CN108959831A - 基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，包括数据采集模块、数据处理模块、仿真模型、可视化展示模块和数据服务模块，数据采集模块对采集到的污染事件数据、水文数据、污染无数据和3S地理数据传输到数据处理模块，数据处理模块对数据采集模块采集到的文本数据和影像数据进行处理，使其满足模拟仿真运算的需求；仿真模型接收到经过处理后的文本数据和影像数据后进行仿真运算，并将运算结果传输至可视化展示模块进行展示，数据服务模块能对数据采集模块采集、数据处理模块处理后的数据进行检索与管理。本发明水污染事件响应与处置提供决策辅助与信息支撑，进而减少水污染过程带来的经济损失，降低污染物对水资源的影响程度。
Description
技术领域
本发明属于水污染运移仿真系统技术领域，涉及一种基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统。
背景技术
水污染事件具有前兆事件不明确的突发性、事件发生过程的不确定性与复杂性、事件发生后的危害性与衍生性等特征。水污染事件发生的环境是复杂的，其复杂性主要体现在复杂边界条件与污染物种类、特性、运移状态的复杂，对其的模拟仿真也建立在其复杂特性上的。
突发水污染事件中的复杂边界条件可根据不同事件中水体水文特征的差异，分为两大类：一是不同水体类型及不同水域具有的复杂河岸边界形状与水底地形；二是同一水体在不同时期内水文条件的复杂性。复杂的边界条件对于突发水污染事件中污染物的时空分布起着很大影响。水动力规律在不同的水体类型及其不同的水文条件中具有明显差异，相应地污染物运移过程也是不同的，通常水体中污染物的运移过程与水流运动过程相符合，水流运动的复杂特性极大地增加了对水污染运移模拟仿真的复杂性。
复杂污染物种类是水污染事件发生环境复杂的另一体现。突发事故中污染物种类是不确定与随机的，这造成污染物种类多样复杂。对于不同特征的污染物，由于其自身理化性质各不相同，其在水体中的存在形式、分布形态以及迁移扩散规律也有较大差异。对于污染物的划分即可根据其水溶性特征分为可溶类有毒污染物、挥发类有毒污染物与难溶类有毒污染物，也可以根据其污染特性分为化学性污染物、物理性污染物与生物性污染物。正是由于这些不同特征的污染物，及其污染物形态与运动规律共同构成污染物种类的复杂性。
水污染运移模拟仿真需要水质模型的支撑以模拟仿真污染物在水体中的运移状态。水质模型是研究水环境、水质分析与预测的主要技术手段。其主要进行水质模拟计算，模拟污染物浓度在时间、空间上的变化分析，具有灵活、快速、可操作性强等特点。水体中污染物的迁移、转化与浓度分布等规律一般借助水质模型加以描述，因此水质模型对水污染事件的研究至关重要。
污染物Agent模型是在污染物复杂性分析建模研究的基础上，以水质体积微元、行为与表示方法为核心构建的模型。其既考虑河道边界、断面环境对污染物分析的影响又综合考虑影响污染物运移的多种因素，将信息内容以成果方式加入到水质复杂Agent的行为中，对多尺度下微观行为进行动态自组织，并用宏观模型展现模拟仿真效果，以具体化现实水污染事件场景。
水污染运移模拟仿真需要一个可视化展示平台，数字地球为其提供底层的可视化支持服务。数字地球是3S技术(RS，GIS，GPS)的有机结合，是信息化的地球，或者说是地球的虚拟对照体，是3S技术、分布式计算和三维空间建模等现代信息技术的集成与应用，是全球经济一体化、高技术化和信息化过程中出现的新思想观念与科学技术动向。基于河流三角网技术将现实中的河流映射到数字地球平台中，以实现河流的可视化展示，便于污染物在水体中运移的可视化展示。河流三角网技术是建立在离散数据基础上的，利用格网剖分技术，将现实中具有连续空间属性的河流离散化，以离散化的基本剖分单元作为控制单元，进而把所研究的平面按照河道边界分解为三角面元，并在此基础上用曲面细分算法逐步进行细化，通过图像渲染等技术以实现连续的河流图像展示。
纵观现有技术及相关研究，虽已有效地解决了水污染模拟仿真与可视化展示问题，但仍有一些不足之处，其主要是：①水环境系统为复杂的系统，现有方法中的水质模型很难反映出水环境系统中的复杂关系；②可视化方案展示信息较少，大多停留在模型优化与简单的模拟成果展示层面上，与GIS、RS、GPS构成的3S集成信息结合力度、特别是在数字地球平台下进行的水污染模拟研究的深度还不够，无法动态观察水污染运移过程；③缺乏有效的描述模型与集成化平台，难以将书面成果逐步变成可操作与实施的成果。为此，本发明借助知识图等可视化展示手段，对影像、地理信息、相关水利工程、污染物运移等多种异构信息进行集成，开展复杂Agent的污染物扩散、演进过程的仿真模拟，进而形成面向水污染事件的模拟应用支撑平台，利用数字地球上直观的水污染运移仿真，全面展示污染过程相关信息，提供决策支持服务，来缓解目前水污染现象难以处置等问题，这对于支撑突发水污染事件应急防治与管理具有较强的现实意义与紧迫性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，解决了现有系统无法针对水体环境的复杂性、污染物的复杂性与污染事件的复杂性进行有效地污染物运移仿真的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，包括数据采集模块，数据采集模块用于采集污染事件数据、水文数据、污染无数据和3S地理数据，并将采集到的数据传输到数据处理模块，数据处理模块对数据采集模块采集到的文本数据和影像数据进行处理，使其满足模拟仿真运算的需求；仿真模型接收到经过处理后的文本数据和影像数据后进行仿真运算，并将运算结果传输至可视化展示模块进行展示，数据服务模块能对数据采集模块采集、数据处理模块处理后的数据进行检索与管理。
