CN101706972A - 海上溢油的三维可视化算法 - Google Patents

Abstract

一种海上溢油的三维可视化算法。在绘制大规模海面场景的基础上，将较短时间尺度内的溢油过程分解为油膜自身扩展和油膜漂移扩散两个阶段，分别选用Lehr模型和油粒子模型计算各阶段的溢油轨迹；采用粒子系统模拟油粒子模型；利用平面折射技术实现溢油轨迹在仿真海面的可视化，再在GPU的片元着色器中通过投影纹理坐标访问该纹理，在绘制海面折射效果的同时，模拟和再现海上溢油的三维场景。本算法解决了油粒子模型的模拟、溢油轨迹在仿真海面的可视化等难题，实现了较短时间尺度内海上溢油三维运动变化过程的形象、直观模拟。

Description

海上溢油的三维可视化算法

技术领域

本发明属于可视化领域，涉及一种海上溢油的三维可视化算法。

背景技术

溢油的可视化是把溢油数值模拟的结果以图形的方式实时、动态地显示出来，从而可以形象、直观地看到海面上溢油的运动变化过程。溢油的可视化是海上溢油研究的发展方向之一，少数学者在这方面进行了研究。Chao^[1]发展了二维和三维的海岸溢油模型，二维模型将油膜分成了许多网格，三维模型对海水中油粒子的分布运动进行了数值模拟。刘彦呈等^[2，3]建立了海上溢油扩展、漂移等过程的数学模型，在短时间尺度内计算预测溢油轨迹及溢油影响的敏感区，并基于二维GIS平台进行了模拟。庄学强等^[4]提出基于GIS组件和COM技术来显示溢油数学模型的计算结果，但并没有给出具体的可视化效果。施欣等^[5]分析影响油膜面积及运动轨迹的因素，并对船舶溢油行为进行了二维模拟实验。Elhakeem等^[6]将线性水动力学模型与溢油模型相结合，对阿拉伯湾的溢油轨迹在二维海图上进行了模拟。以上学者的工作虽然涉及到了溢油可视化技术，但更多地是集中在溢油的数值模拟上，即使实现了溢油的可视化，也只是在海图等二维平台上将事先计算好的溢油数值模拟结果显示出来，只能称为溢油的二维可视化或者说是二维演示。

相比于二维可视化，溢油的三维可视化更能形象、直观地反映海上溢油的运动变化过程，文献[7-9]对大规模海面的仿真及近海海域海上溢油的三维可视化进行了研究，深化了对溢油行为及归宿的认识。

参考文献：

[1]Chao X B，Shankar N J，Cheong H F.Two-and three-dimensional oil spill modelfor coastal waters[J].Ocean Engineering，2001，28：1557-1573.

[2]刘彦呈，殷佩海，林建国，等.基于GIS的海上溢油扩散和漂移的预测研究

[J].大连海事大学学报，2002，28(3)：41-44.

[3]刘彦呈，任光，殷佩海.海上溢油应急反应基于GIS的模拟训练系统研究[J].系统仿真学报，2004，16(11)：2445-2450.

[4]庄学强，陈坚，孙倩.海面溢油数值模拟及其可视化实现技术[J].中国航海，2007，70(1)：97-100.

[5]施欣，陈维皓，赵文朋，等.基于溢油模拟的船舶溢油污染风险评估[J].系统仿真学报，2007，19(13)：3094-3100.

[6]Elhakeem A A，Elshorbagy W，Chebbi R.Oil spill simulation and validation in theArabian(Persian)gulf with-1-

special reference to the UAE coast[J].Water，Air，& Soil Pollution，2007，184(9)：243-254.

[7]任鸿翔(本发明专利申请成员)，尹勇，金一丞.大规模海浪场景的真实感绘制[J].计算机辅助设计与图形学学报，2008，20(12)：1617-1622.

[8]Ren H X(本发明专利申请成员)，Zhang X Y，Yin Y.3d real-time rendering ofcontinuous oil spill on simulated ocean[J].Journal of System Simulation，2008，20(19)：5117-5120.

