基于GIS的渤海湾溢油预测系统研究_焦俊超

2 系统设计与开发
图 1 系统设计流程 Fig． 1 Procedure of system design 2． 2 溢油事故相关信息和预测文件的生成 在用渤海 湾 溢 油 预 测 系 统 对 溢 油 事 故 进 行 模 拟 时 （ 以瞬时 溢 油 模 型 为 例 ） ，首 先 调 入 由 FVCOM 模 型 和 MM5 模式产生的流场和风场。根据可视化界面操作，输
GIS 开发，实现面向用户的特定功能。根据 Visual Studio． net 与 Fortran 之 间 的 调 用 约 定 匹 配［11］ 和 数 值 传 递 的 原
等。
则，将 Fortran 动态溢油模型的 DLL“嵌入”GIS 系统中，这
1． 2 Fortran 语言生成 DLL 模型
样就充分利用了 Visual Studio． net 和 Fortran 各自的优势
2． 1 系统设计路线 系统设计流程如图 1。ArcEngine 是 ESRI 公司伴随
ArcGIS 系列软件一起推出的开发产品，借助于它进行 GIS 开发 时 能 彻 底 脱 离 ArcGIS 桌 面 平 台［9］。 组 件 式 GIS （ ComGIS） 是面向对象技术和组件技术在 GIS 软件开发中
瞬时型和连续型两种模式。
Fortran 语言是一门适合科学计算和工程分析的程序
设计语言，在数值计算和模拟领域得到广泛应用，其程序 的运行速度和运行效率是任何其他高级程序设计语言所 无法比拟的，尤其在设计“高端计算”应用程序方面，所以 本文选用 Fortran 语言编写溢油动态模型，并生成 DLL，供 组件式 GIS 开发时调用。
了 Fortran 语言强大的计算功能和 Visual Studio． net 语言 良好的可视化 界 面 设 计 功 能［4］。 使 用 时，键 入 溢 油 事 故 相关参数，利用命令控件来调用 DLL 模型完成相关计算， 计算完成后会 生 成 一 系 列 的 溢 油 事 故 预 测 文 件 ，包 括 面 积、轨迹、蒸发、密 度 等，然 后 系 统 调 用 这 些 文 件，可 将 结 果显示在可视 化 界 面 上，最 终 实 现 海 上 溢 油 运 动 轨 迹 和 扩散面积的动态预测。
Tab． 1 Information about oil spill
时间参数 溢油起始时间 运行时间
位置参数 溢油发生位置 溢油量、溢油速度
过程参数 溢油品种选择 油粒子个数设置
风场参数 选择是 MM5 模式风场或者定长风模型 风应力系数和偏向角设置
2． 3 GIS 动态显示技术 经过 Fortran 动态溢油模型计算后产生的运动轨迹和
入溢油事故相关参数（ 如表 1） ，系统便在后台运行 DLL 模型，模型运行完毕后，会在指定的位置产生一系列的溢 油事故预测文 件，供 系 统 显 示 溢 油 运 动 轨 迹 和 扩 散 面 积 时调用。产生的溢油事故预测文件主要包括轨迹、扩散、 密度、蒸发、含水率、溶解率等。
表 1 溢油事故相关信息
736
海洋环境科学
第 30 卷
1 动态溢油模型的建立及 DLL 的生成
的应用［10］，它的思想是把 GIS 的各大功能模块划分为几 个控件，每个控件完成不同的功能，各个 GIS 控件之间，
1． 1 油粒子概念
以及 GIS 控件和非 GIS 控件之间，可以方便的通过可视化
为了动态模拟溢油的运动轨迹和扩散面积，将溢油 软件开发 工 具 集 成 起 来，形 成 最 终 的 GIS 应 用。Visual
洋气象环境等息息相关。风化过程主要考虑蒸发、乳化、
垂向分散以及 溶 解 等 过 程，在 充 分 分 析 风 化 过 程 对 溢 油
行为的归宿影响和油膜的动力学和非动力学过程的基础
上，建立结合溢 油 风 化 模 式 和 输 移 扩 散 模 式 的 渤 海 湾 动
态溢油模型。在溢油模式的计算中，采用改进型“凸包算 法”［8］实现对油 膜 面 积 的 精 确 计 算。动 态 溢 油 模 型 分 为
渤海湾岸线曲折蜿蜒，采用了对岸线拟合较好的基 进行混合编程。通过设计用户友好型界面实现人机交互
于非结构网格技术的 FVCOM 水动力模型来对流场进行 功能，进而操作 Fortran 程序，而在整个运行过程中，For-
模拟，为了快速预报潮流，采用调和的方法对单点进行预 tran 应用程序均在后台运行，形成一个可操作性强、界面
离散化为大量油粒子，每个油粒子代表一定的油量，在表 层海流和风 的 共 同 作 用 下 飘 移 扩 散［5］。 在 模 拟 结 束 时，
Studio． net 易于设计高效、友好的可视化界面，以它作为开 发平台可以很好 的 与 ArcEngine 结 合 起 来，完 成 组 件 式
计算和分析油粒子的属性来获得对溢油事件的定量或者 定性描述，如 油 量、位 置、粘 度、密 度、抵 岸 或 者 悬 浮 状 态
