郭紅燕，鄒立群，董文彤

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

硫化氫氣體模型海量時空數(shù)據(jù)的處理與可視化

郭紅燕，鄒立群，董文彤

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

鑒于在利用三維地形環(huán)境分析硫化氫氣體沿地形擴散趨勢時，需解決該氣體擴散模型在三維環(huán)境中的時空可視化問題，該文針對氣體擴散模型數(shù)據(jù)體的數(shù)據(jù)結構、硫化氫氣體濃度值的時空有效性等特點，首先對氣體擴散模型建立八叉樹索引以壓縮數(shù)據(jù)，提高對海量模型數(shù)據(jù)體的訪問效率，其次，通過抽取模型下底面有效數(shù)據(jù)以及時空切片的方式，實現(xiàn)氣體模型海量時空數(shù)據(jù)的可視化。該文研究成果可用于復雜山地高含硫氣田開發(fā)的事故分析。

硫化氫氣體擴散模型；海量時空數(shù)據(jù)處理與可視化；三維環(huán)境應急系統(tǒng)；數(shù)據(jù)壓縮；時空切片

0 引 言

在高含硫氣田開發(fā)中，最大的風險為硫化氫氣體的泄漏。氣體發(fā)生泄漏后受到地形、風力、風向等環(huán)境因素的影響進行擴散漂移，對人畜造成直接的危害，并可伴生次生的林火等災難[1-3]。因此，只有準確模擬出特定自然條件下高含硫氣體擴散的動態(tài)趨勢才能做出精確度較高的事故影響分析。準確預測高含硫氣體泄漏的擴散范圍，對于及時確定事故危害目標，規(guī)劃撤離路徑，調配可用資源，生成有效的應急搶險方案十分重要[4-5]。

如何在三維地形地貌的環(huán)境中實現(xiàn)氣體擴散模型的時空可視化，是復雜山地硫化氫擴散分析系統(tǒng)建設的關鍵技術。本研究中的氣體擴散模型屬于體模型，它是應用三維立體格網(wǎng)來直接描述地理場景，空間中的每一個格網(wǎng)對應一個可測的屬性值[6-8]。同時氣體擴散模型具有時態(tài)性，其時間軸與歐幾里德空間的三維坐標軸共同構成描述氣體擴散模型的表達空間[6-8]。歐幾里德空間的三維體形狀多采用目前較為成熟的真三維顯示技術進行可視化，而時間軸則按照時間序列借助動畫技術表述地理數(shù)據(jù)的時間維[6-8]。

在本研究中，硫化氫氣體擴散模型數(shù)據(jù)量巨大，需要大量的內(nèi)存空間與極高的處理速度，在目前的網(wǎng)絡環(huán)境下，響應速度非常慢，嚴重制約了硫化氫擴散分析中可視化的效果。本文要解決的問題之一是如何通過有效的數(shù)據(jù)處理減小數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)的響應效率，實現(xiàn)時空維的可視化，并達到良好的可視化顯示效果。

本文對硫化氫氣體擴散模型進行了有效的數(shù)據(jù)體分析，根據(jù)其數(shù)據(jù)結構、地形分布、有效值的分布等特點，提出了有效的研究區(qū)內(nèi)硫化氫氣體擴散模型的數(shù)據(jù)處理與可視化方法。

1 硫化氫氣體擴散模型數(shù)據(jù)分析

1.1 硫化氫氣體擴散模型數(shù)據(jù)體分析

氣體擴散模型是一個受多參數(shù)影響、數(shù)據(jù)量巨大的復雜數(shù)據(jù)體，針對研究區(qū)一個典型井噴或泄露事故，需考慮多種工況下的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。在本研究中對8個風向3個風速下46個時刻的氣體擴散數(shù)值模擬結果序列進行處理。氣體擴散模型數(shù)據(jù)有以下4個特點。

①模擬數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構與文件格式。數(shù)據(jù)的表示方式采用文本方式。每個文本文件第一行為字段名稱，第2行到尾都是數(shù)據(jù)。第1個字段，node number為格網(wǎng)點序號；第2個字段，x-coordinate為水平相對坐標；第3個字段，y-coordinate為縱向(南-北)相對坐標；第4個字段，z-coordinate為絕對高程坐標；第5個字段，molef-h2s是硫化氫濃度值。

