王豹，王斌

（1.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇南京 210046；2.國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081；3.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048）

基于核密度和KML的溢油預報動態(tài)可視化設計與實現(xiàn)

王豹1,2，王斌2,3

（1.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇南京 210046；2.國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081；3.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048）

針對現(xiàn)有溢油預報可視化產(chǎn)品的不足，提出了一種基于核密度和KML的溢油數(shù)值預報產(chǎn)品的動態(tài)展示方法，并詳細描述了該方法中兩個技術要點：核函數(shù)密度制圖和KML結構設計。通過編寫程序模塊，實現(xiàn)了KML文件及相關專題信息的自動化生成，并以Google Earth為平臺上進行了實例展示。實踐證明：該方法借助Google Earth豐富的地理信息背景和“時間軸”技術，能夠在流暢穩(wěn)定的平臺上準確、便捷、美觀地動態(tài)顯示溢油預報結果，具有一定的業(yè)務應用價值。

KML；核密度；溢油；可視化

1 引言

溢油數(shù)值預報以復雜的物理模型為依托，綜合考慮了表層海流和海面風作用下油粒子的漂移和擴散，為溢油事故的及時、準確處理提供信息支持[1-2]。溢油預報的動態(tài)可視化利用計算機圖形學和圖像處理技術，將溢油數(shù)值預報模式的模擬結果進行必要的預處理及格式轉換，通過可視化技術以圖形圖像的形式顯示數(shù)值信息，從而形象、直觀地表達溢油的漂移過程[3]。

近年來，溢油可視化的研究借助了許多主流的信息技術手段。莊學強等[4]基于Mapinfo COM技術，將溢油數(shù)值模型的模擬計算結果實時、動態(tài)地顯示在電子海圖上。胡躍波集成了ArcGIS組件、Surfer控件及相關的視頻播放組件，以VB.NET語言為開發(fā)語言，將溢油模型通過動態(tài)鏈接庫的形式“嵌入”到顯示界面中，實現(xiàn)了膠州灣溢油預報過程的可視化[5]。焦俊超等[6]整合了GIS（Geographic Information System）開發(fā)技術和Google Earth平臺，對溢油預測信息進行了可視化展示，但展示的方式是數(shù)值模式輸出的油粒子點，溢油濃度的表達不夠直觀。李久松[7]運用i4Ocean渲染引擎，采用粒子系統(tǒng)等關鍵技術實現(xiàn)了海上溢油的三維動態(tài)可視化，彌補了二維溢油可視化在真實感方面的不足。苗星妍[8]基于OpenGL，采用OSG（Open Scene Graph）場景渲染技術以及GPU（Graphics Processing Unit）三維渲染編程技術，實現(xiàn)運動點連續(xù)溢油的三維可視化。

目前，溢油預報業(yè)務中的可視化產(chǎn)品以圖片為主，表現(xiàn)形式單一，交互性較差，動態(tài)顯示效果欠佳，產(chǎn)品整體美觀程度不夠，表達的內(nèi)容多局限于溢油的專題信息[9]；而基于OpenGL、i4Ocean等技術的三維溢油可視化則缺乏區(qū)域背景地理信息的支持（包括空間參考、衛(wèi)星影像和基礎地理數(shù)據(jù)等），且尚無一個通用性的產(chǎn)品發(fā)布、展示平臺?；谝陨显颍疚脑O計了一種基于KML（Keyhole Markup Language）和核密度的溢油預報動態(tài)可視化技術方法，本方法的創(chuàng)新之處在于能夠在成熟、穩(wěn)定平臺上以圖形的方式動態(tài)表達溢油事故發(fā)生后油粒子的時空位移及集聚變化，在具有完備的背景地理信息的同時，兼具一定的交互性和業(yè)務應用價值。