本发明的特点还在于，
可视化展示模块包括数字地球平台、3S集成地理信息展示、河流展示、污染物运移状态展示、污染物运移仿真展示，
数字地球平台,根据3S数据构建的底层信息展示平台。
3S集成地理信息展示能够根据3S数据在数字地球平台的基础上进行地形展示。
河流展示能够根据水文数据得到河流信息化数字，并将信息化数字映射到基于数字地球平台的地理信息展示图中，完成河流可视化展示。
污染物运移状态展示能够根据污染物数据，基于污染物的运移空间、运移方向、行为的复杂性，用三角形元胞自动机模型、多智能体水质模型与污染物Agent模型进行仿真，以确定污染物在各环境下的运移状态，并利用水质浓度色阶模型刻画污染物在河流展示呈现出的水体中的浓度。
污染物运移仿真展示能够根据污染事件数据，基于边界条件复杂性抽象复杂污染事件的特征，对具体污染事件进行污染物运移仿真,综合应用数字地球平台、3S集成地理信息展示、河流展示与污染物运移状态四大模拟仿真以实现污染物运移模拟仿真展示。
仿真模型在水体污染事件发生时，能针对复杂的水体环境、复杂的污染物特征与复杂的污染事件，模拟、仿真污染物在水体中的运移过程。
数据采集模块是基于复杂性理论，应用基于中间件技术的数据集中、在联邦数据库技术的数据映射与分布式信息综合集成三大技术从工程监视、工程跟踪、流域监视、信息解译、数据标准、遥感分析、共享服务、灾害监视、自动监视、外部信息、现场信息、无线传输、光纤传输、卫星传输、物联网这些过程、系统、数据资源中产生、存储的数据资源进行数据采集。
数据处理模块应用数据抽取、数据转换、数据净化、信息整序技术、数据复制、数据合并与共享、流程调度服务、系统性能指标对文本数据进行数据处理；应用瓦片金字塔数据构建、线性四叉树数据存储与基于负载均衡的影像请求框架构建对影像数据进行数据处理。
3S集成地理信息展示模块，是基于线性四叉树存储技术，从数据库中获取相对应的瓦片数据，用数字地球三维视景模型将瓦片采用纹理方式从二维纹理平面映射到三维景物的地球表面，并综合考虑视点、视野、视角、视角高度、旋转角等视域，结合瓦片金字塔模型构建地形金字塔和影像金字塔，并在数字地球平台上进行展示。
河流展示模块应用经纬线扫描方法获取用以组成三角形的河流离散点数据，基于河流三角网模型将离散点数据映射到基于数字地球平台的地理信息展示图中。
污染物运移状态仿真模块，应用三角形元胞自动机模型仿真污染物在水体中的运移空间，应用多智能体水质模型仿真污染物的运移方向，应用污染物Agent模型仿真污染物的运移行为，应用水质浓度色阶模型对污染物进行可视化展示。
污染物运移仿真展示模块，能够将数字地球平台、3S集成地理信息展示、河流展示与污染物运移状态展示进行模拟仿真以实现污染物运移模拟仿真展示，并能针对实际应用情景，进行仿真模拟、数据处理、污染物类型设置、比例尺设置、飞翔地点设置与水流表现效果设置。
本发明的有益效果是，本发明的基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，采用复杂性理论构建面向整个干流河道的水质模型，在河道多尺度分解的基础上，将水质体积微元构造成具有特定动态行为的复杂性Agent，分别对导致体积微元内污染物浓度变化的各类因素建模，通过对模拟仿真作业的拆分与原子化处理，进一步提高污染物运移演化中数据分析与渲染造型的算法速度，并在格网优化与视域模型下，以数字地球为基础平台，实现水污染事件的信息融合与集成展示，从而有效解决现有模型方法的瓶颈问题，提供一个更直观、精确、生动的水污染运移模拟仿真可视化与信息检索平台，为各流域、行政机构的水污染事件响应与处置提供决策辅助与信息支撑，进而减少水污染过程带来的经济损失，降低污染物对水资源的影响程度。
附图说明
图1是系统框架图；
图2是数据采集模块图；
图3是数据处理模块图；
图4是数据仿真及可视化展示模块图；
图5是功能模块图；
图6是基于负载均衡的影像请求架构图；
图7是河流三角网模型图；
图8是水质污染二维三角形元胞自动机空间划分图；
图9是多智能体水质模型图；
图10是污染物Agent模型图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，包括数据采集模块，数据采集模块用于采集污染事件数据、水文数据、污染无数据和3S地理数据，并将采集到的数据传输到数据处理模块，数据处理模块对数据采集模块采集到的文本数据和影像数据进行处理，使其满足模拟仿真运算的需求；仿真模型接收到经过处理后的文本数据和影像数据后进行仿真运算，并将运算结果传输至可视化展示模块进行展示，数据服务模块能对数据采集模块采集、数据处理模块处理后的数据进行检索与管理。
