基于三角形網格算法的水污染應急系統研究

龐治邦，劉波，周振

中國人民解放軍后勤工程學院，重慶401331

基于三角形網格算法的水污染應急系統研究

龐治邦，劉波，周振

中國人民解放軍后勤工程學院，重慶401331

隨著現代工業的發展，化學品的用量和運輸量與日俱增，從而增加了有毒物質泄露的概率，導致水污染突發事件的發生。但目前水污染突發事件應急處理系統的功能還不完善，無法滿足各水域應急事件的處理需求。為此，本文設計了一套水污染突發事件應急處理系統。該系統以Web GIS為基礎架構，以EFDC為水污染擴散模型，采用瀏覽器/服務器形式進行數據的輸入、處理和結果展示；服務器通過對水質水文數據的分組和插值將污染物濃度劃分為8個區間，用8種顏色來完成污染物的精確展示；采用三角形網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，對水污染的應急決策具有重要意義。

水污染；應急系統；三角形網格算法

為了應對近年來發生的水污染突發事件，沿河國家進行了大量的水污染突發事件應急處理系統和水源地安全的研究［1，2］，并將多媒體技術、數學模擬和互聯網技術應用在應急處理系統中，如歐洲開發的“環境監測預警系統”，就能夠完成水污染突發后的多元決策。而國內的發展較晚，已有的水污染應急系統各自獨立，無法形成一個有機體系；在水污染突發事件的應急決策上，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急系統。

1　水污染應急系統的總體設計

1.1水污染應急系統的體系結構

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

從圖1可以看出，系統由Web服務器和GIS應用服務器組成，而GIS應用服務器又包括數據庫服務器和地圖服務器。其中Web服務器向用戶提供具體服務，是用戶直接面對的系統；數據庫服務器中存儲全部的水質水文數據和動態監測數據，用來支撐地圖服務器；地圖服務器以數據庫服務器為支撐，提供地圖的查詢、分析等功能。

1.2應急處理模塊設計

應急處理模塊完成系統的主要功能，實現對輸入數據的處理和展示，由模型輸入及預處理、模型正式處理和模型展示三個模塊組成。

1.2.1模型輸入及預處理模塊設計模型輸入由用戶在瀏覽器界面完成，預處理由Web服務器完成，然后將預處理數據發送至GIS應用服務器進行計算。模塊主要完成流域信息管理、參數設置和圖層管理功能。

1.2.2模型正式處理系統以EFDC為水污染擴散計算模型，其為獨立的擴展模塊，所以需要將輸入數據按照EFDC模型的輸入文件格式進行編制，本系統中創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間污染物濃度統計等，本文主要對基于三角形網格算法的污染物等濃度面繪制進行研究。

2　數據分組與插值

2.1數據分組

在污染物等濃度面的繪制過程中，為了盡可能的使顯示結果清楚，需要先對數據進行分組，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數據插值

由于掌握的污染物濃度的數據都是離散的，且在某些位置還缺少相關數據，但繪制空間連續的污染物濃度曲線需要連續數據，所以在曲線繪制前要對數據進行插值。此處采用層次B樣條插值算法，在100×100的矩形網格區域內，20個監測點的數據如圖2所示，通過監測點數據進行插值的結果如圖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　監測點數據Fig.2 Data from monitoring points

圖3　插值結果Fig.3 Results of interpolations

3　水污染等值面繪制

系統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，本文采用網格數量少、精度高的三角形網格［5，6］建立插值網格，整個等值面的繪制包括插值網格的繪制、等值點的確定、等值線的追蹤和等值線的光滑四步。

3.1插值網格繪制

本文采用逐點插入法生成插值網格，其基本思想為在存在的三角網當中，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據點的初始多邊形；

②在步驟1的的初始多邊形中，創建初始三角網格；

③插入一個數據點D，在三角網中找到包含D的三角形T，將三角形T和數據點D的三個頂點連接，進而產生三個新的三角形；

④使用LOP算法對三角形網格進行優化；

⑤重復步驟3和步驟4，直至處理完全部數據點。

3.2等值點的確定

三角形網格△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過的三角形邊。對全部三角形網格執行同樣的操作，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在已經確定的等值線集合中，選擇一條等值線數值為依據。在邊界邊上找出一條等值邊數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格中，繼續尋找第二條等值邊，找到后將該邊添加至相應的等值邊集合中，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，其僅有一個相關的三角形，在該三角形內繼續搜索下一條等值邊，找到后把該邊添加至相應的等值邊集合中并將其移出待搜索邊集合；

④重復執行步驟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在已經確定的等值線集合中，選擇一條等值線數值為參照。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，繼續進行下一條等值線的搜索。

②在起始邊相鄰的三角形網格中，尋找第二條符合條件的邊，找到后將該邊添加至相應的等值邊集合中，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，其僅有一個相關的三角形，在該三角形內繼續搜索下一條等值邊，找到后把該邊添加至相應的等值邊集合中并將其移出待搜索邊集合；

④重復執行步驟3，直至下次搜索的等值邊為起始邊結束；

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t順序變化，t在0到1范圍內變化。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

本文在水污染突發事件的應急處理系統的設計過程中，運用數據分組和插值算法進行數據修正，同時采用三角形網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，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。這些還需在后續的開發中予以更大的重視。

5　結論

針對目前國內水污染突發事件的應急處理系統功能不完善問題，研究了基于三角形網格算法的水污染應急系統。系統以瀏覽器/服務器形式進行數據的傳遞和展示，通過三角形網格算法能夠將水污染情況清晰直觀的展示給用戶，對今后水污染突發事件的應急決策具有重要意義。

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［5］王煒，胡望水.漸次插入三角網格化方法［J］.電腦編程技巧與維護，2015，2（3）：61-63

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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.E-mail：pangzb0406@163.com