[9]任鸿翔(本发明专利申请成员)，金一丞，尹勇.航海模拟器中海面溢油的三维可视化研究[J].系统仿真学报，2009，21(1)：161-165.

发明内容

为了实现海上溢油的三维可视化，本发明利用数值模拟技术、虚拟现实技术、图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)技术，设计了一种海上溢油的三维可视化算法，该算法在绘制大规模海面场景的基础上，通过解决油粒子模型的模拟、溢油轨迹在海面的可视化等难题，实现了较短时间尺度内海上溢油三维运动变化过程的形象、直观模拟。该算法计算量较小、实现简便、绘制真实感较强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

实现海上溢油的三维可视化需要解决三个主要技术问题：1.三维海面的仿真。海上溢油是溢油在海面上的运动，海面是溢油运动的载体，因此海上溢油的三维可视化首先要实现三维海面的仿真。2.溢油轨迹的计算和模拟。海上溢油的三维可视化是建立在海上溢油数值计算基础上进行的，而溢油的数值计算和模拟是一个非常复杂的过程。3.溢油轨迹在仿真海面的可视化。在一、二两个问题解决后，还要考虑在保证实时性和真实感的前提下，如何把溢油轨迹的计算和模拟结果反映到仿真的海面上。

对于第一个技术问题，本发明采用先期研发的“航海模拟器场景中的海浪构网算法”来绘制大规模海面场景(详见参考文献[7])。因此本发明主要解决第二和第三个技术问题，所采用的具体技术方案如下：

一、溢油各阶段轨迹的计算和模拟

溢油刚进入水体时，油膜的自身扩展是最主要行为，而溢油发生一段时间后，漂移扩散在油膜运动中逐渐占据主要地位，因此本发明将较短时间尺度内的海上溢油过程分解为油膜自身扩展和油膜漂移扩散两个阶段，每个阶段采用相应的数学模型和模拟方法来计算和模拟溢油的轨迹：对于油膜自身扩展，选用Lehr模型进行数值计算，并采用多边形模拟油膜轨迹的椭圆边界；对于油膜漂移扩散，采用油粒子模型进行数值计算，并利用粒子系统模拟油粒子的运动变化。

二、利用平面折射技术实现溢油轨迹在仿真海面的可视化

溢油轨迹在仿真海面的可视化是海上溢油三维可视化的研究难点。在仿真海面时，海面的折射效果一般采用折射技术来实现，通过对该技术的研究及对海上溢油特点的分析，本发明利用平面折射技术解决了上述难点，具体方法是：将多边形或粒子系统模拟的溢油轨迹绘制为纹理图，再在GPU的片元着色器中通过投影纹理坐标访问该纹理，从而实现溢油轨迹在仿真海面的可视化。

三、采用粒子系统模拟油粒子模型。油粒子模型能比较准确地模拟溢油的漂移扩散过程，在溢油模拟发展过程中具有划时代的意义。但由于受硬件条件及可视化方法的限制，油粒子模型一直没有比较好的模拟方法。本发明采用粒子系统，通过附加体积参数以及合理设置粒子属性，实现了油粒子模型的模拟。

四、利用平面折射技术实现溢油轨迹在仿真海面的可视化。油膜的厚度通常为毫米级，一般会被人眼所忽略，因此，利用平面折射技术实现的绘制效果基本符合人眼观察到的海上溢油的实际情况。而且由于是将油膜轨迹纹理图直接映射到海面上，无需计算油膜的高度，就可实现油膜随海浪的波动效果。此外，通过扰动投影纹理坐标，还可实现油膜边界与海面的自然、逼真过渡。

本发明的有益效果是：所设计的海上溢油三维可视化算法，不仅可以模拟海上溢油的三维场景、逼真地展现海上溢油发展的三维动态过程，而且计算量较小、实现简便。该算法的应用可为溢油故事的预案制定、应急反应、科学决策提供直观的信息和依据，对于有效地预防、控制和处理海上溢油事故，保护海洋环境有重要意义。