②采用相對地圖坐標。整個格網(wǎng)坐標為相對地圖坐標，坐標系的原點在格網(wǎng)左下角，井口位于坐標系中間。氣體擴散模型地圖坐標X=(井口地圖坐標X-井口相對坐標X)+氣體擴散模型X。每個井場不同工況的坐標數(shù)據(jù)(IDXYZ)是一樣的，只是不同時刻每個點上的濃度不一樣。

③模擬數(shù)據(jù)追隨地形的特點。模擬數(shù)據(jù)是采用追隨地形坐標系建立起來的，點的密度和地形相關。離地面越低點密度越大，離地越高點密度越稀。當?shù)竭_一定高度上限，就成了規(guī)則格網(wǎng)。對于同一口井各風向，風速數(shù)值模擬結果實際上采用的是完全相同的一組三維空間坐標。

④數(shù)據(jù)值分布特點。每個文本數(shù)據(jù)量巨大，并有很多的無效值。對于氣體蔓延區(qū)域外的采樣點云以及某個高程以上的點云數(shù)據(jù)，氣體濃度值一直保持在0值。

以上是針對數(shù)據(jù)體的數(shù)據(jù)結構、格式、坐標特點、地形特點以及數(shù)據(jù)量的總體分析。在此基礎上，下面本文進一步對數(shù)據(jù)體有效值的分布情況進行分析，在充分剖析數(shù)據(jù)特征情況下，制定有效的解決方案。

1.2 數(shù)據(jù)體時空有效性分析

對一個獨立的數(shù)據(jù)體來說，它包括了井位坐標、DEM、風速、風向及采樣時間5個獨立的標志性參數(shù)，由這5個參數(shù)唯一確定一個數(shù)據(jù)體。在進行模型數(shù)據(jù)體時空有效值結構分析時，就是要考慮硫化氫氣體有效值的時空分布特點，確定模型數(shù)據(jù)體的有效值范圍。

具體方法是：①在5個參數(shù)條件下，結合生物危害高度等環(huán)境污染相關參數(shù)選擇x、y、z3個方向的空間坐標范圍，確定空間統(tǒng)計條件，計算數(shù)據(jù)體在8個方位區(qū)域濃度統(tǒng)計特征，包括硫化氫濃度最大值、最小值、均值、數(shù)據(jù)點數(shù)百分比(包含點數(shù)對總點數(shù)的百分比)等。②以硫化氫有毒氣體危害的化學濃度(濃度域值)為參考標準，在井場周圍一定空間范圍內(nèi)，硫化氫濃度滿足該閾值的為有效值，對于濃度低于該閾值的空間范圍全部作為無效值范圍，這樣就把原來的數(shù)據(jù)體壓縮為只包括有效值范圍的數(shù)據(jù)體，從而極大減少了數(shù)據(jù)的空間分布量。

以上是對數(shù)據(jù)體的空間分析。同樣，在時間維上，數(shù)據(jù)體為每30秒一次采樣的時間序列數(shù)據(jù)，對井噴發(fā)生后關鍵時間范圍的數(shù)據(jù)體進行數(shù)據(jù)空間壓縮，剔除掉數(shù)據(jù)體空間分析中有效值區(qū)域數(shù)據(jù)點百分比達到10%以下的采樣時間數(shù)據(jù)體。

2 氣體模型數(shù)據(jù)體的處理與展示

通過上文中對擴散模型數(shù)據(jù)體分析，本研究提出了解決氣體擴散模型海量數(shù)據(jù)體傳輸效率的壓縮以及時空展示方法，該方法流程如圖1所示。

圖1 氣體擴散數(shù)值模擬數(shù)據(jù)處理流程

2.1 氣體擴散模型海量數(shù)據(jù)體的壓縮

(1)氣體擴散模型下底面數(shù)據(jù)抽取

進行有毒氣體模型數(shù)據(jù)體近地表的下底面抽取。根據(jù)有毒氣體擴散對人的危害程度的需求分析，可知人是在距離地面一定高度接觸氣體的，因此，對數(shù)據(jù)的分析的重點是距地面一定高度的氣體濃度數(shù)據(jù)，即離地面一定高度的濃度的等值線。由于模擬數(shù)據(jù)是采用追隨坐標系來模擬的，可以利用原始數(shù)據(jù)的高度減去地表的高程值，得到數(shù)據(jù)相對高度的濃度分布。