可视化展示模块包括数字地球平台、3S集成地理信息展示、河流展示、污染物运移状态展示、污染物运移仿真展示，
数字地球平台,根据3S数据构建的底层信息展示平台。
3S集成地理信息展示能够根据3S数据在数字地球平台的基础上进行地形展示。
河流展示能够根据水文数据得到河流信息化数字，并将信息化数字映射到基于数字地球平台的地理信息展示图中，完成河流可视化展示。
污染物运移状态展示能够根据污染物数据，基于污染物的运移空间、运移方向、行为的复杂性，用三角形元胞自动机模型、多智能体水质模型与污染物Agent模型进行仿真，以确定污染物在各环境下的运移状态，并利用水质浓度色阶模型刻画污染物在河流展示呈现出的水体中的浓度。
污染物运移仿真展示能够根据污染事件数据，基于边界条件复杂性抽象复杂污染事件的特征，对具体污染事件进行污染物运移仿真,综合应用数字地球平台、3S集成地理信息展示、河流展示与污染物运移状态四大模拟仿真以实现污染物运移模拟仿真展示。
仿真模型在水体污染事件发生时，能针对复杂的水体环境、复杂的污染物特征与复杂的污染事件，模拟、仿真污染物在水体中的运移过程。
数据采集模块是基于复杂性理论，应用基于中间件技术的数据集中、在联邦数据库技术的数据映射与分布式信息综合集成三大技术从工程监视、工程跟踪、流域监视、信息解译、数据标准、遥感分析、共享服务、灾害监视、自动监视、外部信息、现场信息、无线传输、光纤传输、卫星传输、物联网这些过程、系统、数据资源中产生、存储的数据资源进行数据采集。
数据处理模块应用数据抽取、数据转换、数据净化、信息整序技术、数据复制、数据合并与共享、流程调度服务、系统性能指标对文本数据进行数据处理；应用瓦片金字塔数据构建、线性四叉树数据存储与基于负载均衡的影像请求框架构建对影像数据进行数据处理。
3S集成地理信息展示模块，是基于线性四叉树存储技术，从数据库中获取相对应的瓦片数据，用数字地球三维视景模型将瓦片采用纹理方式从二维纹理平面映射到三维景物的地球表面，并综合考虑视点、视野、视角、视角高度、旋转角等视域，结合瓦片金字塔模型构建地形金字塔和影像金字塔，并在数字地球平台上进行展示。
河流展示模块应用经纬线扫描方法获取用以组成三角形的河流离散点数据，基于河流三角网模型将离散点数据映射到基于数字地球平台的地理信息展示图中。
污染物运移状态仿真模块，应用三角形元胞自动机模型仿真污染物在水体中的运移空间，应用多智能体水质模型仿真污染物的运移方向，应用污染物Agent模型仿真污染物的运移行为，应用水质浓度色阶模型对污染物进行可视化展示。
污染物运移仿真展示模块，能够将数字地球平台、3S集成地理信息展示、河流展示与污染物运移状态展示进行模拟仿真以实现污染物运移模拟仿真展示，并能针对实际应用情景，进行仿真模拟、数据处理、污染物类型设置、比例尺设置、飞翔地点设置与水流表现效果设置。
瓦片数据是一种用于展示地理图像的数据。
瓦片金字塔数据构建是一种地理图像呈现方式，由各层级的‘瓦片数据’整合，呈现不同比例尺的地理图像。
经纬线扫描方法是一种用于获取生成河流三角网模型的数据采集方法。如图1所示，本发明基于复杂性理论与数字地球平台，提供以污染物运移模拟仿真为主的数据服务。复杂性理论是本发明的核心理论基础，它是对复杂的污染事件数据、水文数据、污染物数据、3S数据根据其复杂性特征进行针对性数据采集、存储与处理的依据，是针对水污染事件复杂边界条件、复杂污染物种类、复杂数值模拟计算理论进行模拟仿真的基本方法。而数字地球平台则为基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真提供底层可视化支持服务。
在复杂性理论与数字地球平台两大技术的支撑下，本发明从数据资源出发，采集污染事件数据、水文数据、污染物数据与3S数据四大类数据构建本发明的基础数据库；针对数据资源中文本数据与影像数据两大类数据进行数据处理，使其适应信息快速检索与模拟仿真运算的需求；基于处理加工后的数据，主要应用数字地球组件技术、瓦片金字塔模型、数字地球三维视景模型、河流三角网模型、三角形元胞自动机模型、多智能体水质模型、污染物Agent模型、水质浓度色阶模型与边界条件复杂性理论等仿真技术、模型进行水污染运移数值模拟计算；针对仿真运算结果，进行数字地球展示、3S集成地理信息展示、河流展示、污染物运移状态展示与污染物运移模拟仿真展示等可视化展示；最终本发明提供水情信息展示、水质信息展示、污染物运移模拟仿真与信息查询四种主要的数据服务。本发明的详细流程如图2至图5所示。
图2数据采集模块是针对各基层数据信息，基于复杂性理论进行本发明所需数据的采集。本发明主要针对工程监视、工程跟踪、流域监视、信息解译、数据标准、遥感分析、共享服务、灾害监视、自动监视、外部信息、现场信息、无线传输、光纤传输、卫星传输、物联网等过程、系统、数据资源中产生、存储的数据进行数据采集。基于中间件技术针对利用度高的重点核心数据，通过数据转换中间件将一个数据库中的数据复制、转换为另一个数据库中的数据，以实现模式拷贝，进而将多个数据库中的数据集成至单一数据库中，形成一个在逻辑定义与物理存储上皆统一的总体数据库，从而把不同来源、格式、特点性质的数据在逻辑与物理上有机集中，以进行多个核心数据库集中；采用联邦数据库技术将大批量低访问率数据通过数据映射的方式构建数据库，采用紧耦合、同步性的虚拟数据库方法，在自身不保存数据的情况下，为多种数据源提供一个统一的中间层访问接口，通过SQL API来处理数据访问请求，使得数据访问请求间接地传递到数据的真实存储位置进行处理，进而通过虚拟数据库技术进行随意查询存储在联邦系统中任意位置的数据。应用分布式信息集成技术将所涉及的业务系统技术密集、问题复杂、协作性强、信息量大且分散的数据进行分析、整合、处理，以进行数据集成、提供一个数据综合环境。
