基于網(wǎng)格的水污染運(yùn)移模擬平臺(tái)構(gòu)建

基于網(wǎng)格的水污染運(yùn)移模擬平臺(tái)構(gòu)建

0流域水環(huán)境協(xié)同治理的研究目前，世界水資源問(wèn)題日益突出，尤其是嚴(yán)重水污染事件頻發(fā)。由于水污染具有影響范圍大、不確定因素多、距離人員密集地較近等特點(diǎn),對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定都造成了巨大的威脅。因此,如何對(duì)水污染事件進(jìn)行有效地控制,對(duì)污染面積及污染物的運(yùn)移進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控,已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水污染的研究取得了一定的進(jìn)展。楊菁薈等利用SWAT模型模擬流域的各種水環(huán)境過(guò)程、土地利用類型、管理措施,對(duì)流域水污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià),為水污染的有效治理提供了支持平臺(tái)。張學(xué)成通過(guò)成分因子提取推導(dǎo),建立了水污染模擬序列模型,經(jīng)過(guò)對(duì)黃河花園口斷面的水污染實(shí)測(cè)分析,較好地模擬了水污染指標(biāo)的變化趨勢(shì)。張波等利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本概念,建立了一維水質(zhì)模擬的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,并且對(duì)松花江特大水污染事故的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)率定,以及模型驗(yàn)證,模型在一定程度上反映了污染物在河道內(nèi)濃度峰值與峰值出現(xiàn)時(shí)間,取得了一定的效果。Kolstad,Yeung運(yùn)用博弈模型分析了跨界污染問(wèn)題中的不確定性問(wèn)題。Savy和Jane提出通過(guò)生態(tài)補(bǔ)償理論解決流域跨界污染問(wèn)題。但是,這些研究多局限于水污染物遷移擴(kuò)散的模型開(kāi)發(fā),對(duì)其運(yùn)移過(guò)程的模擬還沒(méi)有成熟的方案,特別是對(duì)全河道污染物的運(yùn)移的可視化模擬,由于單處理機(jī)模式的計(jì)算力不足從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。針對(duì)目前研究中存在的不足,文中將網(wǎng)格技術(shù)與水污染運(yùn)移模擬仿真需求相結(jié)合,通過(guò)網(wǎng)格計(jì)算構(gòu)建面向水污染運(yùn)移仿真模擬的高效能計(jì)算力環(huán)境,基于組件化的平臺(tái)開(kāi)發(fā)思想和原子化拆分思想,利用多圖層疊加技術(shù)及融合DEM確定高程形成剖面,通過(guò)對(duì)全河道進(jìn)行不規(guī)則的三角劃分,實(shí)現(xiàn)了全河道范圍內(nèi)污染運(yùn)移可視化仿真模擬,為水資源監(jiān)測(cè)和水污染治理提供了一定的保證。1關(guān)鍵技術(shù)分析1.1網(wǎng)格計(jì)算的優(yōu)勢(shì)網(wǎng)格計(jì)算是專門針對(duì)復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的新型計(jì)算模式,其基本原理是利用Internet把地理上分散的計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效地整合,使之形成一個(gè)虛擬的高性能計(jì)算環(huán)境,以解決單個(gè)計(jì)算機(jī)計(jì)算力不足的問(wèn)題。在模擬水污染運(yùn)移方面,網(wǎng)格計(jì)算具有3大優(yōu)勢(shì):具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力;能夠充分利用所購(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)上的閑置計(jì)算資源;網(wǎng)格計(jì)算提供的高效處理服務(wù)和高精度計(jì)算服務(wù)能夠滿足復(fù)雜的、基于全河道的污染物運(yùn)移模擬對(duì)計(jì)算服務(wù)的迫切需求。根據(jù)河流水污染具有影響面大、危害大和發(fā)展情況瞬息萬(wàn)變的特點(diǎn),利用網(wǎng)格技術(shù)構(gòu)建的面向水污染運(yùn)移的網(wǎng)格基礎(chǔ)平臺(tái),能夠滿足水污染運(yùn)移模擬中的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)訪問(wèn)需求,同時(shí)還能提供高效能的計(jì)算力環(huán)境,使得污染物在全河道的運(yùn)移和擴(kuò)散過(guò)程得到模擬仿真,為制定控制全河道污染應(yīng)急方案,提供直觀、形象和全景式的信息支持。