(2)坐標轉換

將地圖坐標轉換為經(jīng)緯度的坐標。

(3)建立八叉樹索引

利用數(shù)據(jù)壓縮技術減少數(shù)據(jù)量。對于海量四維點云原始數(shù)據(jù)，建立八叉樹索引文件，將一個井場一個風速風向的所有數(shù)據(jù)壓縮成一個文件，減小數(shù)據(jù)存儲空間，便于后續(xù)計算。

其中，建立八叉樹索引的處理流程如下：八叉樹細分過程可以用一棵度為8的樹來表示。將指定的三維空間區(qū)域分成8個卦限，且在樹上的每個非葉子節(jié)點處存儲8個數(shù)據(jù)元素(體素)。每個元素都是一個小的立方體，稱為體元，其對應的三維空間稱為體素。在三維空間中，如果一個體素是空的，則該體元的類型用NULL表示：如果一個體素中的實體是同一種類型，我們就把它稱為均質的，否則稱為非均質的。對于一個非均質的體素，必須把它再分成更小的8個卦限，節(jié)點相應的體元指向樹中的下一層節(jié)點。

我們可以對以任何形式定義的物體建立生成八叉樹的算法。利用物體的最大和最小坐標值，圍繞該物體定義一個平行六面體(包圍盒)，把它分解成8個子立方體，并對立方體依次編號。再對包含物體的三維空間區(qū)域逐個卦限測試，如果子立方體已經(jīng)是均質的，則該子立方體可停止分解；否則，需要對該立方體作進一步分解，再分為8個子立方體，直至滿足所規(guī)定的條件為止[9-10]。

圖2 建立八叉樹索引流程圖

算法步驟如圖2所示：①讀入格網(wǎng)點數(shù)據(jù)，計算格網(wǎng)點的外廓范圍：Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，Zmax，Zmin，利用該外廓范圍形成一個空間立方體包圍所有格網(wǎng)點數(shù)據(jù)。

②將空間立方體格網(wǎng)化，若數(shù)據(jù)太少可采用插值方法進行網(wǎng)格插值。

③初始化八叉樹的根結點。用一個鍵表把所有點連接起來作為八叉樹的根結點鍵表，同時記下該外接空間立方體的8個頂點坐標。

④通過遞歸創(chuàng)建八叉樹：先計算出以該立方體中點，將該立方體分成8個子立方體，并令8個子立方體為該樹的8個子節(jié)點。把該樹的根結點的鍵表上的點分到8個子節(jié)點，形成8個子鍵表，判斷每一個子鍵表上是否有點。若沒有，則令該子樹的flag=0，否則，判斷每一個子鍵表上的點屬性是否相同。若相同，則令該子樹的flag=1，否則，則令該子樹的flag=2。接下來判斷如果該子樹的flag=0，用底色填充。如果該子樹的flag=1，則該子樹用它的屬性值填充；如果該子樹的flag=2但滿足終止條件，則用該子樹的屬性值填充；如果該子樹的flag=2 且不滿足終止條件，則重復①，直到每一個立方體的flag=0 或flag=1 或滿足終止條件為止。

2.2 氣體擴散模型海量數(shù)據(jù)體的時空展示

(1)數(shù)據(jù)規(guī)則格網(wǎng)化

把非規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)進行規(guī)則格網(wǎng)化，生成時間切片，將原始數(shù)據(jù)轉換為三維數(shù)字地球平臺可展現(xiàn)的形式。根據(jù)八叉樹索引文件按離地特定高度切片，切片插值方法保證渲染的真實性。根據(jù)不同濃度范圍分層設色，生成PNG圖片，便于三維渲染。

