环境监测数据因其类型(矢量、标量)、空间位置分布特征(平面、立体、离散、连续)等不同而分别形成各种类型的数据场，见图1(c)～图1(f)。

总之，可将环境状况表达为以空间位置(坐标)为自变量的矢量函数或标量函数(即数据场)，并建立环境监测数据在空间场中的信息表征形式(即可视化)数学模型。

3 基于云技术的GIS可视化平台

3.1 基于云技术的三维可视化平台

利用GIS软件平台可实现环境监测数据场的可视化。既可使用独立的GIS平台(如ArcGIS、SuperMap GIS、MapGIS、GeoGlobe、EV-Globe 等)，也可使用基于云技术的网络共享式平台(如谷歌地球、天地图等)。谷歌地球是一款由谷歌公司开发的免费的虚拟地球仪软件，它可将遥感影像和GIS数据展示在一个三维地球模型上，免费提供全球的卫星影像数据(在城市和重点区域提供的影像分辨率高达1 m)，是目前全球范围内技术较成熟且支持二次开发的三维可视化云平台系统。充分利用谷歌地球平台，可节省大量的平台建设时间和基础数据、资料(如卫星影像、高程数据等)购置费用，用户只需专注于自有数据的可视化表征设计与应用实现，效率极高。

3.2 数据场的空间坐标系

为保证数据处理的一致性，环境监测数据集使用的空间坐标应尽可能统一为大地坐标系，即三维地心坐标系。中国的测绘部门建议GIS数据系统的坐标统一使用CGCS2000坐标系。CGCS2000是以地球质量中心为原点的全球地心坐标系，该坐标系的定义与WGS84坐标系采用的参考椭球非常接近，扁率差异引起椭球面上的纬度和高度变化最大仅为0.1 mm。在当前测量精度范围内，可以忽略。从原理上说，监测数据场只要被赋予大地坐标系和高程，并叠加在虚拟地球体上，就已具有三维特征［4］。

3.3 数据场的叠加

环境监测数据场的变化常常受到许多外界环境因子的影响，如地表状态(下垫面糙度、土地利用等)、高程地形、气压风场等。在实际表征应用中，需要对这些因子进行统一考虑，在GIS中这些因子可以用地图图层来表示。环境监测数据表征，一般是指监测数据层与背景层的叠加处理。在GIS处理分析过程中，往往需要进行层与层之间的叠加运算;而在数据表征中，主要是利用各层在同一区域的相互影响关系来简化问题、说明问题和还原情景。

4 数据场的场景还原与环境背景表达

在表达环境监测数据特点时，如能充分利用计算机可视化技术真实还原现实场景以适应人类感官特点，则能更生动地表达环境问题或环境监测相关问题。特别是包含了丰富信息量的遥感影像，在还原场景方面能起到独到的作用。许多在实际工作中易为人所忽略的问题，在遥感影像中均能以不同方式呈现出来，常常能为环境问题分析带来全新的视野［5-6］。

在军事上，利用电子沙盘(图2、图3)和地形匹配等虚拟仿真技术可辅助解决战役决策和战术判断等问题［7］。在环境监测领域，也可利用类似技术还原现实场景、辅助解决污染状况评估和数据挖掘等方面的问题。

图2 基础地理场景

图3 标志性建筑

5 环境监测数据场的可视化

环境模拟技术常用等值线、趋势面、多图层叠加等方式作可视化表达，包括一维、二维、三维及综合形态。如三维体绘制可视化是一种直接由三维数据场在屏幕上产生二维图像的技术，常用的算法有光线投射法、足迹表法、错切变形法、三维纹理贴图法等，已广泛应用于医学、地质和气象相关领域，也可应用于环境和地球科学等方面。三维可视化主要是描绘和理解模型的一种手段，是数据体的一种表征形式［8］。可视化既可用于过程描述，又可用于状态表达。