附图说明

图1是用多边形模拟油膜自身扩展轨迹。

图2是海上溢油三维可视化算法的流程图。

图2中：1、海面仿真模块，2、溢油数值计算和模拟模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细地说明：

一、溢油各阶段轨迹的计算和模拟

溢油刚进入水体时，油膜的自身扩展是最主要行为，而溢油发生一段时间后，漂移扩散在油膜运动中逐渐占据主要地位，因此本发明将较短时间尺度内的溢油过程分解为油膜自身扩展和油膜漂移扩散两个阶段，每个阶段采用相应的数学模型和模拟方法来计算、模拟溢油的轨迹。

1)油膜自身扩展轨迹的计算和模拟

Lehr等提出的模型可较好地模拟溢油的自身扩展过程，该模型认为油膜呈椭圆形扩展，椭圆长轴与风的方向相同。Lehr模型的计算公式如下

$Q=C_1{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_o}{{\mathrm{\ρ}}_o}\right)}^{\frac{1}{3}}{V}^{\frac{1}{3}}{t}^{\frac{1}{4}}---\left(1\right)$

$R=Q+C_2{W_{10}}^{\frac{4}{3}}{t}^{\frac{3}{4}}$

其中Q、R分别为椭圆短轴和长轴的长度；V为溢油总体积；t为从溢油开始计算所经历的时间；ρ_o、ρ_w分别为油和海水的密度；W₁₀为海面以上10米处的风速；C₁，C₂为经验常数，与油的种类、性质等有关，一般可取C₁＝1.1，C₂＝0.03。油膜扩展面积的计算公式为

$A=\frac{\mathrm{\π}}{4}Q\·R---\left(2\right)$

本发明选用Lehr模型进行溢油自身扩展的数值计算，并采用多边形模拟油膜轨迹的椭圆边界，具体方法是：设在三维世界坐标系xyz中，y轴向上为正，模拟的海平面平行于xz平面，如图1，O(o_x，o_y，o_z)为溢油点，

为采用Lehr模型(式1)计算得到的椭圆长、短半轴，模拟椭圆边界的多边形为p₀p₁p₂…p_n-1，两相邻多边形点与O点间的夹角为θ，则多边形上点p_i(x_i，y_i，z_i)的坐标可由下式计算

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=o_x+\frac{R\·\cos \left(\mathrm{i\θ}\right)}{2}\\ y_i=o_y\\ z_i=o_z+\frac{Q\·\sin \left(\mathrm{i\θ}\right)}{2}\end{array}\right.i=\mathrm{0,1,2},...,n-1---\left(3\right)$

自身扩展在溢油运动的支配地位随时间而迅速减弱，根据Lehr模型的相关理论，当油膜面积达到

平方米时，自身扩展过程停止。

2)油膜漂移扩散轨迹的计算和模拟

当油膜自身扩展过程停止时，漂移扩散成为油膜运动的主要方式。对于油膜漂移扩散的数值计算，采用Johansen的油粒子模型较为合理，该模型把溢油离散为大量的油粒子，每个油粒子代表一定的油量，油膜就是由这些大量的油粒子所组成的“云团”。油粒子模型能较准确地模拟油膜的漂移轨迹和扩散过程，较好地解决了油膜在流场和风场作用下的变形和破碎现象。

计算油粒子的漂移和扩散，其实质是计算油粒子在各时间步长的空间位置，

设第j个油粒子在kΔt时刻的水平位置为x^k _j＝(x^k _j，z^k _j)，则在(k+1)Δt时刻该粒子的水平位置可表示为

$x_j^{k+1}=x_j^k+\mathrm{\Δt}{V}_s+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_j---\left(4\right)$

其中Δα_j代表第j个油粒子的扩散位移；Δt为时间步长；V_s代表kΔt时刻x_j ^k点的漂移速度，它主要由潮流速度和风生流速度组成，潮流速度可通过对潮流场的模拟计算给出，风生流速度的计算公式为

V_w＝α·D·u₁₀            (5)

