基于GIS云平臺的環境監測數據三維表征設計與應用初探

李 維，蔣 明

1．桂林市環境保護科學研究所，廣西 桂林 541002

2．桂林市環境監測中心站，廣西 桂林 541002

環境監測的迅速發展帶來多元海量的數據，“大數據時代”“信息爆炸”成為環境監測管理的難題。通過探討環境監測“數據場”與“可視化”相關概念，初步探索了環境監測數據的三維表征設計與應用，力求在環境監測數據挖掘與環境質量綜合分析等方面作出有益的嘗試。

1 環境監測數據和可視化技術

以往對環境監測數據進行統計分析時，多是從數據是否超標或從時間序列上的分布特性等方面分析數據變化，主要利用統計圖表形式(折線圖、直方圖、餅圖等)來說明數據的特點［2］，較少利用數據與空間位置的相互關聯來表達和分析利用。實際上，環境監測數據是一定地理區域內與空間位置緊密相關的數據集，并與相關環境因子共同構成“數據場”，即“環境監測數據場”。

基于地理信息技術和計算機可視化技術，可實現環境監測數據場的可視化。興起于20世紀80年代中期的計算機可視化技術，發展出多種“體繪制(Volume Rendering)”技術，目前已廣泛應用于地質、醫療、氣象等領域。這些技術旨在運用圖形方式表達海量數據中蘊涵的重要信息，提高數據挖掘能力，化解“數據爆炸”困境。因為人們從圖像中能迅速感知大量、多維的信息，例如“三維氣象可視化”［3］，針對海量氣象數據，通過體繪制技術可同時顯示各層氣壓面相關信息(氣壓、溫度、濕度、風力、風向等)及地形條件，為準確分析天氣狀況及變化趨勢提供極大便利。這類方法也是空氣污染綜合分析和演示技術之一。

2 環境監測數據場

環境監測數據通常是分布在特定區域中的物理量或化學量，通常可稱之為“場”，如污染物濃度場。描繪場的屬性通常是一個以空間位置(坐標)為自變量的矢量函數或標量函數，分別稱之為矢量場或標量場。勢場是一種重要的標量場，勢函數是質點位置的函數，通常可用等勢線或等勢面來描繪其空間分布，如濃度線、等高線、等溫面等。

在描繪數據場時，理想的情況是位于場中的任何數據對象都是相互影響的。引入標量函數——勢函數(即位置或距離的函數，可以疊加)，若設數據場中每一個數據對象對場中任何一點的勢都有貢獻，且貢獻的大小與距離的平方呈反比。數據場中任何一點x上的勢函數可被定義為所有數據影響之和。給定n個數據點，距離D={d1，… dn}，則在x上的勢函數定義為

式中:d(x，di)表示 x到數據點 di的距離，ρi為該點數值的大小(如監測數據值等)為向量因子，σ為影響因子。σ的大小變化將直接影響等勢線的間距，σ越小則單個數據點的影響范圍越小，等勢線越密集，見圖1(a)、圖(b)。

不同類型的環境監測數據因其類型(矢量、標量)、空間位置分布特征(平面、立體、離散、連續)等不同而分別形成各種類型的數據場，見圖1(c)～圖1(f)。

總之，可將環境狀況表達為以空間位置(坐標)為自變量的矢量函數或標量函數(即數據場)，并建立環境監測數據在空間場中的信息表征形式(即可視化)數學模型。

3 基于云技術的GIS可視化平臺

3.1 基于云技術的三維可視化平臺

利用GIS軟件平臺可實現環境監測數據場的可視化。既可使用獨立的GIS平臺(如ArcGIS、SuperMap GIS、MapGIS、GeoGlobe、EV-Globe 等)，也可使用基于云技術的網絡共享式平臺(如谷歌地球、天地圖等)。谷歌地球是一款由谷歌公司開發的免費的虛擬地球儀軟件，它可將遙感影像和GIS數據展示在一個三維地球模型上，免費提供全球的衛星影像數據(在城市和重點區域提供的影像分辨率高達1 m)，是目前全球范圍內技術較成熟且支持二次開發的三維可視化云平臺系統。充分利用谷歌地球平臺，可節省大量的平臺建設時間和基礎數據、資料(如衛星影像、高程數據等)購置費用，用戶只需專注于自有數據的可視化表征設計與應用實現，效率極高。

3.2 數據場的空間坐標系

為保證數據處理的一致性，環境監測數據集使用的空間坐標應盡可能統一為大地坐標系，即三維地心坐標系。中國的測繪部門建議GIS數據系統的坐標統一使用CGCS2000坐標系。CGCS2000是以地球質量中心為原點的全球地心坐標系，該坐標系的定義與WGS84坐標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。在當前測量精度范圍內，可以忽略。從原理上說，監測數據場只要被賦予大地坐標系和高程，并疊加在虛擬地球體上，就已具有三維特征［4］。

