基于三维和时态GIS的大气污染扩散模拟系统研究与实现

论文摘要

随着我国经济的飞速发展，我国的环境问题日益突出大气环境污染事故时有发生并造成巨大的人员财产损失。目前的大气污染事故应急系统主要是以二维和静态的方式来表达污染的影响结果，而随着三维和时态GIS技术的发展，有必要探索大气污染扩散模拟分析领域与GIS新技术的集成方法，研发出表达方式更加生动、结果分析更加精确的大气污染扩散模拟系统。本文在大量文献分析和研究的基础上，结合大气扩散模型的相关理论，综合应用三维GIS、时态GIS及软件集成技术，尝试开发了三维动态的大气污染扩散模拟系统。首先，构建了三维动态大气污染扩散模拟系统的整体架构，探索了将大气扩散理论的实际应用与三维GIS、时态GIS相结合的开发方案；其二，对系统数据库模型的构建进行了深入研究，对化工企业数据库、危险品数据库、人口信息数据库进行了具体的分析与设计，运用UML静态结构图建立模型，将模型转换为Geodatabase数据库后应用到系统平台，实现对企业危险品信息及城市人口分布信息的管理；其三，对三维场景的构建进行了分析和研究，以SketchUp三维建模软件和ArcScene三维显示平台为基础搭建城市三维场景，显示大气污染扩散区域的三维环境。其四，对污染扩散的三维动态模拟方法进行了研究，将污染区域网格化划分，采用Marching Cubes算法生成污染分布的三维等值面，结合时间信息，在ArcGIS中利用时间滑块功能实现污染扩散的三维动态表达；最后，对污染事故的影响分析进行了深入研究，利用GIS强大的三维空间分析能力，计算出污染的最大扩散范围以及各时间点的浓度分布等信息，利用GIS的3D内部运算功能得出受影响的建筑和人口统计分析。经试运行，开发的污染扩散模拟系统有良好的三维动态可视化表达能力和较强的事故影响分析能力，实用性较好。数据库管理子系统、事故模拟子系统和事故影响分析子系统在平台中能够协同操作，实现了大气污染扩散模拟分析的主要功能。本论文的成果可为环保及应急管理部门提供三维可视化管理分析平台，并且为突发性大气污染事故应急决策提供支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 突发性大气污染事故的危害
• 1.1.2 突发性大气污染事故的特点及原因
• 1.1.3 大气污染事故应急解决方案
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 国内外相关研究综述
• 1.3.1 环境应急反应系统的研究现状
• 1.3.2 大气扩散模型的研究现状
• 1.3.3 大气扩散模型与 GIS 整合研究现状
• 1.3.4 时态GIS的研究和应用现状
• 1.3.5 三维GIS的研究和应用现状
• 1.3.6 文献综述小结
• 1.4 课题研究目标与内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.4.3 主要技术难点
• 1.5 研究方法与技术路线
• 1.5.1 模型构建与实现
• 1.5.2 数据处理
• 1.5.3 GIS 展现和分析
• 1.5.4 系统开发
• 1.6 论文构成与章节安排
• 第2章 大气扩散模型与 GIS 开发平台
• 2.1 大气扩散的影响因子
• 2.1.1 风向风速
• 2.1.2 地面条件
• 2.1.3 大气稳定度
• 2.1.4 泄漏气体性质
• 2.1.5 泄漏源参数
• 2.2 大气扩散模型
• 2.2.1 高斯扩散模型的假设条件
• 2.2.2 高斯烟羽模型
• 2.2.3 高斯烟团模型
• 2.2.4 多烟团模型
• 2.3 ARCGIS地理信息系统平台
• 2.3.1 基于ArcGIS Engine的组件开发
• 2.3.2 Geodatabase空间数据库
• 2.4 大气扩散模型与GIS的集成研究
• 2.5 本文采用的大气扩散模型及 GIS 集成方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 三维和时态GIS的建模与可视化研究
• 3.1 三维和时态GIS在环境领域的应用
• 3.2 三维GIS的理论及关键技术
• 3.2.1 三维空间模型
• 3.2.2 三维数据的组织管理
• 3.2.3 三维数据的查询和分析
• 3.2.4 本课题采用的空间模型及建模流程
• 3.3 时态GIS的理论与关键技术
• 3.3.1 时态相关的概念
• 3.3.2 时态GIS的功能
• 3.3.3 时空数据模型
• 3.3.4 本文采用的时空数据模型
• 3.4 三维可视化平台
• 3.4.1 ArcGlobe
• 3.4.2 ArcScene
• 3.4.3 ArcGlobe 与 ArcScene 的功能区别
• 3.4.4 本文采用的三维显示平台
• 3.5 三维场景的构建
• 3.5.1 三维场景构建的研究现状
• 3.5.2 三维场景的构建方法
• 3.5.3 本文采用的城市三维建模方法
• 3.6 空间数据场的可视化
• 3.6.1 可视化的关键技术
• 3.6.2 空间数据场的三维构建算法
• 3.7 本章小结
• 第4章 大气污染扩散模拟系统整体设计
• 4.1 系统需求分析
• 4.2 系统数据分析
• 4.2.1 空间数据
• 4.3 系统开发环境
• 4.4 系统功能构架与总体设计
• 4.5 数据库管理系统设计
• 4.5.1 化工企业管理子系统
• 4.5.2 危险品管理子系统设计
• 4.5.3 人口管理数据库设计
• 4.5.4 时空数据库设计
• 4.5.5 数据库模型的建立
• 4.6 污染模拟子系统设计
• 4.6.1 扩散参数设置
• 4.6.2 扩散区域网格化
• 4.6.3 污染浓度计算
• 4.6.4 时态信息存储
• 4.6.5 坐标转换
• 4.6.6 生成三维等值面
• 4.6.7 污染扩散的可视化
• 4.7 污染影响分析子系统设计
• 4.7.1 污染范围查询
• 4.7.2 定点浓度查询
• 4.7.3 影响人口分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 大气污染扩散模拟系统的实现与集成
• 5.1 系统概述
• 5.2 系统界面
• 5.3 三维场景构建
• 5.4 系统主要功能
• 5.4.1 GIS 基本功能
• 5.4.2 信息采集功能
• 5.4.3 数据库管理
• 5.4.4 三维污染区域显示
• 5.4.5 GIS 查询及空间分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 系统应用实例
• 6.1 事故情景设定
• 6.2 系统模拟
• 6.2.1 事故参数输入
• 6.2.2 污染扩散模拟
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文主要工作总结
• 7.1.1 主要工作
• 7.1.2 研究成果
• 7.2 不足与展望
• 7.2.1 存在的不足
• 7.2.2 系统扩展
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果