收稿日期：2010-07-14，修订日期：2010-09-02 基金项目：山东省海事局“渤海湾溢油污染预测预警技术”（ 2008-311-000-035） 作者简介：焦俊超（ 1985-） ，男，河南驻马店人，在读硕士研究生，研究方向为 GIS 开发，E-mail： zmdjjchjjch@ 163． com 通讯作者：马安青，博士，从事海洋地理信息系统和遥感应用技术研究。
随着计算 机 技 术 的 快 速 发 展，海 上 溢 油 行 为 已 经 能 够在计算机上模拟与再 现［1 ～ 3］。本 文 分 别 采 用 FVCOM 模型和 MM5 模式对渤海湾的流场和风场进行模拟，综合 考虑溢油的动 力 和 非 动 力 过 程、结 合 溢 油 风 化 模 式 和 输 移模式，使用 Fortran 语言建立动态溢油模型并生成动态 链接库（ Dynamic Link Library，DLL） 文件。以 Visual Studio． net 语言环境为开发平台，结合 ArcEngine 控件进行组 件式 GIS 开发，并嵌入动态溢油 DLL 模型，这就同时利用
报。风场数据用 MM5 模式来模拟，该模式已经被国内外 友好的溢油预测系统。
的科研单位广泛用于一些重要天气过程的模拟以及资源
环境科学的研究。溢油在水中的行为和归宿是一个非常 复杂的过程［6］，决 定 海 上 溢 油 运 动 的 主 要 因 素 是 风 和 表 层海流［7］，同时也与石油的性质、海洋水动力环境以及海
扩散面积文件是一系列点组成的，格式为（ x，y） ，流场和 风场文件也是由一系列的点组成的，格式为（ x，y，u，v） 。 x、y 为节点坐标，u、v 为 x、y 的偏移量，每节点的流场表
示为从点（ x，y） 到点（ x + u，y + v） 的矢量箭头。 由于溢油运动轨迹和扩散面积的显示属于大量粒子
Prediction of oil spill based on GIS in Bohai Bay
JIAO Jun-chao1，2 ，MA An-qing1，2 ，LOU An-gang1，2 ，YANG Shao-lei3 ，HU Yue-bo1，2
（ 1． Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China； 2． College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China； 3． Shandong Maritime Safety Administration，Qingdao 266002，China）
Abstract： In order to forecast the motion and diffusion area of spilling oil at sea，the simulation of current and wind field based on FVCOM model and MM5 pattern was carried out． By giving full consideration to the influence of weathering process to the settle down of spilling oil，the dynamic spilling oil model and created DLL written with the Fortran Language were built． In the environment Visual Studio net，the component GIS development based on ArcEngine controls with DLL embedded were carried out，and the Bohai Bay spilling oil forecasting system was developed． After input related parameters，the Dll could calculate automatically and create forecating file of spilling oil accident． The system could simulate the motion and diffusion area of spilling oil dynamically after reading the forecasting file，and provide dicision support for the urgent management of spilling oil． The results showed that this system could accurately and dynamically forecast the spilling oil at sea，and it also have the potential of further promotion． Key words： Fortran； GIS； Bohai Bay； oil spill