高潤喜

(包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014060)

艦載地理信息系統(tǒng)在海洋原油泄漏響應(yīng)中的應(yīng)用研究

高潤喜

(包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014060)

摘要:海洋原油泄漏響應(yīng)系統(tǒng)是一種信息化的決策支持系統(tǒng)，用于對海洋原油泄漏事故進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、分析和響應(yīng)。本文提出一種基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的海洋原油泄漏響應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成多種分析模型，如三維水力模型，油跡動態(tài)模型等，并能夠運(yùn)行在地理信息系統(tǒng)平臺上，結(jié)合傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)的功能，發(fā)揮更好的效果。在本文中，對系統(tǒng)的框架和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，研究并設(shè)計了所需的數(shù)據(jù)庫，最后構(gòu)建了原型系統(tǒng)并進(jìn)行仿真，最終結(jié)果表明本文提出的方法能夠較為精確地預(yù)測海洋油跡的變化規(guī)律，并能夠給出及時的響應(yīng)，具有較高的可用性。

關(guān)鍵詞:地理信息系統(tǒng);原油泄漏;事故響應(yīng)

Research on application of ship GIS in marine oil splitting response

GAO Run-xi
(Baotou Railway Vocational and Technical Collge Inner Mongolia，Baotou 014060，China)

Abstract:Marine oil spill response system is an information decision support system，used for Marine oil spill in real－time monitoring，analysis and corresponding．This paper puts forward a kind of based on geographic information system (GIS) of Marine oil spill response system，the system integrates many kinds of analysis model，such as 3 d hydraulic model，soil dynamic model and so on，and be able to run on geographic information system platform，combined with the traditional function of geographic information system，play a better effect．In this article，the system framework and key technologies are studied，the research and design of the database，and finally built a prototype system，the final result shows that the proposed method can more accurately predict the changing rule of the Marine oil stains，and be able to give a timely response，has the high usability．

Key words:GIS; oil splitting;accidents response

0　引言

原油運(yùn)輸在當(dāng)前的航運(yùn)業(yè)中扮演著重要角色，由于其較低的費(fèi)用和較為穩(wěn)定的航道，使得各國將航運(yùn)作為原油進(jìn)出口的重要途徑。除此之外，隨著海洋勘探和鉆探技術(shù)的提高，海洋石油鉆井平臺的數(shù)量也不斷擴(kuò)張，海洋已經(jīng)成為人類石油等礦石資源開發(fā)的新戰(zhàn)場。然而，在各國不斷發(fā)展自身的海洋石油鉆探和石油運(yùn)輸業(yè)的同時，各種各樣的原油泄漏事件也屢次發(fā)生，對海洋及海洋周邊島嶼、海岸的生態(tài)環(huán)境造成及其嚴(yán)重的影響。并且，隨著航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，此類事件的發(fā)生頻率一直居高不下，甚至逐漸呈上升態(tài)勢，造成的環(huán)境危害不斷擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)損失也逐年上升。為此，各個企業(yè)、政府和機(jī)構(gòu)，提出多種方法遏制這一問題，使得如何應(yīng)對海洋原油泄漏事件逐漸成為當(dāng)前研究和發(fā)展的熱點(diǎn)之一［1－2］。

縱觀歷史上發(fā)生的原油泄漏事件，其造成較大

影響的原因主要有2點(diǎn):一是原油泄漏之后呈漂浮狀態(tài)，其運(yùn)行軌跡難以預(yù)測，因此對海洋油跡的清理難度較大;二是當(dāng)前原油泄漏的監(jiān)視和報告過程缺乏實(shí)時性，難以在事故發(fā)生的第一時間給出報告和響應(yīng)，導(dǎo)致在后期處理過程中，需要耗費(fèi)較大的時間和精力，卻難以取得較好的效果［3］。