由此可見(jiàn),“物理分散,邏輯集中,按需獲取,分布處理,統(tǒng)一調(diào)度”的網(wǎng)格技術(shù)平臺(tái)完全可以引入到水污染運(yùn)移等具體的水利業(yè)務(wù)中。1.2提高了決策的科學(xué)性信息可視化源于計(jì)算機(jī)圖形學(xué),其主要是對(duì)抽象的信息提供交互式的可視化表現(xiàn)形式,增強(qiáng)人們對(duì)復(fù)雜信息的認(rèn)知能力,成為人們解釋現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、輔助決策的強(qiáng)有力的工具。信息可視化技術(shù)將水污染遷移過(guò)程可視化,把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的圖像,使得水污染遷移的相關(guān)數(shù)據(jù)能有機(jī)地組織在一起,并形成生動(dòng)地顯示數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的內(nèi)容之間的關(guān)系,從而提高了決策的科學(xué)性和合理性。信息可視化技術(shù)的核心是為使用者提供信息直觀的、可交互可視化的環(huán)境。針對(duì)水污染運(yùn)移的具體水利業(yè)務(wù),其具有以下特點(diǎn):(1)位置特征,所有對(duì)象均與地理位置密切相關(guān)。(2)交互性,用戶可以通過(guò)調(diào)整可視化變量,使得水污染運(yùn)移以不同的方式表現(xiàn)出來(lái)。(3)多維性,信息以3維形式表現(xiàn)其多個(gè)屬性,可以按其每一維的值,將其分類、排序、組合和顯示。水污染運(yùn)移涉及的數(shù)據(jù)較為抽象且龐大,運(yùn)行機(jī)制也較為復(fù)雜。為了提高對(duì)污染面積及污染運(yùn)移的有效監(jiān)控,將信息可視化技術(shù)引入水污染運(yùn)移的模擬仿真中,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于網(wǎng)格的水污染運(yùn)移可視化仿真平臺(tái),這樣可以使得對(duì)全河道污染物運(yùn)移的監(jiān)控成為可能。2需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1基于網(wǎng)格的水污染運(yùn)移模擬在進(jìn)行水污染運(yùn)移過(guò)程可視化模擬時(shí),系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高性能計(jì)算、信息綜合服務(wù)、決策服務(wù)等方面都表現(xiàn)出迫切的計(jì)算需求。傳統(tǒng)的人工系統(tǒng)顯然無(wú)法滿足水污染模擬對(duì)高效能計(jì)算力的需求,這就需要采用以空間地理數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,在異構(gòu)環(huán)境下構(gòu)建基于網(wǎng)格的水污染運(yùn)移模擬仿真平臺(tái)。該平臺(tái)具有集成性、共享性和離散性的特點(diǎn)。網(wǎng)格集成化平臺(tái)將現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源、計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行有效地整合,提供標(biāo)準(zhǔn)化的訪問(wèn)接口及一致性的接入方式,不僅充分利用現(xiàn)有計(jì)算力資源,同時(shí)將作業(yè)在網(wǎng)格中進(jìn)行了有效地調(diào)度,實(shí)現(xiàn)了計(jì)算力的最大化,并且借助網(wǎng)格集成化平臺(tái),將地理上較為分散的污染數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式共享,提高了污染數(shù)據(jù)資源的共享性。同時(shí),按照原子拆分操作思想,通過(guò)給出原子的形式化定義,將調(diào)度作業(yè)將其拆分為可在網(wǎng)格上調(diào)度執(zhí)行的原子,通過(guò)中間件技術(shù)在網(wǎng)格環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)水污染運(yùn)移應(yīng)用的劃分和有機(jī)的結(jié)合,以網(wǎng)格環(huán)境為水污染運(yùn)移的控制提供高效的計(jì)算服務(wù)。