硫化氢气体模型海量时空数据的处理与可视化

郭红燕，邹立群，董文彤

(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

硫化氢气体模型海量时空数据的处理与可视化

郭红燕，邹立群，董文彤

(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

鉴于在利用三维地形环境分析硫化氢气体沿地形扩散趋势时，需解决该气体扩散模型在三维环境中的时空可视化问题，该文针对气体扩散模型数据体的数据结构、硫化氢气体浓度值的时空有效性等特点，首先对气体扩散模型建立八叉树索引以压缩数据，提高对海量模型数据体的访问效率，其次，通过抽取模型下底面有效数据以及时空切片的方式，实现气体模型海量时空数据的可视化。该文研究成果可用于复杂山地高含硫气田开发的事故分析。

硫化氢气体扩散模型；海量时空数据处理与可视化；三维环境应急系统；数据压缩；时空切片

0 引 言

在高含硫气田开发中，最大的风险为硫化氢气体的泄漏。气体发生泄漏后受到地形、风力、风向等环境因素的影响进行扩散漂移，对人畜造成直接的危害，并可伴生次生的林火等灾难[1-3]。因此，只有准确模拟出特定自然条件下高含硫气体扩散的动态趋势才能做出精确度较高的事故影响分析。准确预测高含硫气体泄漏的扩散范围，对于及时确定事故危害目标，规划撤离路径，调配可用资源，生成有效的应急抢险方案十分重要[4-5]。

如何在三维地形地貌的环境中实现气体扩散模型的时空可视化，是复杂山地硫化氢扩散分析系统建设的关键技术。本研究中的气体扩散模型属于体模型，它是应用三维立体格网来直接描述地理场景，空间中的每一个格网对应一个可测的属性值[6-8]。同时气体扩散模型具有时态性，其时间轴与欧几里德空间的三维坐标轴共同构成描述气体扩散模型的表达空间[6-8]。欧几里德空间的三维体形状多采用目前较为成熟的真三维显示技术进行可视化，而时间轴则按照时间序列借助动画技术表述地理数据的时间维[6-8]。

在本研究中，硫化氢气体扩散模型数据量巨大，需要大量的内存空间与极高的处理速度，在目前的网络环境下，响应速度非常慢，严重制约了硫化氢扩散分析中可视化的效果。本文要解决的问题之一是如何通过有效的数据处理减小数据量，提高数据的响应效率，实现时空维的可视化，并达到良好的可视化显示效果。

本文对硫化氢气体扩散模型进行了有效的数据体分析，根据其数据结构、地形分布、有效值的分布等特点，提出了有效的研究区内硫化氢气体扩散模型的数据处理与可视化方法。

1 硫化氢气体扩散模型数据分析

1.1 硫化氢气体扩散模型数据体分析

气体扩散模型是一个受多参数影响、数据量巨大的复杂数据体，针对研究区一个典型井喷或泄露事故，需考虑多种工况下的数值模拟数据。在本研究中对8个风向3个风速下46个时刻的气体扩散数值模拟结果序列进行处理。气体扩散模型数据有以下4个特点。

①模拟数据的数据结构与文件格式。数据的表示方式采用文本方式。每个文本文件第一行为字段名称，第2行到尾都是数据。第1个字段，node number为格网点序号；第2个字段，x-coordinate为水平相对坐标；第3个字段，y-coordinate为纵向(南-北)相对坐标；第4个字段，z-coordinate为绝对高程坐标；第5个字段，molef-h2s是硫化氢浓度值。

②采用相对地图坐标。整个格网坐标为相对地图坐标，坐标系的原点在格网左下角，井口位于坐标系中间。气体扩散模型地图坐标X=(井口地图坐标X-井口相对坐标X)+气体扩散模型X。每个井场不同工况的坐标数据(IDXYZ)是一样的，只是不同时刻每个点上的浓度不一样。

③模拟数据追随地形的特点。模拟数据是采用追随地形坐标系建立起来的，点的密度和地形相关。离地面越低点密度越大，离地越高点密度越稀。当到达一定高度上限，就成了规则格网。对于同一口井各风向，风速数值模拟结果实际上采用的是完全相同的一组三维空间坐标。

④数据值分布特点。每个文本数据量巨大，并有很多的无效值。对于气体蔓延区域外的采样点云以及某个高程以上的点云数据，气体浓度值一直保持在0值。

以上是针对数据体的数据结构、格式、坐标特点、地形特点以及数据量的总体分析。在此基础上，下面本文进一步对数据体有效值的分布情况进行分析，在充分剖析数据特征情况下，制定有效的解决方案。

1.2 数据体时空有效性分析

对一个独立的数据体来说，它包括了井位坐标、DEM、风速、风向及采样时间5个独立的标志性参数，由这5个参数唯一确定一个数据体。在进行模型数据体时空有效值结构分析时，就是要考虑硫化氢气体有效值的时空分布特点，确定模型数据体的有效值范围。