輸入給定的高度值H，確定建立規(guī)則格網(wǎng)的分辨率resolution。 根據(jù)八叉樹文件中記錄的立方體范圍，確定格網(wǎng)原點，計算每個格網(wǎng)點相對坐標，用倒距離加權法內(nèi)插出格網(wǎng)點的濃度值。其中，距離倒數(shù)加權法的基本思想是：假設在x-y平面上有一離散的空間數(shù)據(jù)點集{(xi，yi，zi)|i=1，2…，N}，離散點(xi，yi，zi)在平面上的投影記為Di，則平面上任何一點P(x,y)上之所以有一值Z，是由于已知離散點Di上的高程值zi影響的結果。每個Di上的z值對點(P(x,y)上的值的影響不同，即離P點近的點，其值對P點的影響大，離P點遠的點，其值影響就小。把各點對于P點z值的影響值加起來就是P點上的z值，即數(shù)據(jù)點z值按與P點的距離加權平均，距離小的權值大，距離大的權值小。

(2)濃度等值線跟蹤

對于上一步生成的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)，進行等值線跟蹤，生成100PPM濃度等值線。不同濃度的硫化氫氣體對于人體的危害不同，100PPM是一個危害臨界值，高于此濃度的硫化氫氣體對于人體危害巨大，因此需要得到100PPM以上濃度的氣體范圍，以確定硫化氫氣體擴散中的高危區(qū)域。等值線以KML格式進行保存，便于在三維數(shù)字地球平臺上的解析渲染，為危害目標查詢提供查詢范圍，輔助后續(xù)事故決策。

(3)預生成時空切片模擬展示氣體擴散模型

在氣體擴散數(shù)值模擬模型數(shù)據(jù)體三維展示中，采用了時空切片預生成以及調用快速模型兩種方式，進行數(shù)據(jù)的處理與調度。圖3為氣體擴散模型三維展示流程。如圖所示，首先輸入風速、風向及高度等氣象、模擬參數(shù)，在服務器端調用動態(tài)庫，生成離地1m距離范圍的不規(guī)則數(shù)據(jù)體。然后對生成數(shù)據(jù)重采樣為規(guī)則數(shù)據(jù)體，生成3個風速8個風向的0.5m、1.0m、1.5m、2.0m濃度柵格圖，保存為PNG格式。按八叉樹目錄索引進行檢索，以圖片方式直接疊加到客戶端三維地形上。利用時間控制每30s刷新一次，展示分時動態(tài)空間維切片。第二種方式是實時讀取壓縮數(shù)據(jù)體，調用氣體擴散快速模型動態(tài)庫，根據(jù)用戶輸入?yún)?shù)，進行實時計算，得到某地點特定條件下某一時刻的高含硫天然氣擴散范圍及濃度范圍，并在三維平臺上進行分層渲染。同時對結果進行等值線跟蹤，生成H2S濃度等值線，為危害目標查詢提供查詢范圍。

圖3 氣體模型數(shù)據(jù)切片參數(shù)設置及模型展示

3 研究區(qū)試驗

基于本文提出的對海量氣體擴散模型下底面有效數(shù)據(jù)的收取以及八叉樹索引的建立，大幅度地提高了數(shù)據(jù)的壓縮比率。本研究選擇了龍崗高含硫氣田A井位的八風向、風速3m/s的所有時刻數(shù)據(jù)進行了試驗。其中下底面抽取使用的DEM數(shù)據(jù)的空間分辨率為25m。試驗中，首先對數(shù)據(jù)建立八叉樹索引文件，包括氣體擴散模型下底面抽取，坐標轉換以及八叉樹索引。其中輸入數(shù)據(jù)：A井單個工況的數(shù)據(jù)，包括該工況條件下的所有時間序列二進制文件。單個時刻的文件大小為14.8兆，文件總共大小約為552兆。輸出數(shù)據(jù)：該工況的八叉樹索引文件，文件大小約為6兆。壓縮比約為92∶1。