在基于中间件技术的数据集中、联邦数据库技术的数据映射与分布式信息综合集成三大技术的支撑下，应用复杂性理论，针对复杂的边界条件，对不同水体类型及不同水域具有的复杂河岸边界形状与水底地形，以及同一水体在不同时期内水文条件的复杂特性从集成数据资源中采集数据，以形成污染事件数据库；基于河流、湖泊水库、河口海湾不同水体类型以及不同时期、不同地域各水体的复杂水文特征，以形成水文数据库；针对污染物种类的复杂性，以污染物的化学性、生物性、物理性与可溶类、难容类、挥发类两大类复杂特性采集数据，以建成污染物数据库；对GIS、RS与GPS三大类数据进行集成，并将其进行瓦片化后形成的空间信息瓦片图形数据集成以构建3S数据库。污染事件数据库、水文数据库、污染物数据库与3S数据库共同形成本发明的数据资源基础。
图3数据处理模块是对数据资源中具有复杂属性的数据进行处理，使其适应数据基层服务的需求。对数据的处理主要分为文本数据处理与影像数据处理。
文本数据处理主要有数据抽取、数据转换、数据净化、信息整序技术、数据复制、数据合并与共享、流程调度服务、系统性能指标七大部分。
(1)数据抽取，它从源数据库中提取所需要信息。其主要采取全量抽取与增量抽取两种模式。全量抽取针对一些固化数据，这些数据长期内不发生变化。增量抽取则针对实时数据，只抽取相对目标库来说发生更新的数据内容，其主要通过触发器、时间戳、快照表技术来实现。
(2)数据转换，它针对数据中的异构数据，即格式不同的数据、输入错误的数据、不完整的数据进行转换，统一其数据结构，使其具有一致性。数据转换时参照统一的元数据标准，以中间件作为主体进行，并综合应用合并与拆分、代码转换与数据汇总等技术。
(3)数据净化，对数据重复、截断等状况进行剔除。数据净化以数据标准与规范为基础，针对不同类数据分别建立模板库，以模板来对原始数据加以过滤。
(4)信息整序技术，它是有序化、规则化数据信息的一种技术。信息整序按语法信息、语义信息、语用信息三种方式进行数据处理。语法信息整序采用形式化语句实现对信息的结构性与规则化编排；语义信息整序基于信息的内容特征，使用一套含有语义的符号系统来整序信息；语用信息整序是根据信息的实用价值来整序信息。
(5)数据复制，是通过建立多个数据副本以提高数据资源稳健性的技术。其主要有从附近的节点获取数据，从多个节点并行获取数据与从负载小的节点获取数据三种数据复制方式。
(6)数据合并与共享，是对多个零散的、分裂的数据源进行合并，构建其内在联系，形成一个整体资源的技术。它为分散的数据建立索引与数据关系，采用XML建立描述文档，将数据源中提取、转换、合并后的水污染数据加载到所针对的应用中，用适配器转换为共享资源库中相应的资源格式，以形成共享资源。并使用元数据库保存在数据交换与共享过程中有关的元数据信息，最终通过图形化的界面创建与维护元数据，以实现元数据共享，提供元数据浏览与查询功能。
(7)流程调度服务，它主要用于对数据资源的控制，用以设置调度策略、分发调度任务、管理交换进程，并基于事件或日志提供实时监控与历史记录、审查信息。同时支持不同协议的数据传输，以适应不同模式的数据交换需求。
(8)系统性能指标，其是对数据性能的规范，主要是数据抽取与加载的效率、动态地扩展能力、数据可靠性三个方面。
影像数据处理主要涉及瓦片金字塔数据构建、线性四叉树数据存储与基于负载均衡的影像请求框架构建三个方面。
(1)瓦片金字塔数据，是针对水污染运移模拟仿真中涉及的大量河床塑造与影像数据，在统一的空间参照下，按分辨率级别建立的能构建地形金字塔与影像金字塔的一组空间信息数据。瓦片金字塔数据可以为地形金字塔与影像金字塔直接提供不同分辨率的地形子块与影像子块，从而无须对地形与影像进行实时绘制操作便能构建可视化影像。其虽增加了数据的存储空间，但能有效减少每帧场景的绘制时间与服务器端发送的数据量，降低终端用户的处理任务。
(2)线性四叉树数据存储，是针对瓦片金字塔数据所涉及的一种瓦片数据访问方式。线性四叉树数据存储与影像金字塔相互映射。线性四叉树是一种以4作为最多结点数量的树形结构，每个结点均代表一个空间信息瓦片，结点的子结点依次编号为1、2、3、4，若按照方位区域描述，则四个结点记为SiWi、SiEi、NiWi与NiEi，i为层高，SiWi、SiEi、NiWi与NiEi分别代表西南子结点、西北子结点、东南子结点与东北子结点，每个子结点亦对应一个空间信息瓦片。在线性四叉树数据存储中空间信息瓦片以文件方式进行存储。既可用一个文件记录当前整个空间信息区域，将该区域内的所有空间瓦片数据进行相应的命名并直接存储于该文件中，并把存储的信息存入XML文件中；也可用具有层次结构的文件系统来存储空间信息区域，将线性四叉树中相同层次的空间瓦片数据存储于同一个文件中，使每个文件与线性四叉树的各层相对应，并用XML文件存储该文件信息。