在实践中，基于谷歌地球平台，通过 API、KML等二次开发技术，可将经过处理的环境监测数据专题图层叠加于三维地球模型上，实现三维可视化表征(图4)。谷歌地球使用KML文件来描述三维显示界面中所显示的地标、曲线、多边形、多面体、三维模型等。KML文件是一种使用XML描述语言的文本格式文件，程序员通过简单的几行程序代码即可读取、生成所需的KML文件以绘制图形。因此，使用KML格式的地标文件非常利于基于云技术平台的GIS系统的开发。

图4 数据流程示意图

5.1 环境监测数据库的后台支持

通过建立“环境监测数据管理信息系统(MIS)”，实现数据的集中存储、分类管理及统一处理，需要积累丰富的历史数据，为GIS系统的大数据分析提供后台数据支持。

5.2 基础地图和环境专题图数据

基础地图是指各类基础电子底图、高程数据、遥感影像等。环境专题图数据指与环境监测相关的地理图层数据，如土壤、地质、植被、土地利用、管网分布、城市规划等专题图。

5.3 环保地物要素的三维模型

重要的环保地物要素(如废气排放设施、废水设施、自动监测子站、排放口标志等)可以使用三维模型来表达。在谷歌地球平台中，三维模型可分为两种:一种是简单模型(少量立体形状构造)，见图5-1;另一种是精致模型(复杂立体形状构造+精细贴图)，见图5-2，精致模型如图3所示的标志性建筑、污染物排放设施、工厂典型设施等。在环境监测数据可视化系统中适度利用三维模型，可提高现场实景效果，起到画龙点睛的作用。

图5-1 废水污染源(污水处理厂)

图5-2 废气污染源(水泥厂)

6 数据场的可视化表达——表征设计

环境监测三维可视化涉及数据预处理、数据场模型、三维建模、GIS处理、动态表达等多方面的处理技术，该研究主要讨论不同类型环境监测数据的三维立体表达相关的问题，即三维表征设计。

6.1 数据的预处理

6.1.1 数据标准化

不同类型的监测数据往往具有不同的数据评价方式，同类型的评价方式下不同监测项目往往具有不同的评价标准限值。对同幅显示的数据进行归一化等方面的前处理，有利于数据间的同尺度比较判断。例如:空气污染指数(API)、空气质量指数(AQI)、水质污染指数等。

6.1.2 指标筛选

环境监测项目众多，但实际工作中往往只需关注部分重要指标的情况。可通过相关数据模型对指标进行筛选，以便准确把握主要问题。如饮用水源水监测指标多达109项，一般只有少数几个指标(如氨氮、总磷等)值得关注。

6.1.3 显示控制

对于数据值变化差异过大或过小的数据集，要通过一些函数曲线来拉伸或压缩，调整显示幅度，可在可视区范围内合理地表现数值;对于数据空间分布疏密不均，相互关联紧密的数据集，通过加密(或抽稀)插值或专业模型，使其分布均匀。

6.2 环境监测数据的表征形式

不同类型的环境监测数据场(如污染源、水体、气体、噪声、生态等)往往具有不同的空间分布特征，可分别进行表征设计。部分典型环境监测数据场的可视化表征方案示例如下:

1)噪声环境质量:①区域环境噪声网格监测:将区域网格的测点噪声值转换为高度值构成网格立方体(图6)，立方体的色彩和高度，代表网格噪声污染严重，通过每个立方体下呈现的道路车流量、房屋类型、建筑密度和地貌等相关要素分析，结合监测值，可以直观地判断区域噪声污染原因，并提供网格化管理依据;②噪声污染立体渲染:利用数学模型准确计算噪声在三维空间的传播与分布，得到的各层各点噪声值，配色渲染到三维建筑模型表面上(图7)，可以精确表达建筑物表面各单元污染程度，直观地展现于三维可视化系统中，为环境影响评估等提供便利;③道路交通噪声和环境噪声功能区划图等(图略)。