對壓縮后的氣體擴散模型數(shù)據(jù)，采用時空切片預生成技術，生成切片序列以及濃度等值線KML。其中輸入數(shù)據(jù)為已生成好的八叉樹索引文件。輸出文件為png圖片序列、圖片地理坐標文本文件以及等值線kml文件。數(shù)值模擬數(shù)據(jù)切片圖片如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)切片結果

對氣體擴散的數(shù)值模擬的切片數(shù)據(jù)在三維數(shù)字地球環(huán)境中進行顯示，每一時刻數(shù)據(jù)切片疊加到三維地形上并以時間維進行動態(tài)展示，效果如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬結果切片三維顯示

4 結束語

本研究設計實現(xiàn)了在三維環(huán)境中的硫化氫氣體擴散數(shù)據(jù)模型可視化系統(tǒng)，極大地提高了氣體擴散模型海量數(shù)據(jù)體的傳輸效率，同時采用時空切片預生成技術實現(xiàn)對模型數(shù)據(jù)體的時空可視化，在三維環(huán)境中展示硫化氫氣體沿三維地形的擴散范圍、趨勢與濃度分布，取得了良好的效果。本文在優(yōu)化時空數(shù)據(jù)的表達方式上還有待于更進一步深入研究，使其更方便準確適用于動態(tài)過程的時空表達與應用。

[1] 席學軍，鄧云峰.井噴硫化氫擴散分析[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2007，3(4)：20-24.

[2] 徐龍君，吳江，李洪強.重慶開縣井噴事故的環(huán)境影響分析[J].中國安全科學學報，2005，15(5)：84-87

[3] 鐘江榮，趙振東，余世舟.基于GIS的毒氣泄漏和擴散模擬及其影響評估[J].自然災害學報，2003，12(1)：106-109.

[4] 張武，馮廣泓，張培群.復雜地形上大氣擴散規(guī)律的比較研究[J].蘭州大學學報，1997，33(41)：40-43.

[5] 李劍鋒.有毒重氣擴散數(shù)值模擬與應急疏散關鍵技術研究[D].天津：南開大學，2008.

[6] 周平.一種基于關鍵幀動畫的時空數(shù)據(jù)動態(tài)可視化方法研究[J].測繪通報，2012(1)：67-69.

[7] 李紅旮，崔偉宏.地理信息系統(tǒng)中時空多維數(shù)據(jù)可視化技術研究[J].遙感學報，1999，3(2)：157-163.

[8] 薛存金，周成虎，蘇奮振，等.面向過程的時空數(shù)據(jù)模型研究[J].測繪學報，2010，39(1)：95-101.

[9] 韓建國，郭達志.礦體信息的八叉樹存儲和檢索技術[J].測繪學報，1992，21(1)：13-17.

[10] 曹彤，劉臻.用于建立三維GIS的八叉樹編碼壓縮算法[J].中國圖形圖像學報，2002，7(1)：54-57.

Spatio-temporal Processing and Visualization of Massive Data of H2S Gas Diffusion Mode

GUO Hong-yan，ZOU Li-qun，DONG Wen-tong

(ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development，Beijing100083)

Numerical simulation model of H2S gas diffusion is used to analyse affected range of toxic gas，which is released in the well-blowout accidents during the exploration of high-sulfur oilfield in the complex mountain regions.It is necessary to integrate the model with 3D environmental emergency system in order to learn diffusion trend of the toxic gas along the terrain.To solve technical difficulties in system integration，this paper firstly analyses the features of dataset of the gas model，such as data structure，distribution of effective concentration value with time and space.In this research octree compression is used to improve the efficiency of data access.At the same time，the ground data of gas diffusion model is extracted and cut into temporal and spatial chips in order to display its four-dimensional characteristics.

model of H2S gas diffusion；spatio-temporal processing and visualization of massive model dataset；3D environmental emergency system；data compression；temporal and spatial chips

2014-09-24

2014-11-15

郭紅燕(1969—)，女，博士，主要研究方向為石油遙感應用。

E-mail：guohy01@petrochina.com.cn

10.3969/j.issn.1000-3177.2015.05.020

TP391

A

1000-3177(2015)141-0132-05