(3)基于负载均衡的影像请求框架构建，是构建一种影像请求框架来提供影像服务的技术。本发明所构建的基于负载均衡的影像请求架构如图6所示。该框架由用户层、调度层、服务层与存储层构成。用户层向总服务器发送http访问请求来获取所需的影像，访问请求方式可采用NASA规定的用于请求影像资源的规范。总服务器得到访问请求之后，对其进行解析，得到所请求影像在金字塔中所处的层数及其所在行与列，然后将获取影像的任务交给最为空闲的服务器处理。服务层是由多台高性能计算机构成的，是保障系统负载均衡的关键，它们的基本信息(CPU、内存、IP地址)在总服务器上均有记录，并且通过网络实时地将自身的情况发往总服务器，并据此分发任务，最大程度地保障系统负载均衡。位于框架底层的是存储层，它物理上由大量的磁盘构成，使用统一的编码格式进行数据存储。该框架的四个层通过标准的协议实现了松散耦合，每个层都具有良好的扩展性，存储层的扩展可以有效地增加系统存储能力，而服务层的扩展则可以大幅度提升系统整体服务性能，总服务器软件与硬件的升级可以直接改善用户体验。
经过处理的文本与影像数据共同提供数据基层服务、支持仿真模型。一方面提供基本的文本数据查询服务与空间信息瓦片检索服务，向用户直接提供数据信息展示服务，诸如水情信息展示、水质信息展示、信息查询等，另一方面为本发明的内部运行过程提供数据资源，支持仿真模型的设计，提供仿真运算数据资源，其具体应用如图4所示。
数字地球平台是应用Java面向对象开发语言，使用IntelliJ IDEA7.0集成开发环境，依托数字地球组件技术搭建可视化展示平台。
信息检索模块，能对采集、处理后的数据进行检索与管理，具有测站基本属性、河道水情、水库水情、水库水情均值、预报水情、站点基本信息、水质信息、调控措施、控制断面、水文站点、蓄滞洪区、排污口、污染物分类、方案、水库、河道、水功能区与水源地功能模块。
图4数据模拟仿真及可视化展示模块是运用仿真技术对数据处理模块中经过处理的数据进行模拟仿真，并进行可视化展示的模块。针对模拟仿真对象与可视化展示流程，本模块可以分为数字地球平台、3S集成地理信息展示、河流展示、污染物运移状态与污染物运移模拟仿真展示五个部分。
(1)数字地球平台是基于3S数据，应用Java面向对象开发语言，使用IntelliJIDEA7.0集成开发环境，依托数字地球组件技术所搭建的可视化展示平台。它是整个水污染运移模拟仿真可视化的基础。
(2)3S集成地理信息展示是依托3S数据，在数字地球平台的基础上进行地理信息展示的过程。首先通过线性四叉树存储技术从数据库中获取相对应的空间信息瓦片数据，并结合瓦片金字塔模型构建地形金字塔与影像金字塔，以实现地理影像数据的获取与展示。然后用数字地球三维视景模型，将瓦片采用纹理方式从二维纹理平面映射到三维景物的地球表面，并综合考虑视点、视野、视角、视角高度、旋转角等视域，提高以影像数据中的地貌信息来模拟地表的真实性，形成贴近实地状况的虚拟现实三维景观。
(3)河流展示是通过水文数据对河流在3S集成地理信息中以数字化形式再现的过程。在河流展示中使用的关键仿真技术是河流三角网模型，如图7所示。河流三角网技术以离散数据为基础，利用格网剖分技术，将现实中具有连续空间属性的河流离散化，以离散化的基本剖分单元作为控制单元，进而把所研究的平面按照河道边界分解为三角面元，并在此基础上用曲面细分算法逐步进行细化，通过图像渲染等技术以实现连续的河流图像展示。该模型可以调控河流展示的精细度，进而形成不同精细度的河道展示模型。在此基础上进一步依托数字地球缩放操作及视域自由交换技术，形成一种具有LOD(Levels ofDetail)效果的可视化方案。河流三角网模型的构建需要经纬线扫描技术为基础以获取用以组成三角形的各离散点。该算法以经纬线为扫描线对现实中的河道进行扫描，并截取扫描线上的点构建离散点集合，以此组成三角形，进而生成河道三角网。其关键环节为确定扫描线、确定扫描间隔、确定扫描范围并获取经纬网与获取离散点四个环节。
(4)污染物运移状态是利用污染物数据，基于仿真模型模拟污染物在水体中的运移状态。通过三角形元胞自动机模型、多智能体水质模型、污染物Agent模型三种仿真模型仿真污染物的运移空间、方向、行为，并用水质浓度色阶模型对污染物进行可视化展示，最终使污染物呈现在上一环节所展示的河流中。
<1>三角形元胞自动机模型，用以刻画污染物在水体中的活动空间(如图8所示)。它是在传统元胞空间划分的基础上，综合水面与水下水质运动的多样性以及用河流三角网模型构建的多维空间特征，扩展传统的二维元胞空间划分方式，将研究区域按照固定的间隔离散成上层为水面元胞层、下层为水下元胞层的多个相连的三角形格网系统。其每一层的每个格网点代表1个元胞，每个元胞周围包含多个相邻的元胞。多个离散的元胞组成元胞空间。为了将其映射至GIS空间中，用离散化连续的空间数据转化成多个独立的元胞，并将空间尺度属性赋予各元胞，这样元胞的大小与空间数据的分辨率相对应，其实际的操作过程需要依托河流三角网模型对河道进行格网化。它界定了污染物的基本运移空间。
<2>多智能体水质模型(如图9所示)，用以模拟污染物在水体中的运移方向。ai为三角形水质智能体，其主要具有平移与扩散行为。平移即伴随水流以一定的方向进行移动，扩散即该三角形水质智能体在其周边紧邻的多个三角形水质智能体所构成的空间中进行移动，并最终通过扩散与平移机理模拟污染物运移方向。