信息技術(shù)的發(fā)展，為解決以上問題提供機(jī)會，當(dāng)前地理信息系統(tǒng)逐漸在各個領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，且功能也被不斷完善和增強(qiáng)，使其具備了直觀、方便、自動化處理地理空間信息的能力，逐漸成為船舶導(dǎo)航、定位等不可或缺的重要助航設(shè)備。本文目的在于研究如何在地理信息系統(tǒng)平臺上，構(gòu)建一種信息化、自動化的海洋原油泄漏響應(yīng)系統(tǒng)［4］。該系統(tǒng)一方面能夠結(jié)合地理信息系統(tǒng)的原有功能，實(shí)現(xiàn)對原油泄漏位置的精確定位，結(jié)合電子地圖直觀顯示事故影響的范圍和發(fā)展的態(tài)勢，從而為下一步的災(zāi)難處理提供決策支持;另一方面能夠融入當(dāng)前原油泄漏響應(yīng)研究領(lǐng)域最新的模型，實(shí)現(xiàn)對事故相關(guān)信息的自動化分析、預(yù)測和記錄。本文對該系統(tǒng)的框架和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出了初步的實(shí)現(xiàn)方案，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)證明本文提出方法具有較好的可用性。

1　系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)的框架主要包含地理信息系統(tǒng)(GIS)、3－D水力模型、油跡動態(tài)模型、油跡回溯模型和以C + +語言編寫的各種模型接口與GIS接口等，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體框架Fig.1　The architecture of system

為了將各種模型、數(shù)據(jù)庫和地理信息模型相融合，需要使用C + +定義各種軟件模塊和接口，通過這些模塊和接口，一方面能夠使得用戶與系統(tǒng)進(jìn)行良好的交互，并能夠在圖形化的界面上直觀觀察所需的各種數(shù)據(jù)和信息;另一方面能夠?qū)⒍喾N模型和GIS相結(jié)合，使得對于信息分析的結(jié)果能夠直接顯示在GIS的電子地圖之上，較為方便和直觀。在本系統(tǒng)中GIS主要完成3個功能:

1)為海洋原油泄漏響應(yīng)系統(tǒng)和用戶提供交互的界面;

2)連接系統(tǒng)的輸入、模型和輸出;

3)管理GIS空間和屬性數(shù)據(jù)庫和響應(yīng)數(shù)據(jù)庫。

2　環(huán)境管理GIS

本文中使用的GIS系統(tǒng)為環(huán)境管理地理信息系統(tǒng)(EMGIS)，使用VC + + 6.0開發(fā)，運(yùn)行于Windows平臺。

2.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

EMGIS中使用的數(shù)據(jù)主要有2部分組成:圖形化數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。通過ActiveX數(shù)據(jù)對象技術(shù)，可以將2種數(shù)據(jù)同時存儲于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，如SQLServer，Oracle等。在數(shù)據(jù)庫中，圖形化數(shù)據(jù)采用BLOB格式存儲，采用層次化的組織方式，例如對于一幅地圖來說，可分為地圖層、圖形層、實(shí)體層，具體的層次劃分如圖2所示。

圖2　圖形化文件的結(jié)構(gòu)層次Fig.2　The hierarchical of graphic data

在數(shù)據(jù)庫中使用3種表單存儲圖形化文件，第1種表單存儲圖形化數(shù)據(jù);第2種表單存儲屬性數(shù)據(jù);第3種表達(dá)存儲空間索引信息。為了提高空間數(shù)據(jù)請求的精確性和圖形化表示的能力，EMGIS中使用MBR技術(shù)和R－TREE索引技術(shù)。

2.2 EMGIS的主要功能

EMGIS能夠提供傳統(tǒng)GIS所有的功能和部分?jǐn)U展功能，如數(shù)據(jù)輸入、編輯、管理、輸出，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的請求和對圖層的管理等。將原油泄漏數(shù)值模型與EMGIS相結(jié)合，使得可以利用EMGIS

的圖形化界面，直觀實(shí)時地顯示數(shù)值模型的處理結(jié)果。

EMGIS同時也是一個開放系統(tǒng)，能夠讀取當(dāng)前主流的桌面GIS文件和CAD系統(tǒng)文件，如ArcView 的* .shp文件，MapInfo的* .Mif文件，Auto－cad 的* .dxf文件等。同時EMGIS產(chǎn)生的文件也能夠被上述系統(tǒng)讀取和使用。