3.3 數據場的疊加

環境監測數據場的變化常常受到許多外界環境因子的影響，如地表狀態(下墊面糙度、土地利用等)、高程地形、氣壓風場等。在實際表征應用中，需要對這些因子進行統一考慮，在GIS中這些因子可以用地圖圖層來表示。環境監測數據表征，一般是指監測數據層與背景層的疊加處理。在GIS處理分析過程中，往往需要進行層與層之間的疊加運算;而在數據表征中，主要是利用各層在同一區域的相互影響關系來簡化問題、說明問題和還原情景。

4 數據場的場景還原與環境背景表達

在表達環境監測數據特點時，如能充分利用計算機可視化技術真實還原現實場景以適應人類感官特點，則能更生動地表達環境問題或環境監測相關問題。特別是包含了豐富信息量的遙感影像，在還原場景方面能起到獨到的作用。許多在實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出來，常常能為環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可輔助解決戰役決策和戰術判斷等問題［7］。在環境監測領域，也可利用類似技術還原現實場景、輔助解決污染狀況評估和數據挖掘等方面的問題。

圖2 基礎地理場景

圖3 標志性建筑

5 環境監測數據場的可視化

環境模擬技術常用等值線、趨勢面、多圖層疊加等方式作可視化表達，包括一維、二維、三維及綜合形態。如三維體繪制可視化是一種直接由三維數據場在屏幕上產生二維圖像的技術，常用的算法有光線投射法、足跡表法、錯切變形法、三維紋理貼圖法等，已廣泛應用于醫學、地質和氣象相關領域，也可應用于環境和地球科學等方面。三維可視化主要是描繪和理解模型的一種手段，是數據體的一種表征形式［8］。可視化既可用于過程描述，又可用于狀態表達。

在實踐中，基于谷歌地球平臺，通過 API、KML等二次開發技術，可將經過處理的環境監測數據專題圖層疊加于三維地球模型上，實現三維可視化表征(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、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格式的地標文件非常利于基于云技術平臺的GIS系統的開發。

圖4 數據流程示意圖

5.1 環境監測數據庫的后臺支持

通過建立“環境監測數據管理信息系統(MIS)”，實現數據的集中存儲、分類管理及統一處理，需要積累豐富的歷史數據，為GIS系統的大數據分析提供后臺數據支持。

5.2 基礎地圖和環境專題圖數據

基礎地圖是指各類基礎電子底圖、高程數據、遙感影像等。環境專題圖數據指與環境監測相關的地理圖層數據，如土壤、地質、植被、土地利用、管網分布、城市規劃等專題圖。

5.3 環保地物要素的三維模型

重要的環保地物要素(如廢氣排放設施、廢水設施、自動監測子站、排放口標志等)可以使用三維模型來表達。在谷歌地球平臺中，三維模型可分為兩種:一種是簡單模型(少量立體形狀構造)，見圖5-1;另一種是精致模型(復雜立體形狀構造+精細貼圖)，見圖5-2，精致模型如圖3所示的標志性建筑、污染物排放設施、工廠典型設施等。在環境監測數據可視化系統中適度利用三維模型，可提高現場實景效果，起到畫龍點睛的作用。

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 數據場的可視化表達——表征設計

環境監測三維可視化涉及數據預處理、數據場模型、三維建模、GIS處理、動態表達等多方面的處理技術，該研究主要討論不同類型環境監測數據的三維立體表達相關的問題，即三維表征設計。

6.1 數據的預處理

6.1.1 數據標準化

不同類型的監測數據往往具有不同的數據評價方式，同類型的評價方式下不同監測項目往往具有不同的評價標準限值。對同幅顯示的數據進行歸一化等方面的前處理，有利于數據間的同尺度比較判斷。例如:空氣污染指數(API)、空氣質量指數(AQI)、水質污染指數等。

6.1.2 指標篩選

環境監測項目眾多，但實際工作中往往只需關注部分重要指標的情況。可通過相關數據模型對指標進行篩選，以便準確把握主要問題。如飲用水源水監測指標多達109項，一般只有少數幾個指標(如氨氮、總磷等)值得關注。

6.1.3 顯示控制

對于數據值變化差異過大或過小的數據集，要通過一些函數曲線來拉伸或壓縮，調整顯示幅度，可在可視區范圍內合理地表現數值;對于數據空間分布疏密不均，相互關聯緊密的數據集，通過加密(或抽稀)插值或專業模型，使其分布均勻。

6.2 環境監測數據的表征形式

不同類型的環境監測數據場(如污染源、水體、氣體、噪聲、生態等)往往具有不同的空間分布特征，可分別進行表征設計。部分典型環境監測數據場的可視化表征方案示例如下:

1)噪聲環境質量:①區域環境噪聲網格監測:將區域網格的測點噪聲值轉換為高度值構成網格立方體(圖6)，立方體的色彩和高度，代表網格噪聲污染嚴重，通過每個立方體下呈現的道路車流量、房屋類型、建筑密度和地貌等相關要素分析，結合監測值，可以直觀地判斷區域噪聲污染原因，并提供網格化管理依據;②噪聲污染立體渲染:利用數學模型準確計算噪聲在三維空間的傳播與分布，得到的各層各點噪聲值，配色渲染到三維建筑模型表面上(圖7)，可以精確表達建筑物表面各單元污染程度，直觀地展現于三維可視化系統中，為環境影響評估等提供便利;③道路交通噪聲和環境噪聲功能區劃圖等(圖略)。

2)空氣環境質量:①二維濃度等值線:對監測結果進行加密插值和級別分類后形成二維等值線圖(圖8)，展現于三維可視化系統中;②三維濃度分布曲面:對監測結果通過加密插值后轉換為高程值，形成空氣污染物三維曲面，見圖9;③散點柱體動態分布:圖10為全國范圍的空氣監測點位的污染物濃度分布圖，其屬性中存儲了12個月的濃度值，通過時間滑動控制標尺隨時間移動，可表現空間環境中空氣污染值的動態變化情況。

圖6 網格噪聲監測三維柱圖

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 空氣監測與污染散點動態表達

3)水體環境質量:①綜合污染指數的表征:可通過不同顏色的點狀圖標表達各監測點的污染程度;②單項指標的表征:經歸一化處理，篩選重要指標，計算單項指數，可通過柱體分級分段表達各指標水質類別及污染狀況，圖11為河流水各斷面的氨氮污染分級圖;③區域內水體污染物濃度分布表征(類似于圖8)。

4)污染源分布:①將工業廢水、廢氣和生活源等各類污染源標注于三維可視化系統中，按類型分別使用相應的圖形符號(如煙囪、污水排放口等，圖12)。②對典型污染源的工藝設施、產污設備、處理設施、污染物排放口等典型設施使用三維模型進行直觀表達(可參考圖4、圖5);當視點由遠及近時，觸發(或點擊)不同比例尺下的動態顯示功能，污染源由符號圖形過渡轉換到實體三維模型，表達實景視覺的特點。

圖11 水質監測與污染分布

5)二維矢量數據的三維顯示:對生態遙感監測結果、土壤類型、植被覆蓋、水文地質等面狀分布的數據層，一般不存在高程值，但與地形地貌的相關性極高。通過投影配準、透明度及配色處理后，疊加在EDM數據上，結合遙感影像紋理及三維場景(圖13)，其顯示效果也遠優于平面形態。

6)柵格圖的三維顯示:其他環保專題柵格圖或遙感影像，也可配準后疊加在三維場景中。圖14為某次污染事故平面專題圖在三維場景的表達示例，使紙質圖中細致突出的專業要素、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勢相互補充，多方位表達環境狀況，為污染事故應急指揮提供直觀借鑒。

圖12 污染源點狀表達

圖13 矢量圖(生態遙感)三維顯示

圖14 柵格圖與三維數據疊加表達

6.3 動態展現與時態分析

環境質量狀況主要受到污染物排放量和環境因素(如空氣污染時的氣壓分布、風速風向、溫度、濕度等)等方面的影響，隨時間變化而變化。污染物排放量和環境因素本身往往也會隨時間變化而發生改變。因此，對連續時間點的環境監測數據及環境因素的狀態(即時態數據)開展時態分析，將有助于準確了解環境狀況變化規律并預測環境狀況變化趨勢，為進一步制定污染防治方案提供科學依據。三維可視化系統能以動態展現方式回顧、追蹤、分析環境質量狀況的變化情況。圖15展現了20張連續時間點的亞歐地面氣壓場分布圖(每張間隔6 h)，通過調節系統中的時間滑動控制標尺，可以動畫形式連續展示5 d內的氣壓場等值線分布變化過程，為開展環境空氣質量變化分析提供極大便利。

7 三維可視化應用與環境質量綜合分析

上述環境監測“數據場”和“可視化”，可理解為“環境電子沙盤”的應用，實質上是利用計算機可視化技術展現和分析污染分布和變化過程。

7.1 三維表征的特點與目的

7.1.1 多維多元的交織

三維表征方式比二維表達增加了對高度、形態、側表面的描述，從二維平面 (x，y)向三維空間(x，y，z)，甚至加上時間(t)構成四維子集 (x，y，z，t)形成的數據集合，擴展了對數據的整體認識，有利于表達和分析環境空間中交織混雜多因子間的相互作用。