<3>污染物Agent模型(如图10所示)，用以模拟污染物在水体中的运移行为。在河道多尺度分解三角面元的基础上，参考水质微分模型的建立方法，将整个水体划分为多个三角形微元，每个三角形微元对应于一个水质复杂Agent(即WQCA)。WQCA被定义为5元组WQCA＝(ID,c,v,s,A)。其中ID为UDDI产生的一个唯一标识，用于区分不同的三角形微元；c与v分别为WQCA的浓度与流速；S＝{SA,SB,SC}为三角形微元的三个顶点，赋予其经纬度数值，并定义该三角形微元面积为S(对应于用河流三角网模型所构建的三角形面元)；A则为采用复杂性理论所建立的WQCA行为集合，即污染物的吸附行为、自净行为、沉降行为、挥发行为、平推行为、扩散行为与演化行为，是对污染物在水体中运移行为的动态建模。
<4>水质浓度色阶模型是一种可逆的映射模式，可以将污染物浓度转化为颜色值，以便于污染物在河流状态中的展示。它既可以将浓度值转化为颜色值，也可以将颜色还原为浓度值。在这种机制下，通过多幅图像的动态连续绘制则实现了数字地球上污染物运移的模拟。
(5)污染物运移模拟仿真展示是基于复杂性理论的水污染事件边界条件复杂性，抽象复杂污染事件的特征，并基于特征数据综合应用数字地球平台、3S集成地理信息展示、河流展示与污染物运移状态四大模拟仿真以实现污染物运移模拟仿真展示。
图5功能模块展示了本发明直接提供的主要数据服务，其包含水情信息展示、水质信息展示、污染物运移模拟仿真与信息查询四大部分。
(1)水情信息展示用以展示水情方面的相关信息，以便用户能快速检索到所需的水情信息，辅助用户掌握水情信息的全貌，能够更精准的利用水情信息进行水污染运移模拟仿真。水情信息展示包含测站基本属性、河道水情、水库水情、水库水情均值与预报水情五个模块。
<1>测站基本属性用于展现本发明所使用到的水雨情信息的测站列表，从表中可以查看测站的编码、名称、水系、经纬度、站址、行政区划、基面等信息，用户通过输入测站名称、测站编码、河流名称、水系名称、流域名称、站址等信息进行查询，点击定位按钮以在可视化平台中定位测站位置，通过全部选择框展现所有测站，通过追加选框来连同多个测站共同显示，支持所选测站河道水情、水库水情、水库均值、预报水情及相应时间段的可视化图形展示，并支持上下页的翻页与转到具体页面功能，使用户能更加便捷的掌握测站的数据全貌。
<2>河道水情主要显示本发明中所使用到的河道水情信息，该数据来自实测信息，提供信息检索功能，且默认时展现所有测站信息，支持上下页翻页与转到具体页面功能，辅助用户快速掌握河道水情信息。
<3>水库水情主要显示本发明中所使用到的水库情信息，该数据来自实测信息，提供信息检索功能，默认时展现所有水库信息，支持上下页翻页与转到具体页面功能，辅助用户对水库水情信息的高效认知。
<4>水库水情均值主要显示本发明中所使用到的水库水情均值信息，该数据来自对水质水情基本信息的计算处理，提供信息检索功能，默认时展现所有水库水情均值，支持上下页翻页与转到具体页面功能，具有数据处理功能，更全面地向用户展示水情信息。
<5>预报水情主要显示本发明所预报的水情信息，该数据来自对实测信息的计算预测，提供信息检索功能，默认时展现所有预报信息，支持上下页翻页与转到具体页面功能，辅助用户理解、使用水情数据。
(2)水质信息展示用以展示水质方面的相关信息，通过信息检索的形式辅助用户掌握水质信息，并提供水质信息数据管理维护功能，以便对本发明中的水质信息数据进行维护。水质信息展示包含站点基本信息与水质信息两个模块。
<1>站点基本信息用于展示本发明中的水质信息，并提供站点信息的更新、删除维护服务。录入信息可手动由Excel导入到数据库中，或者直接在本界面中点击添加按钮进行输入录入，录入时输入测站编码、测站名称、测站级别、流域名称等信息。在该界面，用户可以进行信息检索，并定位站点位置，能通过全部选择框展现所有测站，通过追加选框来连同多个测站共同显示，并支持上下页的翻页与转到具体页面功能。另外页面也支持数据的修改、删除操作，在展示站点信息的同时，进行站点信息数据管理。
<2>水质信息用来呈现各水质测站的水质信息内容，并提供水质信息的更新、删除维护服务。用户选择水质测站，确定采样时间的起止时间段来进行查询，同时支持测站位置的定位，在显示时将呈现水质测站的水位、流量、气温、水文、PH值、电导率、硫酸根、硫化物等与水质相关信息内容。在该界面，也支持数据的录入、修改与删除操作。本功能同样支持上下页翻页与具体页直接指定功能。
(3)污染物运移模拟仿真用以对污染事件中污染物在水体中的运移模拟仿真与可视化展示，进而为水污染事件响应与处置提供决策辅助与信息支撑，以减少水污染过程带来的经济损失，降低污染物对水资源的影响。污染物运移仿真包含仿真模拟、数据处理、污染物类型设置、比例尺设置、飞翔地点设置与水流表现效果设置六个模块。
<1>仿真模拟主要依据用户所选定的污染事件进行水污染物运移模拟仿真，并将仿真结果在数字地球上进行展示。用户可以选定时间段，设定报警半径、浓度阈值、时间尺度，在污染物运移模拟仿真过程中还可以人工调节时间尺度，以便于用户对水污染物运移过程的观察。