2.2平臺(tái)總體框架在對(duì)全河道污染物的運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行模擬中,涉及到了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。在這些數(shù)據(jù)中,GIS/WebGIS信息為水污染運(yùn)移模擬提供了基本的地理空間信息,空間數(shù)據(jù)為水污染運(yùn)移的有效監(jiān)控提供了高清晰的航拍影像,使得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠和空間位置相結(jié)合。但就目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看,水污染運(yùn)移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與運(yùn)移空間數(shù)據(jù)的融合上還存在諸多的不足,無(wú)法完全展現(xiàn)水污染在全河道運(yùn)移的整體面貌,給決策帶來(lái)了諸多不便。針對(duì)信息融合的問(wèn)題,文中以3S集成技術(shù)為基礎(chǔ),構(gòu)建了面向水污染運(yùn)移的網(wǎng)格基礎(chǔ)計(jì)算平臺(tái),通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的有效融合,實(shí)現(xiàn)了具有互操作能力的一體化水污染運(yùn)移服務(wù)環(huán)境,完成了對(duì)水污染運(yùn)移過(guò)程及相關(guān)數(shù)據(jù)的直觀展示。面向水污染運(yùn)移的網(wǎng)格基礎(chǔ)平臺(tái)在網(wǎng)格環(huán)境所提供的高性能計(jì)算力的支持下,由一系列層次遞進(jìn)的模型框架構(gòu)成,基于五層沙漏結(jié)構(gòu)的水污染運(yùn)移模擬仿真平臺(tái)總體框架如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)按自下向上劃分層次,內(nèi)部邏輯上劃分為5個(gè)層次。底層為采集數(shù)據(jù)層,其主要功能是收集全河道內(nèi)的地形地貌數(shù)據(jù),采集該河道水文的歷史數(shù)據(jù)、影像資料和一些非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù),同時(shí)提供了向上訪問(wèn)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的接口。第二層為連接層,該層實(shí)現(xiàn)了資源間的互聯(lián)互通,同時(shí)定義了核心的通信協(xié)議與認(rèn)證協(xié)議。第三層為數(shù)據(jù)資源層,主要是按照需求將底層采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫(kù),為資源的共享提供支撐。第四層為匯聚層,在安全機(jī)制的協(xié)調(diào)下,負(fù)責(zé)多個(gè)資源的共享訪問(wèn),提供資源發(fā)現(xiàn)的目錄服務(wù),將復(fù)雜的水污染運(yùn)移計(jì)算任務(wù)分解為原子,統(tǒng)一進(jìn)行任務(wù)調(diào)度服務(wù),同時(shí)提供系統(tǒng)監(jiān)控和出錯(cuò)診斷服務(wù)等。第五層為應(yīng)用層,提供了水污染運(yùn)移虛擬環(huán)境接口,其主要包括:面向資源整合的網(wǎng)格平臺(tái)、水污染運(yùn)移支撐平臺(tái)以及水污染運(yùn)移預(yù)報(bào)平臺(tái),這3個(gè)有關(guān)污染運(yùn)移的應(yīng)用共同支撐了對(duì)水污染運(yùn)移環(huán)境的模擬仿真,分別提供了在互操作網(wǎng)格基礎(chǔ)平臺(tái)的支持下,進(jìn)行資源整合、應(yīng)用支撐和集成服務(wù),以支持對(duì)全河道的水污染運(yùn)移應(yīng)用業(yè)務(wù)的模擬仿真。2.3水質(zhì)模擬的基本原理在對(duì)全河道污染物的濃度進(jìn)行擬合計(jì)算時(shí),文中通過(guò)定義一個(gè)四元組A對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行符合網(wǎng)格調(diào)度要求的原子化處理,即A=(P1,P0,Faction,P),其中,輸入?yún)?shù)P1與輸出參數(shù)P0,通過(guò)原子參數(shù)K對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象表述,四元組A是有限個(gè)K子集的笛卡爾積。K由集合{Si}給定,Si=(IDSi,Fistore,Fiaccess,Fiserialize,Fideserialize),集合{Si}規(guī)定了系統(tǒng)內(nèi)可使用的原子參數(shù)的類型、數(shù)量、存儲(chǔ)方式、訪問(wèn)方式和序列化方法。