7.1.2 多形態的表達

通過三維場景、動態透視、多角度、多方位、多時態地直觀展示環境監測結果，有利于分析環境空間的相關因子的疊加、交錯、切割、融合等相互影響。

7.1.3 多要素的融合

結合數據處理模型、數據表征方式、相關環境背景，在透視場景中展示數據，以監測數據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平臺共享數據(遙感影像、地形地貌、輔助圖層)等資源，促進多學科交融，從多層次地表達和分析環境因子變化趨勢，最終實現對海量環境監測數據的深度挖掘。

7.2 基于GIS云平臺的環境監測數據三維表征應用

GIS云平臺中豐富的共享資源與環保專題數據等通過統一格式、坐標、平臺，再結合三維表征形式構建的技術平臺，為分析和理解數據提供實用工具。對環境質量綜合分析極有應用價值。

1)環境質量綜合分析。目前，地市級環境監測站的監測結果一般為300～600萬個/年，但絕大部分監測數據沒有充分利用。因缺乏數據管理和統計分析手段，加上時間倉促，無法結合相關環境因子開展環境質量狀況綜合分析。利用GIS云平臺模式，監測站可實現環境監測管理信息系統和三維環境可視化系統的自主研發，充分利用已有的海量環境監測數據和大量的共享資源，根據實際情況設計定制不同的數據表征方式，通過直觀形象的可視化表達，可實現海量環境監測數據的高效利用，為實現三個“說得清”——說清環境質量現狀及變化趨勢、說清污染物排放狀況、說清潛在的環境風險提供強大的技術支撐。桂林站多年來堅持環境質量綜合分析例會制度，應用三維可視化技術，促進各種知識交流和數據表達，極大提高了環境質量綜合分析水平。

2)數據挖掘和深化環境問題研究。對多源數據整合和數據挖掘，可深化環境問題的研究。例如在空氣污染分析中，可將污染源、氣象、地形、空氣監測數據等同時展現于立體虛擬時空中，表達分析污染過程的時空分布及變化過程;在噪聲污染分析中，可將污染源、道路、建筑、地形、噪聲監測數據等同時展現于立體虛擬時空中，分析噪聲源及影響范圍;在生態環境分析中，可將植被、巖性、土壤、水文、土地利用類型、地貌等多要素疊加，利用多學科的知識和原理分析生態環境的特點和變化趨勢，發現和解讀異常問題。又如在桂林市南溪河流域面源污染研究調查中［13］，結合點源、面源(利用生態遙感手段監測城市土地利用、建筑、人口分布)和地表水水質監測、河流納污區和地下排污管網等的調查結果，利用可視化技術建立了虛擬環境，明晰了各環境要素間的區域空間聯系，極大提高了對污染成因調查的分辨率與準確性。相關資料表明，可視化技術已應用于污染源［9］、環境功能區劃［10］、噪聲地圖［11］、空氣污染［12］等多個專項工作，部分省市環境信息系統也已建有三維模塊的污染源和污染模擬場景。

7.3 對不同受眾的不同作用

三維表征技術及形式，可應用于不同層次的專業匯報、技術講座、大眾科普，針對不同受眾(領導、專家、技術人員、公眾等)分別設計不同的表征方式，既可實現直觀、簡潔的演示，又可實現精確、全面的表達。①對于環境專業人員:是以監測數據為依據作數據挖掘，綜合多學科知識，利用三維可視化技術開展環境質量綜合分析，歸納總結環境質量變化過程、原因及趨勢，為環境管理部門提出可行的對策建議;②對于領導層:系統以多種角度直觀地展示和解讀環境問題，讓領導層結合對問題的宏觀把握，了解和決定處理問題的抉擇，輔助決策;③對于公眾:系統以場景方式深入淺出地演示環境狀況，有利于說明環境問題的多元性和復雜性，引導并提高大眾環保意識。

8 結語

對環境監測數據進行三維表征設計，可實現對環境監測數據的直觀、形象表達，實現對海量環境監測數據的深度挖掘，為環境質量綜合分析提供新的方法和手段。

1)環境監測數據是空間數據場，結合GIS相關理論和技術，在后臺數據和相關數學模擬技術的支撐下，可實現三維可視化的精確表達。

2)基于GIS云技術平臺，利用二次開發技術開發環境三維可視化系統，效率高、成本低。

3)根據環境監測數據類型和受眾的不同，發揮三維場景式的特點，可分別設計不同維度、不同角度、不同詳細程度的數據可視化表征方式。

4)充分利用三維可視化技術開展環境質量綜合分析，可促進多學科的交流協作，實現高效的數據分析及科學形象的數據表達，提高數據挖掘能力和環境綜合分析水平。

5)環境監測數據的三維表征形式有待豐富完善，應用領域有待拓展，應用水平也有待提高。

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