<2>数据处理主要是导入水污染事件数据并进行数据处理，使水污染事件数据转化为可以用于仿真模拟的数据。用户可以查询污染事件数据、导入以Excel形式存储的水污染事件数据、清除所选中的水污染事件数据、处理选中的水污染事件数据，具备水污染事件数据管理功能。用户能通过该模块输入特定的水污染事件，以进行所需的水污染运移模拟仿真。
<3>污染物类型设置主要是设定污染物运移模拟仿真中的污染物的编码、名称、下限、上限、类型与颜色属性。用户可以预览所有污染物及其相关属性，录入新的污染物，删除选定的污染物或是清空所有的污染物，具备污染物数据管理功能。用户能通过该模块输入特定的污染物数据，以具体化水污染运移模拟仿真。
<4>比例尺设置用以设定默认的图形显示比例。用户可以根据计算机的性能对其进行调整，以便达到更好的显示效果。设置完成后，点击“确定”按钮进行保存，该操作在系统重新启动后才能生效。
<5>飞翔地点设置可以选定特定的关注点，并将界面聚焦于关注点地区。本发明集成了大部分水库、水源地等所在地的坐标。用户可以通过该面板实现这些地名以及坐标的管理。用户在文本框中填写名称、高度、经度与纬度信息后，点击“增加”按钮即可完成新的飞翔地点的设置，另外用户可以通过点击“预览”按钮来对飞翔效果进行查看，以便调整高度等参数来达到最优的飞翔效果。修改功能需要用户首先选定地点信息(在列表框中相应的记录上双击)，然后在文本框中做相应的更改，设置完成后点击“修改”按钮对操作进行保存。删除功能同样也需要用户首先选定地点信息，然后点击“删除”按钮，即可完成信息的删除。该模块辅助水污染运移模拟仿真的展示效果。
<6>水流表现效果设置可设置水流在数字地球上的表现效果。用户可以通过修改箭头颜色、箭身颜色等来实现水流的特定表现效果。设置完成后，点击“确定”按钮进行保存，该操作在系统重新启动后才能生效。该模块辅助水污染在水体中的展示效果，以便用户更加直观地观察水污染物运移过程。
(4)信息查询主要用以查询数据库中存储的相关数据信息，以辅助用户快速检索到所需的信息数据，帮助其掌握数据全貌。信息查询包含调控措施、控制断面、水文站点、蓄滞洪区、排污口、污染物分类、方案、水库、河道、水功能区与水源地十一个模块。
<1>调控措施用于查询相关调控措施信息。默认显示所有调控措施信息。用户可以根据名称、类型、位置、所属河段、作用属性信息检索相对应的调控措施。该模块辅助用户了解各水体区域针对水污染事件所采取的措施。
<2>控制断面用于查询相关控制断面信息。默认显示所有控制断面信息。用户可以根据断面名称、断面代码、控制时间、控制流量、限制词、控制目的属性信息检索相对应的控制断面。该模块辅助用户了解各控制断面信息。
<3>水文站点用于查询相关水文站点信息。默认显示所有水文站点信息。用户可以根据名称、代码、所在位置、所属河流、所属河段、面积、起调水位属性信息检索相对应的水文站点。该模块辅助用户掌握各水域中水文站点的全貌。
<4>蓄滞洪区用于查询相关蓄滞洪区信息。默认显示所有蓄滞洪区信息。用户可以根据站点名称、站点编号、所在区域、所在河流属性信息检索相对应的蓄滞洪区。该模块辅助用户了解各蓄滞洪区详情，以便认知污染物在该区域的运移特征。
<5>排污口用于查询相关排污口信息。默认显示所有排污口信息。用户可以根据ID、编号、省名称、市名称、经度、维度属性信息检索相对应的排污口。该模块让用户有针对性的应用水污染运移模拟仿真功能了解所关注排污口对相关流域造成的污染影响。
<6>污染物分类用于查询相关污染物分类信息。默认显示所有污染物分类信息。用户可以根据名称、代码、所属类型、是否有毒、水中的形态、比重属性信息检索相对应的污染物分类。该模块辅助用户了解水污染事件中各类污染物的特性。
<7>方案用于查询相关方案信息。默认显示所有方案信息。用户可以根据方案名称、方案代码、所属河段、污染源、主要污染物、发生地、发生时间属性信息检索相对应的方案。该模块能让用户利用现有的水污染处理方案来辅助突发水污染事件的应急决策。
<8>水库用于查询相关水库信息。默认显示所有水库信息。用户可以根据水库名称、水库代码、所在区域、所在河流属性信息检索相对应的水库。该模块辅助用户掌握流域内各水库的信息。
<9>河道用于查询相关河道信息。默认显示所有河道信息。用户可以根据河道名称、河道代码、起始节点、终止节点属性信息检索相对应的河道。该模块辅助用户掌握流域内各河道的信息。
<10>水功能区用于查询相关水功能区信息。默认显示所有水功能区信息。用户可以根据编号、水系、河流(湖泊)属性信息检索相对应的水功能区。该模块辅助用户掌握流域内各水功能区的信息。
<11>水源地用于查询相关水源地信息。默认显示所有水源地信息。用户可以根据水源地名称、代码、取水口位置、取水方式、水源地类型、供水对象、工程级别、所属河段属性信息检索相对应的水源地。该模块辅助用户在水污染运移模拟仿真中，有针对性的聚焦水源地受污情况，以更好地支撑水污染应急决策。
综上所述，本发明基于复杂性理论进行水污染运移模拟仿真并将仿真结果在数字地球平台上进行可视化展示。本发明应用染物Agent模型、数字地球可视化、河流三角网、污水污染运移模拟仿真等方法，实现水污染事件的信息融合与集成展示，从而有效解决现有模型方法的瓶颈问题，并提供一个更直观、精确、生动的水污染运移模拟仿真可视化与信息查询平台，为各流域、行政机构的水污染事件响应和处置提供决策辅助与信息支撑，进而减少水污染过程带来的经济损失，降低污染物对水资源的影响。本发明对水污染事件的污染物运移模拟仿真与可视化，以及对辅助后续的突发水污染事件应急防治和管理具有较强的现实意义与紧迫性。
