GIS和GoogleEarth开发在溢油预测中的整合应用_焦俊超

收稿日期:2010 08 15;修订日期:2010 10 26

基金项目:山东省海事局 渤海湾溢油污染预测预警技术 项目(2008 311 000 035),我国海岸带主要地质灾害预警预报系统前期研究项目

(200705021)。

作者简介:焦俊超(1985-),男,河南驻马店人,硕士研究生,主要从事GIS 开发研究。E m ail:z mdjjch jjch@https://www.wendangku.net/doc/7d12084536.html, 。通讯作者:马安青(1970-),男,安徽太和人,博士,主要从事遥感与地理信息系统在资源与环境方面的应用与开发研究。

E mail:maan qing538@https://www.wendangku.net/doc/7d12084536.html, 。

GIS 和Google Earth 开发在溢油预测中的整合应用

焦俊超1,马安青1,娄安刚1,陈 爽1,杨少磊2

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛 266100;2.山东省海事局,山东青岛 266002)摘要:为防止溢油污染扩散蔓延,以渤海湾为研究对象,根据海洋环境动力学建立动态溢油模型并生成DLL 。在Visual https://www.wendangku.net/doc/7d12084536.html, 语言环境下基于ArcEng ine 控件进行组件式GIS 开发并嵌入DLL,开发出GIS 溢油预测系统。输入溢油事故相关参数,DLL 就自行运算生成SH P 格式溢油轨迹文件,系统可将其转成KM L 格式文件,然后自行启动Goog le Earth 并加载KM L,通过Goo gle Earth 来显示溢油轨迹,为溢油应急治理提供辅助决策。结果表明整合GIS 和Goog le Earth 开发可以提高效率、节省费用,能较准确地对海上溢油轨迹进行预测,有进一步推广的潜力。关 键 词:GIS;Go ogle Earth;溢油;预测

中图分类号:X 820.4;P 208.2 文献标志码:A 文章编号:1004 0323(2011)02 0215 05

1 引 言

海上溢油是指在海上石油开采和运输过程中,由于自然因素和人为因素造成的大量石油倾入海洋的事故。在全球性海洋石油开采和海上运输迅速发展的同时,海上溢油污染事故也越来越多[1]。据统计全球每年至少有600万t 油类通过各种途径泄入海洋

[2]

。仅在2010年前3个季度,就发生了举世震

惊的墨西哥湾、新加坡海峡和大连湾溢油事件。2010年4月20日英国石油公司在墨西哥湾的 深水地平线 钻井发生爆炸,截止5月初,就有上万吨原油侵入墨西哥湾,污染海域约5200km 2;2010年5月25日,一艘马来西亚籍油船与一艘圣文森特和格林纳丁斯籍货船在新加坡海峡樟宜东附近相撞,约2000t 石油泄漏;7月16日,大连新港输油管线爆炸起火事故造成约1500t 原油泄漏进入近海,导致海面污染区域约为430km 2

。连续发生的海上溢油事故严重威胁着海洋生态环境,并对社会、经济等产生长期的影响[3]。海上溢油轨迹的分析和预测是溢油处理和决策的基础和依据[4],为了防止溢油污染蔓延扩散,对海上溢油轨迹的变化趋势做出科学

的预测是十分必要的[5],这样能够有效降低事故的危害和损失程度。

发达国家已利用计算机技术和GIS 技术发展溢油预测系统,如美国的OILMAP 系统[6]、英国的OSIS 系统[7],挪威的OSCAR 系统[8]。本研究在充分考虑溢油的环境动力因素和非动力因素以及油品属性的基础上,使用Fortran 语言建立动态溢油模型并生成动态链接库(Dynamic Link Library,DLL)文件。以Visual https://www.wendangku.net/doc/7d12084536.html, 语言环境为开发平台,结合ArcEngine 控件进行组件式GIS 开发,并嵌入

DLL 溢油模型。在使用时,用户只需键入溢油事故相关参数,系统后台会自动调用DLL 模型完成相关计算,计算完成后生成溢油轨迹的SH P 矢量格式文件,系统可以把SH P 矢量格式的文件转成KM L 格式文件,并自行启动Goog le Earth 并加载KML 文件,并通过Goog le Ear th 平台显示海上溢油的运动轨迹,为溢油事故处理提供辅助决策。