Faction是一維恒定流水質(zhì)模型模擬各算法中的輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的映射,對(duì)于一段并行算法邏輯,Faction負(fù)責(zé)將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理,并輸出規(guī)范化的輸出數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)河道水質(zhì)模擬影像信息的處理,并且原子參數(shù)也可以通過(guò)規(guī)范化的定義在原子之間進(jìn)行有效地傳遞,從而能夠通過(guò)原子構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜的水質(zhì)模擬應(yīng)用。P是原子屬性的集合,原子屬性為計(jì)算網(wǎng)格的并行化處理提供依據(jù),通過(guò)定義P={IDA,NexpireTime,NmaxErrorNum,NTimecost}以提高原子操作在調(diào)度過(guò)程中的處理效率,其中,IDA表示系統(tǒng)為每個(gè)原子操作分配的UUID號(hào),具有唯一性;NexpireTime表示系統(tǒng)對(duì)原子操作的超時(shí)限定;NmaxErrorNum表示系統(tǒng)對(duì)原子操作的最大差錯(cuò)數(shù)的限制值;通過(guò)對(duì)NexpireTime和NmaxErrorNum的定義確保了系統(tǒng)在有限次數(shù)內(nèi)的正常運(yùn)轉(zhuǎn);NTimecost是由計(jì)算網(wǎng)格調(diào)度中心對(duì)原子運(yùn)行時(shí)間代價(jià)的估計(jì),是對(duì)原子進(jìn)行初始調(diào)度的重要依據(jù)。在給定的水質(zhì)模擬系統(tǒng)中,原子的數(shù)量在系統(tǒng)需要時(shí)可以予以擴(kuò)充,但是總的數(shù)量是有限的,水質(zhì)模擬作業(yè)在文中采用GMT=(T,F)來(lái)描述。GMT基于DGA(DirectedAcyclicGraph)建立,其中,T表示作業(yè)中可調(diào)用的原子集合,是Q的非空子集,Q表示系統(tǒng)中所有原子的集合。F是按原子之間的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)引用方式建立的一個(gè)有向流關(guān)系F:T→T,并且dom(F)∨cod(F)=T,即在T中不存在沒(méi)有有向流關(guān)系的原子。水質(zhì)模擬作業(yè)的等價(jià)二元謂詞也可看作一個(gè)有向圖,其標(biāo)準(zhǔn)化形式表示為(T≠?)∧(F∈T×T)∧(dom(F)∨cod(F)=T),T可看作有向圖中的點(diǎn)集,F看作邊的集合。通過(guò)上述思想將恒定流水質(zhì)模型的計(jì)算過(guò)程按照原子化的思想,經(jīng)拆分和組合形成了一個(gè)在計(jì)算網(wǎng)格上運(yùn)行的細(xì)粒度模型,從而利用網(wǎng)格的高性能計(jì)算能力模擬全河道的污染物運(yùn)移過(guò)程。在影像分析階段,主要任務(wù)是對(duì)像素與成果數(shù)據(jù)之間進(jìn)行的計(jì)算,恒定流水質(zhì)模型中包含3個(gè)基本的數(shù)據(jù)類型:①IDS1=CRGB,用于描述以6位十六進(jìn)制方式存儲(chǔ)的像素,表示成果影像中的紅藍(lán)綠三分值;②IDS2=L,用于描述色階,不同的CRGB與實(shí)際成果數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)2個(gè)線性列表存儲(chǔ),L可以通過(guò)快速的插值方式計(jì)算出某一像素所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值;③IDS3=double用于存儲(chǔ)計(jì)算的中間結(jié)果和關(guān)鍵數(shù)據(jù),時(shí)間空間坐標(biāo)、過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、水力半徑等。此時(shí),原子參數(shù)K可定義為集合{IDS1,IDS2,IDS3},即{CRGB,L,double}。各基本類型定義的Fiserialize和Fideserialize采用WebServices方式進(jìn)行序列化和反序列化,序列化后的字符串則通過(guò)SOAP表轉(zhuǎn)化協(xié)議在不同的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間傳遞。