其中u₁₀代表海面以上10米处的风速矢量；α是风驱系数，取值范围为0.03-0.035；D是风场转换矩阵。

由于溢油发生时，水面的溢油量远远大于水下，因此本发明假定油粒子只在自由表面进行水平扩散运动，没有考虑油粒子的垂直扩散运动。就单个油粒子而言，可由下式计算其水平扩散的位移

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_j=R\·\sqrt{6K_{\mathrm{\α}}\mathrm{\Δt}}---\left(6\right)$

其中R为[-1，1]之间的随机数；K_α为水平方向上的湍流扩散系数。

本发明采用油粒子模型计算溢油的漂移扩散轨迹，并采用粒子系统，通过附加体积参数以及合理设置粒子属性，实现了油粒子模型的模拟。几个主要粒子属性的设置如下：

1.粒子的数量

油粒子模型中定义的油粒子直径在10-1000微米之间，由于油粒子很小，准确地模拟一次溢油所需要的油粒子数量是相当大的.例如当油粒子的平均直径取100微米时，模拟1立方米的溢油大约需要1.9×10¹²个油粒子，以现有计算机的容量和计算速度，同时模拟如此多的油粒子是不现实的。所以必须根据溢油量和计算机的性能来确定粒子数量，一般可设定粒子的数量在10000个以上，这样既能保证模拟精度，也能兼顾计算速度。

2.粒子的形状

本发明采用附加体积参数的方法来实现油粒子特性的模拟。将粒子系统中每个粒子看成一个小圆柱体，此时整个油膜的体积应与所有粒子的总体积相等，设粒子的数量为n个，有

$A_{\max }\·h=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\π}{d}_i^2}{4}\·h_i---\left(7\right)$

其中A_max、h分别为自身扩展停止时油膜的面积和厚度，

平方米；d_i为粒子圆柱体底面的直径；h_i为粒子圆柱体的高度。在此假定h_i等于自身扩展停止时油膜的厚度，即h_i＝h，并且在油膜漂移扩散过程中，h_i保持不变，则有

$A_{\max }=\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(d_i\right)}^2---\left(8\right)$

根据现场观测的经验数据，在水体中油粒子的直径呈对数正态分布，因此可设定d_i遵从对数正态分布，其密度函数为

$f\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}x\ln 10}{e}^{-\frac{{({\log }_{10}x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}---\left(9\right)$

其中

σ根据观测取经验值0.5。

考虑到溢油蒸发、乳化的影响，随着时间的发展，海上溢油残留量的体积会发生改变，由于已假定h_i保持不变，溢油残留量的体积变化可通过d_i的变化得以体现，d_i的变化率为其中F_v为蒸发率；Y_W为乳化物含水率。

3.粒子的颜色和纹理

原油的颜色非常丰富，从无色、淡黄色、黄褐色、深褐色、黑绿色至黑色，其中以黑色原油最为常见。在此假定溢出原油的颜色为黑色，所以粒子最终显示的颜色也应是黑色。粒子的颜色可通过纹理来体现，纹理中心的圆形区域为黑色，其余为白色。粒子在显示时需将纹理颜色与海面颜色进行融合。

4.粒子的初始位置

油膜的自身扩展呈椭圆形(如图1)，当自身扩展停止时，可在椭圆形边界以内随机设置粒子的初始位置，即粒子j的初始水平位置(x_j ⁰，z_j ⁰)应满足下式

${\left[\frac{2(x_j^0-o_x)}{R}\right]}^2+{\left[\frac{2(z_j^0-o_z)}{Q}\right]}^2\≤1---\left(10\right)$

5.粒子的运动及生命周期

采用粒子系统实现油粒子模型时，本发明假定粒子间彼此独立、互不干扰，既不会发生碰撞，也不会发生混合，粒子各自在潮流和风的作用下运动，其运动变化可由式4计算得到。

本发明假定油膜不会漂移、扩散到岸边，所以可认为粒子的生命是一直存在的。

二、风场、流场的计算

风是影响溢油运动的主要因素之一，常用的风场模型有常风场模型、随机游动风场模型和马尔可夫链风场模型。后两种风场模型一般依赖于气象台站的观测数据，并且这些数据还要经过一定的程序校正后方可使用；而常风场模型是最简单的风场处理方法，适用于溢油过程的时间尺度和空间尺度较小的情况。本发明研究较短时间尺度内近海海域的溢油过程，符合常风场模型的适用条件，因而本发明在模拟溢油运动变化时采用常风场模型，并选取平均风速和平均风向作为常风场条件。