2)空气环境质量:①二维浓度等值线:对监测结果进行加密插值和级别分类后形成二维等值线图(图8)，展现于三维可视化系统中;②三维浓度分布曲面:对监测结果通过加密插值后转换为高程值，形成空气污染物三维曲面，见图9;③散点柱体动态分布:图10为全国范围的空气监测点位的污染物浓度分布图，其属性中存储了12个月的浓度值，通过时间滑动控制标尺随时间移动，可表现空间环境中空气污染值的动态变化情况。

图6 网格噪声监测三维柱图

图7 噪声污染三维渲染图

图8 空气污染物二维等值线

图9 空气污染物三维曲面

图10 空气监测与污染散点动态表达

3)水体环境质量:①综合污染指数的表征:可通过不同颜色的点状图标表达各监测点的污染程度;②单项指标的表征:经归一化处理，筛选重要指标，计算单项指数，可通过柱体分级分段表达各指标水质类别及污染状况，图11为河流水各断面的氨氮污染分级图;③区域内水体污染物浓度分布表征(类似于图8)。

4)污染源分布:①将工业废水、废气和生活源等各类污染源标注于三维可视化系统中，按类型分别使用相应的图形符号(如烟囱、污水排放口等，图12)。②对典型污染源的工艺设施、产污设备、处理设施、污染物排放口等典型设施使用三维模型进行直观表达(可参考图4、图5);当视点由远及近时，触发(或点击)不同比例尺下的动态显示功能，污染源由符号图形过渡转换到实体三维模型，表达实景视觉的特点。

图11 水质监测与污染分布

5)二维矢量数据的三维显示:对生态遥感监测结果、土壤类型、植被覆盖、水文地质等面状分布的数据层，一般不存在高程值，但与地形地貌的相关性极高。通过投影配准、透明度及配色处理后，叠加在EDM数据上，结合遥感影像纹理及三维场景(图13)，其显示效果也远优于平面形态。

6)栅格图的三维显示:其他环保专题栅格图或遥感影像，也可配准后叠加在三维场景中。图14为某次污染事故平面专题图在三维场景的表达示例，使纸质图中细致突出的专业要素、遥感影像中丰富地物信息和三维地形的立体多面体的各自优势相互补充，多方位表达环境状况，为污染事故应急指挥提供直观借鉴。

图12 污染源点状表达

图13 矢量图(生态遥感)三维显示

图14 栅格图与三维数据叠加表达

6.3 动态展现与时态分析

环境质量状况主要受到污染物排放量和环境因素(如空气污染时的气压分布、风速风向、温度、湿度等)等方面的影响，随时间变化而变化。污染物排放量和环境因素本身往往也会随时间变化而发生改变。因此，对连续时间点的环境监测数据及环境因素的状态(即时态数据)开展时态分析，将有助于准确了解环境状况变化规律并预测环境状况变化趋势，为进一步制定污染防治方案提供科学依据。三维可视化系统能以动态展现方式回顾、追踪、分析环境质量状况的变化情况。图15展现了20张连续时间点的亚欧地面气压场分布图(每张间隔6 h)，通过调节系统中的时间滑动控制标尺，可以动画形式连续展示5 d内的气压场等值线分布变化过程，为开展环境空气质量变化分析提供极大便利。

7 三维可视化应用与环境质量综合分析

上述环境监测“数据场”和“可视化”，可理解为“环境电子沙盘”的应用，实质上是利用计算机可视化技术展现和分析污染分布和变化过程。

7.1 三维表征的特点与目的

7.1.1 多维多元的交织

三维表征方式比二维表达增加了对高度、形态、侧表面的描述，从二维平面 (x，y)向三维空间(x，y，z)，甚至加上时间(t)构成四维子集 (x，y，z，t)形成的数据集合，扩展了对数据的整体认识，有利于表达和分析环境空间中交织混杂多因子间的相互作用。