(2)納污能力與模擬網(wǎng)格下的污染物離散濃度擬合需要對(duì)河道內(nèi)水流的水位、流量和污染物的濃度進(jìn)行計(jì)算,采用一維恒定流水質(zhì)模型模擬污染物沿河道縱向遷移的過(guò)程,通過(guò)對(duì)河道的網(wǎng)格劃分,使得網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)能夠與劃分的河道節(jié)點(diǎn)污染物濃度及水質(zhì)擬合。描述一維水流運(yùn)動(dòng)的方程組為:其中Z為水位,Q為流量,B為水面寬度,A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,R為水力半徑,C為系數(shù),q為單位河道側(cè)入流量,t和s分別為時(shí)間空間坐標(biāo)。采用原子化的思想對(duì)流量Q、過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA和單位河道側(cè)入流量q三個(gè)分量建立一系列原子模型,能在原子中通過(guò)高性能計(jì)算獲得每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的水流流量和水位。通過(guò)因變量與其差分形式的計(jì)算,可得到對(duì)于N個(gè)斷面的河道,有N-1個(gè)河段,共有2(N-1)個(gè)水流運(yùn)動(dòng)方程,可解出N個(gè)各斷面出的水位Z和流量Q。納污能力是指在一定的水量設(shè)計(jì)條件下,能滿足水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的污染物最大允許負(fù)荷量。對(duì)污染物在河道運(yùn)移過(guò)程中能夠均勻混合的中小型河段,文中采用一維恒定流水質(zhì)模型模擬污染物沿河道縱向遷移的過(guò)程,流過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)后,污染物濃度計(jì)算公式如下:,式中,CL表示河段末端污染物的濃度,單位為mg/L;C0表示河道初始斷面的污染物濃度,單位為mg/L;k表示污染物綜合衰減系數(shù),單位為1/s;u為斷面的平均流速,單位為m/s。河段納污能力的計(jì)算公式為:,其中M表示河段納污能力;CS表示水質(zhì)的目標(biāo)濃度,單位mg/L;Q表示河段的流量,單位為m3/s;對(duì)于水流速度較慢污染物不能均勻混合的河段,其水質(zhì)與污染物的入河位置無(wú)關(guān),可以看作一個(gè)均勻的混合水體,采用零維水質(zhì)模擬計(jì)算,公式如下:,河道納污能力M=[CS-C0exp(-kt)]exp(kt)V,式中C0、Ct分別表示起始時(shí)刻與t時(shí)刻水體污染物濃度,單位為mg/L;V為水體容積,單位為m3。在對(duì)兩種河段進(jìn)行污染物濃度計(jì)算時(shí),文中都采用原子化拆分思想,將納污能力值的計(jì)算看作一個(gè)復(fù)雜任務(wù),將這個(gè)任務(wù)拆分為可在網(wǎng)格上運(yùn)行的原子,此時(shí),納污能力作業(yè)被定義為一個(gè)有唯一出口和入口的DGA(DirectedAcyclicGraph),每個(gè)原子代表一個(gè)小的任務(wù),用以獲取納污能力計(jì)算的模型。通過(guò)將不同的河道污染物濃度信息賦予網(wǎng)格上不同的節(jié)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)污染物運(yùn)移情況的表現(xiàn),然而污染物運(yùn)移模型計(jì)算的是離散點(diǎn)的污染物濃度信息,這些點(diǎn)在空間上并不與網(wǎng)格點(diǎn)一一對(duì)應(yīng),需要進(jìn)行相應(yīng)的擬合才能實(shí)現(xiàn)污染物運(yùn)移的三維模擬。為此,進(jìn)一步將河道按一定的距離進(jìn)行相應(yīng)的分割,對(duì)分割后的河道通過(guò)利用不規(guī)則三角網(wǎng)模型對(duì)河道進(jìn)行剖分,在每一河段內(nèi)通過(guò)最小二乘法擬合,得到水質(zhì)模擬方程的差分方程,將差分方程按照原子化進(jìn)行拆分和重新組合,提交網(wǎng)格進(jìn)行并行化計(jì)算,從而擬合出河道不同采集點(diǎn)的污染物濃度信息。(3)運(yùn)移特征的提取由于河道長(zhǎng)短不一,在對(duì)河道納污能力進(jìn)行計(jì)算后,要對(duì)污染物的運(yùn)移情況進(jìn)行定位,利用數(shù)字高程模型(DEM)分析河道內(nèi)實(shí)際污染物起伏的狀況,將河道定義在x,y域離散點(diǎn),以高程表達(dá)河道內(nèi)實(shí)際污染物起伏形態(tài)的數(shù)字集合。DEM的核心是全河道特征點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)和對(duì)全河道污染物運(yùn)移提供連續(xù)描述的算法。