3　數(shù)值模型介紹

3.1水力模型介紹

在本系統(tǒng)中，水力模型經(jīng)過修改之后用來預(yù)測原油泄漏區(qū)域的潮汐洋流變化。該模型最初由Blumberg和Mellor在1987年提出，該模型在三維空間中使用有限差分近似的方法解決了對于水力的建模問題。使用該模型給出的方法，給出當(dāng)前潮汐洋流的狀態(tài)，采用“dry－wet”方法解決移動邊界問題，然后使用ADI方法對仿真模型進(jìn)行計算。并且將unison常數(shù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，極大提高了潮汐洋流預(yù)測的速度［5］。

3.2軌跡動態(tài)模型

泄漏原油的油跡分布和動態(tài)趨勢，由復(fù)雜的物理、化學(xué)甚至生物等多種因素影響，如蒸發(fā)、擴(kuò)散、溶解、光化學(xué)反應(yīng)、降解、沉降和浮游生物攝入等。為了快速對油跡的動態(tài)變化和發(fā)展趨勢進(jìn)行反應(yīng)，模型無法也不需要將以上所有因素全部考慮中去，只需考慮若干關(guān)鍵和基礎(chǔ)因素對油跡的影響即可。

在建模的過程中，首先將連續(xù)的原油痕跡分割為大小相等的點(diǎn)，將整個泄漏原油痕跡看做離散的點(diǎn)跡的集合，則每個點(diǎn)跡的移動規(guī)律可以被獨(dú)立計算。其移動過程受到洋流、湍流和浮力的影響。其中湍流的影響被建模為三維隨機(jī)漫游過程，而浮力則受到點(diǎn)跡密度和大小的影響。對以上問題Mackay 在1984和1980年分別給出了描述模型和公式，以風(fēng)速、點(diǎn)跡含水量和特殊常數(shù)為參數(shù)，并且，當(dāng)點(diǎn)跡漂浮到海岸之后，則認(rèn)為點(diǎn)跡不再移動，將其從仿真過程中剔除。

3.3回溯模型

在某些原油泄漏事故中，當(dāng)事人或船舶并未及時發(fā)現(xiàn)這一事故的發(fā)生，因而可能在事故發(fā)生的若干天之后，相關(guān)機(jī)構(gòu)才能收到事故報告，導(dǎo)致難以確定事故的責(zé)任人和污染的影響范圍。為了確定最初的原油泄漏位置，采用Monte－Carlo方法構(gòu)建了回溯模型，使用概率論方法和隨機(jī)過程方法來解決該問題。通過輸入當(dāng)前原油點(diǎn)跡的位置和當(dāng)前的時間等參數(shù)，模型可以通過仿真過程，給出原油初始位置的結(jié)果，進(jìn)而用來確定原油泄漏的精確位置。

4　數(shù)值模型與GIS的集成

本文中使用的全部數(shù)值模型均使用Visual Fortran語言進(jìn)行編寫，并使用動態(tài)鏈接庫(DLL)進(jìn)行存儲和使用。GIS中具備多種開放式的接口，能夠方便地進(jìn)行二次開發(fā)，本文將使用這些接口，將前文提到的數(shù)值模型與GIS相結(jié)合，集成之后的系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3　集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3　The structure of integrated system

在使用過程中，用戶輸入模型參數(shù)，如原油泄漏的位置和時間、風(fēng)力、洋流速度等，在通過模型計算完畢之后，結(jié)果以二進(jìn)制文件或文本文件的形式存儲。當(dāng)用戶需要直觀地看到計算的結(jié)果時，只需在用戶界面上點(diǎn)跡相應(yīng)的按鈕，GIS即可讀取計算結(jié)果文件，并將結(jié)果直觀的顯示在EMGIS的電子地圖上。

5　實(shí)驗(yàn)分析

在本文中，將采用實(shí)際事故案例對本文提出的系統(tǒng)進(jìn)行測試。采用的案例為2004年12月7日發(fā)生在南海擔(dān)桿島的原油泄漏事故。在此次事故中，1艘韓國油輪和德國油輪發(fā)生碰撞，進(jìn)而造成了較大范圍的原油泄漏事故，被稱為“擔(dān)桿島12.7”事故，產(chǎn)生了較為惡劣的影響。