2 關鍵技術

本文可視化方法的關鍵技術包括兩個方面：一是用于油粒子數(shù)值結果可視化的核密度制圖方法；二是用于動態(tài)可視化的KML技術。拉格朗日粒子追蹤模型將溢油離散為大量油粒子，每個油粒子代表一定的油量，其數(shù)值結果的可視化適宜采用密度制圖的方法。密度制圖的結果表示溢油濃度，即單位面積內(nèi)所有油粒子表示的總油量。密度制圖對離散采樣點進行表面內(nèi)插，簡單點密度制圖計算簡單、快速，但存在連續(xù)密度表面不夠平滑的缺點；而核密度制圖通過引入核函數(shù)，使得密度表面更加科學、合理。KML采用嵌套的元素和屬性描述和保存地理信息，是一種被Google Earth識別并顯示的標記語言。將核密度制圖的時間序列結果記錄在KML文件中，然后導入Google Earth進行動態(tài)演示，可以在豐富的背景地理信息支撐下直觀、流暢、交互式地顯示溢油預報可視化結果。

2.1 核密度制圖

核密度制圖是一種基于核密度估計（Kernel Density Estimation，KDE）的制圖方法。與簡單點密度制圖不同，核密度制圖根據(jù)已知點要素的數(shù)值及其分布，通過移動的三維函數(shù)（內(nèi)核）計算整個研究區(qū)域的數(shù)據(jù)分布狀況，將點狀要素轉換為連續(xù)曲面，以反映點格局的空間集聚特征。核密度圖以面上某點的值表示該點的要素密度，消除邊界分隔對密度計算精度的影響?？紤]已知點對其周圍區(qū)域要素值影響的距離衰減作用，已知點鄰近區(qū)域的密度值隨中心輻射距離的增大而逐漸變小[10]。

設研究區(qū)域 R內(nèi)分布有n個事件 X|X1，X2，…，Xn|，x處的點密度值為 f(x)，其估計值記為ｆ(x)，則x處的點密度 f(x)的估計表示為：

式中：n為搜索區(qū)域內(nèi)已知點個數(shù)，h為分布密度估計的平滑系數(shù)，K為核函數(shù)方程，x為格網(wǎng)中心位置，Xi為已知點位置，x-Xi為密度估值點x和Xi之間的距離。常用的核函數(shù)方程主要有高斯、四次（球面）、（負）指數(shù)、三角（圓錐）、葉帕涅奇尼科夫（拋物線）等。不同數(shù)學形式和核函數(shù)方程對密度估計的影響較小[11]，本文選擇GIS中最為常用的核函數(shù)——葉帕涅奇尼科夫方程進行研究區(qū)域核密度的計算，其核函數(shù)公式如下：

此外，平滑系數(shù)通常根據(jù)實際需求選擇，本研究中采用自適應選擇的方式，即自定義規(guī)則，以網(wǎng)格中心點為原點的若干同心圓區(qū)域內(nèi)，若包含5個已知點，即以該圓的半徑作為平滑系數(shù)。

2.2 KML動態(tài)顯示

KML是一種基于XML語法標準的標記語言，用于描述地理數(shù)據(jù)，是廣泛應用于Google Earth中顯示與表達地理標記的一種文件格式。隨著Google Map與Google Earth的廣泛普及，KML迅速成為一種地理信息行業(yè)標準，并于2008年被OGC（Open Geospatial Consortium）正式宣布成為開放地理信息編碼標準，即OpenGIS KML編碼標準。通過編寫KML代碼，用戶可以在Google Earth中自定義地添加和發(fā)布各種類型的數(shù)據(jù)，如點、線、面、二維圖像以及三位模型等[12]。正是因為這種特性，極大地方便了不同用戶之間的信息與數(shù)據(jù)共享，使得基于KML的開發(fā)方法成為Google Earth最主要的開發(fā)方式。

核密度制圖完成后，程序生成一段連續(xù)時間序列的溢油密度分級圖，為在Google Earth中展示溢油的動態(tài)變化過程，需要對KML文件結構進行設計，充分利用多種KML元素的嵌套、組合，實現(xiàn)預期效果[13]。本文中，用到的KML元素主要有、、、、、等。溢油動態(tài)變化KML文件基本結構設計如圖1所示。

圖1 KML結構中，元素代表一次溢油事件的動態(tài)變化過程，其子元素主要包括兩部分：一是自描述部分由