基于笛卡尔切割单元法的复杂河道地理信息系统环评可视化

摘要：复杂河道中污染物扩散计算及其在地理信息系统（GIS）上的可视化，对于地表水环境影响评价（EIA）具有非常重要的意义，但在网格生成、污染物计算模型及计算结果可视化方面存在着诸多困难。针对点源岸边排放河流污染物计算及基于GIS可视化中的难点问题，提出了基于切割单元法的地面水环境影响评价可视化方法。将切割单元法应用于网格剖分，通过切割单元交点追踪算法及河道轮廓线内背景网格筛取算法，生成了复杂河道笛卡尔网格。提出了基于污染物二维稳态衰减模式的网格自适应加密与稀疏算法，在非结构化笛卡尔网格基础上采用了基于河流几何信息判断的点源岸边排放河流污染预测算法与区域填充算法，实现了环境影响评价计算结果的可视化显示。通过一个河流污染环境影响评价可视化的实例，验证了所提方法的可行性与有效性。

关键词：笛卡尔切割单元法；环境影响评价；地理信息系统；可视化；地面水环境

中图分类号： TP391.9

文献标志码：A

Abstract：

The numerical simulation of pollution dispersion within complex river course and its visualization on Geographic Information System （GIS） are very important to surface water Environmental Impact Assessment （EIA）. But there still remain many difficulties and problems， such as grid generation， numerical simulation model of pollution dispersion and the visualization of result. To resolve these problems of area river pollution calculation and GISbased visualization for point source side discharge situation， the ways of surface water EIA visualization based on Cartesian cut cell method were presented. The Cartesian cut cell method was applied to generate grid， by using cut cell intersection point chasing algorithm and choosing approach of background Cartesian grid in river course boundary， the Cartesian grids of complex river course were achieved. A selfadaptive grids refinement algorithm with steady state pollution decay model was proposed. Based on unstructured Cartesian grids， a point source river water pollution simulation model of side discharge was provided and an area filling algorithm was developed to achieve the visualization of EIA result. Through the visualization and analysis of a river pollution EIA example， the practicability and efficiency of the proposed methods were confirmed.

Key words： Cartesian cut cell method； Environmental Impact Assessment （EIA）； Geographic Information System （GIS）； visualization； surface water environment

0引言

基于地理信息系统（Geographic Information System， GIS）的地面水环境影响评价可视化能够准确直观地分析污染物排放对河流水体环境质量的影响，其可视化的实时性对于提高环境影响评价（Environmental Impact Assessment， EIA）效率及快速响应能力具有十分重要的意义。

目前，基于GIS的环评可视化研究集中于大气环境[1-4]，地面水环境的GIS环评可视化仍是一个尚待实现的难点问题。其难点主要在于以下几方面：1）与大气环境的开放性空间不同，地面水存在于由复杂河道系统构成的封闭空间内，在GIS中完成复杂河道的轮廓提取与轮廓线内网格生成是一个非常复杂的问题；2）河道中污染物扩散模型与河道几何信息密切相关，平直河流与弯曲河流需采用不同的衰减模式且依赖人为简化推定，无法适用于复杂河道系统的区域计算；3）地面水环评计算结果的可视化显示严格限定于河道轮廓内，其基于GIS可视化的难度远超大气环境。

切割单元法是一种近年来发展起来的二维复杂区域网格剖分方法，其基本思想是采用笛卡尔背景网格与实体轮廓线求交以得到切割单元网格及轮廓线内网格[5-6]。该方法主要应用于二维流场的数值计算中[7-9]，结合分层切片算法后也可应用于三维复杂形体的网格剖分与物理场可视化[10]。

针对基于GIS地面水环评可视化的难点1），本文提出了基于切割单元法的复杂河道非结构化笛卡尔网格生成方法。针对难点2），本文提出了基于河流弯曲系数判断的点源岸边排放污染物浓度扩散算法，实现了依据河流自然地理情况的混合过程段复杂河道污染物扩散浓度计算。针对难点3），本文提出了基于非结构化笛卡尔网格的河流污染物区域填充算法。应用上述方法开发了基于GIS的环评可视化系统，实现了复杂河道系统点源岸边排放的环评可视化。