常見(jiàn)的數(shù)字高程建立方法有三角網(wǎng)模型和格網(wǎng)模型,三角網(wǎng)模型相對(duì)于格網(wǎng)模型,建網(wǎng)比較復(fù)雜,但是三角網(wǎng)模型精度較高。格網(wǎng)模型采用了等間隔數(shù)據(jù)表示法,該數(shù)據(jù)結(jié)果在河道平緩區(qū)易產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余,格網(wǎng)精度往往不能滿足要求,尤其是在描述污染物在河道內(nèi)運(yùn)移時(shí),只能粗略地描述水流從一個(gè)格網(wǎng)到相鄰的格網(wǎng)的運(yùn)動(dòng),沒(méi)有對(duì)匯流的水流方向進(jìn)行描述,所以存在一定的缺陷。全河道污染物運(yùn)移過(guò)程通常都是呈帶狀走向的,采樣點(diǎn)的分布也是不均勻的,如河道較寬,則采樣點(diǎn)的分布密度較小。反之,河道較窄,則采樣點(diǎn)的密度分布較大。綜合考慮三角網(wǎng)模型和格網(wǎng)模型,利用融合DEM格網(wǎng)和等高線模型的不規(guī)則三角網(wǎng)模型結(jié)構(gòu),以格網(wǎng)和數(shù)字線劃圖為基礎(chǔ),生成DEM,充分利用數(shù)據(jù)屬性及其拓?fù)潢P(guān)系,按照數(shù)字線劃圖為基準(zhǔn)對(duì)格網(wǎng)進(jìn)行空間細(xì)化,提取污染物在河道內(nèi)的運(yùn)移特征對(duì)河流軌跡進(jìn)行剖分,既可以精確地描述污染物在河道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方向,同時(shí)也繼承了格網(wǎng)模型的規(guī)則,便于運(yùn)移特征的提取與算法的設(shè)計(jì)。具體算法如下:①將河道的地形圖通過(guò)掃描轉(zhuǎn)化為柵格圖像,采取河道的高程信息,生成等高線文件,以此為原始數(shù)據(jù)對(duì)河道采樣點(diǎn)信息進(jìn)行等高線差值與平滑處理,生成DEM。②在對(duì)河道進(jìn)行數(shù)字化處理后,提取所需的DEM格網(wǎng)與河流的交點(diǎn),對(duì)離散化的控制節(jié)點(diǎn)利用斜率計(jì)算進(jìn)行刪除,當(dāng)某點(diǎn)兩側(cè)斜率相等時(shí),該點(diǎn)是河流與DEM網(wǎng)格的交點(diǎn),應(yīng)予以保留;否則,予以刪除。③按照河道地形坡度比降最大處,為不規(guī)則三角網(wǎng)的一邊的基本原則,將河道進(jìn)行三角化,鑒于河道與網(wǎng)格空間關(guān)系的復(fù)雜性,確定網(wǎng)格橫邊上的河流節(jié)點(diǎn)和縱邊上的河流節(jié)點(diǎn),建立網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù),計(jì)算邊界點(diǎn)和表示邊界點(diǎn)的屬性值之和,根據(jù)格網(wǎng)上的邊界點(diǎn)數(shù)以及邊界點(diǎn)位置來(lái)確定調(diào)用的計(jì)算模塊。按照上述算法,將河流進(jìn)行了數(shù)字高程的空間三角剖分,得到不規(guī)則三角網(wǎng)的三角頂點(diǎn)數(shù)據(jù),如圖2所示。3污水運(yùn)移模擬仿真松花江是我國(guó)的七大主要河流之一,干流長(zhǎng)約950km2,流域面積約55.65km2,流經(jīng)黑龍江、吉林兩省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部地區(qū),共25個(gè)地(市、州、盟)105個(gè)縣(旗、區(qū)、市),流域總?cè)丝诩s6500萬(wàn)。隨著我國(guó)振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略的全面鋪開(kāi),松花江水污染問(wèn)題日漸顯現(xiàn),歷史上形成的工業(yè)結(jié)構(gòu)分布不盡合理,流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以重化工業(yè)為主,都使得松花江成為我國(guó)目前受污染最嚴(yán)重的河流。2005年11月13日中國(guó)石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司雙苯廠的苯胺車間發(fā)生劇烈爆炸并引起大火,導(dǎo)致大量含有苯和硝基苯的污水繞過(guò)污水處理通道直接流入了松花江,導(dǎo)致松花江硝基苯和苯等污染物嚴(yán)重超標(biāo),形成了長(zhǎng)達(dá)80km的污染帶,對(duì)松花江下游沿岸的哈爾濱、佳木斯,以及松花江注入黑龍江后俄羅斯的哈巴羅夫斯克市等面臨嚴(yán)重的城市生態(tài)危機(jī)。該例中松花江河流污染物的運(yùn)移可視化是通過(guò)圖形圖像的方式對(duì)河流中污染物進(jìn)行跟蹤、顯示,展現(xiàn)出污染物在河道中