复杂多变的潮流是影响近海海域溢油运动的最主要因素。潮流数值计算是根据海域中一些离散观测点的各时刻的潮流信息，采用有限元、有限差分、有限体积等方法进行较精确的离线计算。本发明对于潮流的计算采用了相对简便实用的方法：首先将溢油所在区域划分成N×N个正方形网格，对每个网格的中心点实时计算潮流速度，并把此值作为该网格内所有点的潮流速度。这种方法基本保证了计算精度，同时有效提高了计算速度。

在计算网格中心点p的潮流速度时，首先遍历已知观测点的潮流信息，从中选择并保存距离p点最近的9个观测点的流速、流向以及观测点与p点的距离；然后利用这些数据加权计算p点的流速、流向。权值与距离成反比，即距离p点近的观测点对p点的流速、流向有较大影响；反之，距离p点远的观测点对p点的影响较小。

三、油膜轨迹的平面折射

所谓平面折射技术，通常是预先设定一个裁减平面，将裁减平面以下的景物渲染为折射纹理，然后通过投影纹理坐标访问折射纹理，从而实现折射效果。投影纹理坐标的计算公式如下

Tex_refr＝P·M_world·M_view·M_proj·M_remap+λ_refr·N       (11)

其中M_world、M_view和M_proj分别为世界、观察和透视变换阵；M_remap为投影空间到纹理空间的变换阵；P是顶点坐标；λ为系数；N为法向量；通过λN可对投影纹理坐标进行扰动。

实现溢油轨迹在仿真海面的可视化可利用此技术，具体做法是：在采用多边形或粒子系统模拟溢油轨迹时，模拟的结果并不直接绘制到屏幕，而是将其绘制为代表油膜运动变化的折射纹理图，再在GPU的片元着色器中通过投影纹理坐标访问该纹理，在绘制海面折射效果的同时，模拟和再现海上溢油的三维场景。图2是海上溢油三维可视化的流程图。

利用平面折射技术实现溢油轨迹在仿真海面的可视化，无需计算油膜的高度，只需在片元着色器中增加一次对纹理图的访问，就可在绘制海面折射效果的同时实现溢油轨迹的可视化，绘制效率很高。同时通过扰动投影纹理坐标，还可实现油膜边界与海面的自然、逼真过渡。

Claims (3)

1.一种海上溢油的三维可视化算法，其特征在于：在绘制大规模海面场景的基础上，将较短时间尺度内的溢油过程分解为油膜自身扩展和油膜漂移扩散两个阶段，分别选用Lehr模型和油粒子模型计算各阶段的溢油轨迹；采用粒子系统模拟油粒子模型；利用平面折射技术实现溢油轨迹在仿真海面的可视化。

2.根据权利要求1所述的海上溢油三维可视化算法，其特征在于：采用粒子系统模拟油粒子模型，采用附加体积参数的方法，将粒子系统中每个粒子看成一个小圆柱体，整个油膜的体积与所有粒子的总体积相等；模拟时粒子圆柱体的高度等于自身扩展停止时油膜的厚度且保持不变，粒子圆柱体的底面直径遵从对数正态分布，并通过底面直径的改变体现海上溢油残留量的体积变化。

3.根据权利要求1所述的海上溢油三维可视化算法，其特征在于：利用平面折射技术实现溢油轨迹在仿真海面的可视化，将多边形或粒子系统模拟的溢油轨迹绘制为纹理图，再在GPU的片元着色器中通过投影纹理坐标访问该纹理，在绘制海面折射效果的同时，实现溢油轨迹的三维可视化。

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