1.2被河道轮廓线包围的背景网格节点集的选择

完成背景网格与河道轮廓线的切割后，背景网格被分成3类：河道轮廓线内网格、河道轮廓线外网格和边界切割网格，而其中的河道轮廓线外网格作为无用网格需要加以删除。

在删除无用网格过程中，首先需要判断哪些背景网格节点被河道轮廓线包围。如采用常用的点与多边形包含关系判断算法，则对于折线段数量巨大的复杂河道存在着判断效率低下的缺点。因此，本文采用了基于凸包的点集与多边形包含关系判断方法[11]来判断背景网格节点与河道轮廓线之间的包含关系。通过计算背景网格节点集的凸包[12]，得到被河道轮廓线包围的背景网格节点集，并将除该节点集以外的背景网格删除。

1.3碎片切割单元的合并

通过笛卡尔切割单元法得到的河道网格由河道轮廓线内网格单元与边界切割网格单元组成，但当某一个切割单元被切割得过于细小时，将导致后续计算与可视化显示效率的降低。需采用切割单元合并技术将碎片化的细小切割单元与其相邻网格单元合并。将一个大网格单元与一个碎片切割单元合并，产生一个新的切割网格单元。如图2（a）所示，灰色部分为河道轮廓线内部，河道轮廓线段n及n+1与背景网格切割后得到切割单元i、 j及k，其中单元j为碎片单元，通过切割单元的合并得到如图2（b）所示合并切割单元i。具体算法如下：

步骤1遍历切割单元链表，判断每一个切割单元的节点数，若节点数等于4则不需要被合并直接进入步骤4。若节点数小于4则进入步骤2。

步骤2对于待合并碎片切割单元，基于切割单元内轮廓线段的斜率选择其相邻合并单元。如图2（a）所示，碎片切割单元j的节点数小于4，比较其右侧及下方的切割单元i、k中轮廓线段的斜率，由于右侧单元i中的轮廓线段斜率与单元j相同，基于使合并后单元内切割线为同一线段且尽可能长的原则，其适合的相邻合并单元为i。

步骤3当相邻合并切割单元被确定后，将其与待合并碎片切割单元作为一个单元存入合并单元链表中。

步骤4对下一个切割单元执行步骤1的判断，直至完成对切割单元链表的遍历。

以上算法的时间复杂度为O（n）。

2.2河道轮廓线内非结构化笛卡尔网格生成

在水环境评价数值模拟中，其污染物扩散与排放口位置、河道属性及流速等环评参数密切相关。而切割单元法生成的河道轮廓线内网格为结构化笛卡尔网格，其网格间距等于背景网格的间距。将固定间距的河道轮廓线内网格应用于不同关心区域长度、不同河流类型及环评参数的污染物计算，无法兼顾数值计算及可视化显示的精度与效率。若减小背景网格间距将造成切割单元交点追踪计算量的增大及碎片切割单元数目的增加，而增加背景网格间距又会导致河道局部信息丢失及降低计算精度。

针对这种情况本文采用了自适应网格加密及稀疏算法，对通过切割单元法得到的河道轮廓线内网格进行局部加密与稀疏，生成非结构化笛卡尔网格，以提高环评计算与可视化的准确性及效率。具体算法如下：

步骤1人机交互输入环评参数、排放点源坐标及其河岸属性，沿水流方向从排放口至关心区域边界将评价河道划分为不等长的N段河段，距排放口越近河段长度越短。将输入的相关参数存入环评参数表中。

步骤2搜索合并单元链表，从排放点开始，在与排放点属于河岸同侧的边界切割单元中寻找最接近第i（i=1，2，…，N）段河道上下游边界处的2个切割单元，并在合并单元链表中标记其属于第i个河段。读取每个单元中属性为背景网格点的2个节点坐标。以2个切割单元中的4个背景网格点坐标值为关键值查询河道轮廓线内网格单元链表，找出分别包含这4个网格点的2个河道轮廓线内网格单元，并以位于河段上游及下游处的这2个河道轮廓线内网格单元为检测单元。

4结语

本文引入基于切割单元法的复杂河道笛卡尔网格生成方法，在复杂河道点源岸边排放污染物扩散模型的基础上，提出了污染物浓度值区域填充算法，实现了基于GIS的复杂河道点源岸边排放环评可视化。实验结果表明，通过自适应加密与稀疏算法生成的河道轮廓线内非结构化笛卡尔网格很好地兼顾了环评可视化的精度与效率，可准确、快速、直观地反映复杂河道污染物浓度分布状况。而如何将本文所提方法由二维扩展至三维水质模型，则是下一步的研究重点。

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