本文采用該事故作為測試用例，根據(jù)事實(shí)發(fā)生的數(shù)據(jù)作為輸入，然后采用本文設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)對原油泄漏的位置、發(fā)展趨勢以及響應(yīng)時間等進(jìn)行測試，并與之后發(fā)生的實(shí)際情況進(jìn)行比對，從而測試本文提出方法的正確性。

在此次事故中，韓國油輪共泄漏了超過1 450 t的原油和燃料。泄漏發(fā)生時，周邊海域風(fēng)速為13～16 m，泄漏的時間約為20 h，對周邊環(huán)境影響較大，采用海洋原油泄漏響應(yīng)系統(tǒng)對擔(dān)桿島周邊的環(huán)境進(jìn)行查看，并在EMGIS中顯示海島的具體位置，其結(jié)果如圖4所示。

圖4　島嶼及泄漏海域地圖Fig.4　The map of the island and oil splitting area

將以上參數(shù)輸入本文設(shè)計的系統(tǒng)中，并對最初2天的原油點(diǎn)跡移動軌跡進(jìn)行估計和計算，其結(jié)果如圖5所示。該結(jié)果計算出的原油表面覆蓋范圍和移動軌跡，與事故發(fā)生之后的實(shí)際值非常接近。然而，由于此次事故發(fā)生時，大多數(shù)的參數(shù)并未及時采集，因此在本文的測試過程中，僅僅使用了一部分參數(shù)，導(dǎo)致最后的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果仍然存在一定的差異，然而，通過采集更多的初始參數(shù)，該差異可進(jìn)一步縮小。

圖5　系統(tǒng)處理結(jié)果與實(shí)際結(jié)果Fig.5　The result of system output and real data

通過以上測試證明:首先，本文提出的方法能夠?qū)IS與傳統(tǒng)的數(shù)值模型相結(jié)合，取得較好的使用效果;其次，本文提出的設(shè)計方案能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測原油泄漏事故發(fā)生之后的影響和發(fā)展趨勢，對災(zāi)后的處理工作具有較大的參考價值。

6　結(jié)語

海洋地理信息系統(tǒng)是一種具備強(qiáng)大功能的通用地理信息處理和管理系統(tǒng)，能夠在海洋環(huán)境中發(fā)揮重要的作用，進(jìn)而可以用于海洋原油泄漏事故的分析和響應(yīng)。本文在深入研究原油泄漏事故響應(yīng)需求和海洋地理信息系統(tǒng)功能模塊的基礎(chǔ)上，對地理信息系統(tǒng)在海洋原油泄漏響應(yīng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，給出系統(tǒng)的基本框架、關(guān)鍵技術(shù)和集成方法，最后使用實(shí)驗(yàn)分析，證明本文提出方法具有較好的可用性。

參考文獻(xiàn):

［1］MARTIN P H，LEBOEUF E J，DANIEL E B，et al．Development of a GIS－based Spill Management Information System［J］．Journal of Hazardous Material，2004(12) : 239 －252．

［2］任席闖，左麗芬，李樹明，等．基于GIS的超低頻通信服務(wù)區(qū)的預(yù)測［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2013，35(4) :86－90．REN Xi-chuang，ZUO Li-fen，LI Shu-ming，et al．The prediction of VLF communication service zone based on GIS［J］．Ship Science and Technology，2013，35(4) : 86 －90．

［3］FRENCH McCay，D．P．Environmental toxicology and chemistry［Z］．Special Issue honoring Don Mackay，2004．

［4］胡安康．船舶數(shù)字化設(shè)計的主脈——CAE信息鏈［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(1) :66－70．HU An-kang．The main vein of digital ship design——CAE information chain［J］．Ship Science and Technology，2008，30(1) :66－70．

［5］MARK S．Arc/info marine spill GIS［J］．Spill Science＆Technology Bulletin，2005，12 (1) :81－85．

作者簡介:高潤喜(1964－)，男，副教授，研究方向?yàn)闇y繪工程及高職測繪教學(xué)研究。

收稿日期:2014－11－15;修回日期: 2014－12－30

文章編號:1672－7649(2015) 07－0176－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.041

中圖分類號:P208

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A