2 建立动态溢油模型

为了模拟海上溢油的运动轨迹,采用油粒子模型对溢油进行量化分析[9]。分别采用FVCOM 模

第26卷 第2期2011年4月

遥 感 技 术 与 应 用

REM OT E SENSING TECH NOLOGY AND APPL ICAT ION

Vol.26 N o.2A p r.2011

型和MM 5模式对流场和风场进行模拟,在充分分析风化过程对溢油行为的归宿影响和油膜动力学、非动力学过程的基础上,建立结合溢油风化模式和输移扩散模式的渤海湾动态溢油模型。Fortran 语言是一门适合科学计算和工程分析的程序设计语言[10],在数值模拟方面具有强大的功能,所以选用For tr an 语言编写溢油动态模型,并生成DLL,供组件式GIS 开发时调用。这就同时利用了For tr an 语言强大的计算功能和V isual https://www.wendangku.net/doc/7d12084536.html, 良好的可视化界面设计功能

[11]

。

3 GIS 系统开发及溢油轨迹生成

3.1 系统开发路线

GIS 是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用

地理信息的计算机系统,是分析和处理海量地理数据的通用技术[12]。组件式GIS(ComGIS)面向对象

技术和组件技术在GIS 软件开发中的应用[13],它把GIS 分成不同的功能模块,用户以可视化开发语言为平台,通过GIS 组件之间的接口实现相应的功能,形成适合特定需要的应用GIS 系统。研究选用Visual https://www.wendangku.net/doc/7d12084536.html, 为语言平台,Ar cEngine 为组件进行GIS 系统开发,并在开发过程中嵌入设计好的动态溢油DLL 模型。总体设计过程如图1所示。3.2 溢油轨迹生成

在用溢油预测系统对溢油事故进行模拟时,首先调入由FVCOM 模型和M M5模式产生的流场和风场,根据可视化界面操作(如图2),输入溢油事故相关参数(如表1),系统便在后台运行DLL 模型,时间间隔和粒子数用户可以自行设定。模型运行完毕后,会在指定的位置产生SH P 矢量格式的溢油轨迹文件,也包括扩散、密度、蒸发、含水率、溶解率等

文本文件。

图1 系统设计流程图Fig.1 F low chart o f sy stem desig

n

图2 参数输入界面

Fig.2 T he interface of par ameter inputting

表1 溢油事故相关信息

Table 1 The information about oil spilling

时间参数位置参数过程参数风场参数溢油起始时间溢油发生位置溢油品种选择选择M M 5模式风场或定长风模型运行时间

溢油量、溢油速度

油粒子个数设置

风应力系数和偏向角设置

4 Goog le Earth 溢油轨迹显示

4.1 Goo gle Earth 简介

Goog le Earth 是由Goog le 公司开发的以地球

216 遥 感 技 术 与 应 用 第26卷

坐标(经纬度)为依据的、具有多分辨率的、由海量数据组成的、能立体表达的3D虚拟地球软件[14]。Go ogle Earth能提供有效分辨率至少为100m的全球地貌影像,通常为30m,像大城市、著名景区等分辨率甚至达到了1m以内,它提供的卫星照片和真实的地理信息是一致的,而且拥有良好的交互式界面,为我们利用Goog le Earth和GIS结合提供了可能。

Go ogle Earth地标文件有KML和KMZ两种格式[15],KM L全称是Key hole M arkup Lang uage,是一个基于XM L语法和文件格式的文件,KM Z是一个经过ZIP格式压缩过的KML文件。但这两种地标文件只能依赖于Go ogle Earth来显示和描述地理信息,所以,其他格式的地理信息文件要想通过Go ogle Earth显示,首先要转成KM L或者KM Z格式。本研究通过语言程序使SH P格式转为KML 格式,然后通过Goo gle Earth显示。

4.2 溢油轨迹KM L文件

由于GIS系统根据输入的溢油事故相关参数生成的溢油轨迹是SH P格式的,所以要通过编写程序使SH P格式转为KM L格式,然后在Goog le Ear th上显示。转换窗口界面如图3,用户在选择图层和字段后执行转换程序,生成对应的KM L格式文件。点状地标KML文档架构如下:

Private pXmlKm l As XmlT ex tWriter

pXmlKml.WriteStartE lem ent("Placem ark") pXmlKml.WriteElementString("nam e",CleanXML String(m_strFeatureName,False))

pXmlKml.WriteStartE lem ent("Snippet")pXm lKml.WriteAttr ibuteString("m ax Lines","2") pXm lKml.WriteEndElem ent()

pXm lKml.WriteElementString("sty leU rl","#" +CleanXM LStr ing(m_strSty leN am e,False))

pXm lKml.WriteStartElement("Point")

pXm lKml.W riteElementString("altitudeM ode",m _strAltitudeM ode)

pXm lKml.WriteStartElement("coo

rdinates")

图3 KM L文件转换界面

Fig.3 T he in terface of KM L files conversion

4.3 实例验证

2010年4月19日21 00,在120 57.69 E、38 36.38 N处发生溢油事故。调入由FVCOM模型和MM5模式预测出来的4月19日和20日的流场和风场,输入溢油事故相关参数(如图2),设定每隔30min输出一次位置,油粒子个数为100个,根据本系统预测未来12h的运动轨迹以及其他属性变化。把生成的溢油轨迹矢量文件转成相应的KM L 文件,通过Goo gle Earth显示(如图4)。其中,0

为

图4 溢油预测结果显示

F ig.4 T he pr ediction results of o il spilling

217第2期 焦俊超等:GIS和Goog le Earth开发在溢油预测中的整合应用

事故发生后第0.5h的溢油位置,23为第12h的溢油位置。测得4月20日7 00的位置在121 1.68 E, 38 32.70 N处,对照卫星图片发现2010年4月20日7 00实际溢油位置在120 0.95 E,38 36.63 N处。用测量工具进行测量,两者距离约为1150m,误差在可以接受的范围之内,模拟溢油轨迹和实际运动轨迹基本一致。

5 结 语

Go ogle Earth已经在很多领域得到了应用,它提供的卫片和航片可以免去部分制作底图的时间和费用,而且能使用户从不同的角度去研究世界。它也已经公开了部分开发接口A PI,可以使用开发语言针对特定的需求进行二次开发,和GIS、GPS进行整合联动,实现3S集成。本研究即是把GIS和Go ogle Earth开发整合起来,在采用Visual Studio. net语言平台结合ArcEng ine开发GIS系统时嵌入动态溢油模型DLL,通过Goog le Earth平台,借助于它的免费底图显示溢油轨迹。软件界面友好、无需海域底图、移植性强、溢油预测结果和实际卫星图片对照时,满足精度要求,有值得推广的潜力和价值。

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218

遥 感 技 术 与 应 用 第26卷

The Integration Application of GIS and Google Earth

Development in Oil Spill Prediction

JIA O Jun chao 1,M A A n qing 1,LOU A n gang 1,

CH EN Shuang 1,Y AN G Shao lei 2

(1.College of E nvironmental Science and Engineering ,Ocean Univer sity of China,Qingd ao 266100,China;2.Shand ong Mar itime Saf ety A dministr ation,Qingdao 266002,China)Abstract :Taking Bohai Bay as a case constructed dynam ic oil spill model and resulted in DLL in terms of marine environment dynamics in order to prevent the spread of spill o il po llution.We developed component GIS embedded w ith DLL based on ArcEng ine co ntro ller s under Visual https://www.wendangku.net/doc/7d12084536.html, pro gram language cir cum stance to obtain GIS spill oil sy stem.Fir st,input param eters on spill oil accidents,then DLL automati cally pr ocessed this data to generate SH P file of spill o il trajectory ,and the system could convert the for mer SH P file into KM L file,follow ing w hich the system w ould start Goog le Earth and also lo ad the KM L file obtained in the abov e step.The mov em ent trajectory of m arine spill oil w as revealed through Goog le Earth,w hich pro vided decision support to urg ently manag e spill oil incidents fo r g overnment department.T he re sults dem onstrated that the combination development of GIS and Goog le Earth could enhance the run effi ciency and also save cost as w ell as accurately predict the spill o il chang e on the sea,ther efore,w hich had a potential m eaning for further pr omotion.

Key words:GIS;Go ogle Earth;Oil spill;Prediction

219第2期 焦俊超等:GIS 和Goog le Earth 开发在溢油预测中的整合应用