7.1.2 多形态的表达

通过三维场景、动态透视、多角度、多方位、多时态地直观展示环境监测结果，有利于分析环境空间的相关因子的叠加、交错、切割、融合等相互影响。

7.1.3 多要素的融合

结合数据处理模型、数据表征方式、相关环境背景，在透视场景中展示数据，以监测数据集及污染源的二维三维表征方式，汇聚地理专题要素(气象水文、土地利用、土壤植被等)和GIS平台共享数据(遥感影像、地形地貌、辅助图层)等资源，促进多学科交融，从多层次地表达和分析环境因子变化趋势，最终实现对海量环境监测数据的深度挖掘。

7.2 基于GIS云平台的环境监测数据三维表征应用

GIS云平台中丰富的共享资源与环保专题数据等通过统一格式、坐标、平台，再结合三维表征形式构建的技术平台，为分析和理解数据提供实用工具。对环境质量综合分析极有应用价值。

1)环境质量综合分析。目前，地市级环境监测站的监测结果一般为300～600万个/年，但绝大部分监测数据没有充分利用。因缺乏数据管理和统计分析手段，加上时间仓促，无法结合相关环境因子开展环境质量状况综合分析。利用GIS云平台模式，监测站可实现环境监测管理信息系统和三维环境可视化系统的自主研发，充分利用已有的海量环境监测数据和大量的共享资源，根据实际情况设计定制不同的数据表征方式，通过直观形象的可视化表达，可实现海量环境监测数据的高效利用，为实现三个“说得清”——说清环境质量现状及变化趋势、说清污染物排放状况、说清潜在的环境风险提供强大的技术支撑。桂林站多年来坚持环境质量综合分析例会制度，应用三维可视化技术，促进各种知识交流和数据表达，极大提高了环境质量综合分析水平。

2)数据挖掘和深化环境问题研究。对多源数据整合和数据挖掘，可深化环境问题的研究。例如在空气污染分析中，可将污染源、气象、地形、空气监测数据等同时展现于立体虚拟时空中，表达分析污染过程的时空分布及变化过程;在噪声污染分析中，可将污染源、道路、建筑、地形、噪声监测数据等同时展现于立体虚拟时空中，分析噪声源及影响范围;在生态环境分析中，可将植被、岩性、土壤、水文、土地利用类型、地貌等多要素叠加，利用多学科的知识和原理分析生态环境的特点和变化趋势，发现和解读异常问题。又如在桂林市南溪河流域面源污染研究调查中［13］，结合点源、面源(利用生态遥感手段监测城市土地利用、建筑、人口分布)和地表水水质监测、河流纳污区和地下排污管网等的调查结果，利用可视化技术建立了虚拟环境，明晰了各环境要素间的区域空间联系，极大提高了对污染成因调查的分辨率与准确性。相关资料表明，可视化技术已应用于污染源［9］、环境功能区划［10］、噪声地图［11］、空气污染［12］等多个专项工作，部分省市环境信息系统也已建有三维模块的污染源和污染模拟场景。

7.3 对不同受众的不同作用

三维表征技术及形式，可应用于不同层次的专业汇报、技术讲座、大众科普，针对不同受众(领导、专家、技术人员、公众等)分别设计不同的表征方式，既可实现直观、简洁的演示，又可实现精确、全面的表达。①对于环境专业人员:是以监测数据为依据作数据挖掘，综合多学科知识，利用三维可视化技术开展环境质量综合分析，归纳总结环境质量变化过程、原因及趋势，为环境管理部门提出可行的对策建议;②对于领导层:系统以多种角度直观地展示和解读环境问题，让领导层结合对问题的宏观把握，了解和决定处理问题的抉择，辅助决策;③对于公众:系统以场景方式深入浅出地演示环境状况，有利于说明环境问题的多元性和复杂性，引导并提高大众环保意识。