Claims (9)
1.基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，包括数据采集模块，所述数据采集模块用于采集污染事件数据、水文数据、污染无数据和3S地理数据，并将采集到的数据传输到数据处理模块，所述数据处理模块对数据采集模块采集到的文本数据和影像数据进行处理，使其满足模拟仿真运算的需求；所述仿真模型接收到经过处理后的文本数据和影像数据后进行仿真运算，并将运算结果传输至可视化展示模块进行展示，所述数据服务模块能对数据采集模块采集、数据处理模块处理后的数据进行检索与管理。
2.根据权利要求1所述的基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，其特征在于：所述可视化展示模块包括数字地球平台、3S集成地理信息展示、河流展示、污染物运移状态展示、污染物运移仿真展示，
所述数字地球平台,根据3S数据构建的底层信息展示平台，
所述3S集成地理信息展示能够根据3S数据在数字地球平台的基础上进行地形展示，
所述河流展示能够根据水文数据得到河流信息化数字，并将信息化数字映射到基于数字地球平台的地理信息展示图中，完成河流可视化展示，
所述污染物运移状态展示能够根据污染物数据，基于污染物的运移空间、运移方向、行为的复杂性，用三角形元胞自动机模型、多智能体水质模型与污染物Agent模型进行仿真，以确定污染物在各环境下的运移状态，并利用水质浓度色阶模型刻画污染物在河流展示呈现出的水体中的浓度，
所述污染物运移仿真展示能够根据污染事件数据，基于边界条件复杂性抽象复杂污染事件的特征，对具体污染事件进行污染物运移仿真,综合应用数字地球平台、3S集成地理信息展示、河流展示与污染物运移状态四大模拟仿真以实现污染物运移模拟仿真展示。
3.根据权利要求1所述的基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，其特征在于：所述仿真模型在水体污染事件发生时，能针对复杂的水体环境、复杂的污染物特征与复杂的污染事件，模拟、仿真污染物在水体中的运移过程。
4.根据权利要求1所述的基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，其特征在于：所述数据采集模块是基于复杂性理论，应用基于中间件技术的数据集中、在联邦数据库技术的数据映射与分布式信息综合集成三大技术从工程监视、工程跟踪、流域监视、信息解译、数据标准、遥感分析、共享服务、灾害监视、自动监视、外部信息、现场信息、无线传输、光纤传输、卫星传输、物联网这些过程、系统、数据资源中产生、存储的数据资源进行数据采集。
5.根据权利要求1所述的基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，其特征在于，所述数据处理模块应用数据抽取、数据转换、数据净化、信息整序技术、数据复制、数据合并与共享、流程调度服务、系统性能指标对文本数据进行数据处理；应用瓦片金字塔数据构建、线性四叉树数据存储与基于负载均衡的影像请求框架构建对影像数据进行数据处理。
6.根据权利要求4所述的基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，其特征在于，所述3S集成地理信息展示模块，是基于线性四叉树存储技术，从数据库中获取相对应的瓦片数据，用数字地球三维视景模型将瓦片采用纹理方式从二维纹理平面映射到三维景物的地球表面，并综合考虑视点、视野、视角、视角高度、旋转角等视域，结合瓦片金字塔模型构建地形金字塔和影像金字塔，并在数字地球平台上进行展示。
7.根据权利要求5所述的基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，其特征在于：所述河流展示模块应用经纬线扫描方法获取用以组成三角形的河流离散点数据，基于河流三角网模型将所述离散点数据映射到基于数字地球平台的地理信息展示图中。
8.根据权利要求7所述的基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，其特征在于：所述污染物运移状态仿真模块，应用三角形元胞自动机模型仿真污染物在水体中的运移空间，应用多智能体水质模型仿真污染物的运移方向，应用污染物Agent模型仿真污染物的运移行为，应用水质浓度色阶模型对污染物进行可视化展示。
9.根据权利要求8所述的基于复杂性理论的水污染运移模拟仿真系统，其特征在于：所述污染物运移仿真展示模块，能够将数字地球平台、3S集成地理信息展示、河流展示与污染物运移状态展示进行模拟仿真以实现污染物运移模拟仿真展示，并能针对实际应用情景，进行仿真模拟、数据处理、污染物类型设置、比例尺设置、飞翔地点设置与水流表现效果设置。
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