具体方法是：①在5个参数条件下，结合生物危害高度等环境污染相关参数选择x、y、z3个方向的空间坐标范围，确定空间统计条件，计算数据体在8个方位区域浓度统计特征，包括硫化氢浓度最大值、最小值、均值、数据点数百分比(包含点数对总点数的百分比)等。②以硫化氢有毒气体危害的化学浓度(浓度域值)为参考标准，在井场周围一定空间范围内，硫化氢浓度满足该阈值的为有效值，对于浓度低于该阈值的空间范围全部作为无效值范围，这样就把原来的数据体压缩为只包括有效值范围的数据体，从而极大减少了数据的空间分布量。

以上是对数据体的空间分析。同样，在时间维上，数据体为每30秒一次采样的时间序列数据，对井喷发生后关键时间范围的数据体进行数据空间压缩，剔除掉数据体空间分析中有效值区域数据点百分比达到10%以下的采样时间数据体。

2 气体模型数据体的处理与展示

通过上文中对扩散模型数据体分析，本研究提出了解决气体扩散模型海量数据体传输效率的压缩以及时空展示方法，该方法流程如图1所示。

图1 气体扩散数值模拟数据处理流程

2.1 气体扩散模型海量数据体的压缩

(1)气体扩散模型下底面数据抽取

进行有毒气体模型数据体近地表的下底面抽取。根据有毒气体扩散对人的危害程度的需求分析，可知人是在距离地面一定高度接触气体的，因此，对数据的分析的重点是距地面一定高度的气体浓度数据，即离地面一定高度的浓度的等值线。由于模拟数据是采用追随坐标系来模拟的，可以利用原始数据的高度减去地表的高程值，得到数据相对高度的浓度分布。

(2)坐标转换

将地图坐标转换为经纬度的坐标。

(3)建立八叉树索引

利用数据压缩技术减少数据量。对于海量四维点云原始数据，建立八叉树索引文件，将一个井场一个风速风向的所有数据压缩成一个文件，减小数据存储空间，便于后续计算。

其中，建立八叉树索引的处理流程如下：八叉树细分过程可以用一棵度为8的树来表示。将指定的三维空间区域分成8个卦限，且在树上的每个非叶子节点处存储8个数据元素(体素)。每个元素都是一个小的立方体，称为体元，其对应的三维空间称为体素。在三维空间中，如果一个体素是空的，则该体元的类型用NULL表示：如果一个体素中的实体是同一种类型，我们就把它称为均质的，否则称为非均质的。对于一个非均质的体素，必须把它再分成更小的8个卦限，节点相应的体元指向树中的下一层节点。

我们可以对以任何形式定义的物体建立生成八叉树的算法。利用物体的最大和最小坐标值，围绕该物体定义一个平行六面体(包围盒)，把它分解成8个子立方体，并对立方体依次编号。再对包含物体的三维空间区域逐个卦限测试，如果子立方体已经是均质的，则该子立方体可停止分解；否则，需要对该立方体作进一步分解，再分为8个子立方体，直至满足所规定的条件为止[9-10]。

图2 建立八叉树索引流程图

算法步骤如图2所示：①读入格网点数据，计算格网点的外廓范围：Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，Zmax，Zmin，利用该外廓范围形成一个空间立方体包围所有格网点数据。

②将空间立方体格网化，若数据太少可采用插值方法进行网格插值。

③初始化八叉树的根结点。用一个键表把所有点连接起来作为八叉树的根结点键表，同时记下该外接空间立方体的8个顶点坐标。

④通过递归创建八叉树：先计算出以该立方体中点，将该立方体分成8个子立方体，并令8个子立方体为该树的8个子节点。把该树的根结点的键表上的点分到8个子节点，形成8个子键表，判断每一个子键表上是否有点。若没有，则令该子树的flag=0，否则，判断每一个子键表上的点属性是否相同。若相同，则令该子树的flag=1，否则，则令该子树的flag=2。接下来判断如果该子树的flag=0，用底色填充。如果该子树的flag=1，则该子树用它的属性值填充；如果该子树的flag=2但满足终止条件，则用该子树的属性值填充；如果该子树的flag=2 且不满足终止条件，则重复①，直到每一个立方体的flag=0 或flag=1 或满足终止条件为止。

2.2 气体扩散模型海量数据体的时空展示

(1)数据规则格网化

把非规则格网数据进行规则格网化，生成时间切片，将原始数据转换为三维数字地球平台可展现的形式。根据八叉树索引文件按离地特定高度切片，切片插值方法保证渲染的真实性。根据不同浓度范围分层设色，生成PNG图片，便于三维渲染。

输入给定的高度值H，确定建立规则格网的分辨率resolution。 根据八叉树文件中记录的立方体范围，确定格网原点，计算每个格网点相对坐标，用倒距离加权法内插出格网点的浓度值。其中，距离倒数加权法的基本思想是：假设在x-y平面上有一离散的空间数据点集{(xi，yi，zi)|i=1，2…，N}，离散点(xi，yi，zi)在平面上的投影记为Di，则平面上任何一点P(x,y)上之所以有一值Z，是由于已知离散点Di上的高程值zi影响的结果。每个Di上的z值对点(P(x,y)上的值的影响不同，即离P点近的点，其值对P点的影响大，离P点远的点，其值影响就小。把各点对于P点z值的影响值加起来就是P点上的z值，即数据点z值按与P点的距离加权平均，距离小的权值大，距离大的权值小。

(2)浓度等值线跟踪

对于上一步生成的规则格网数据，进行等值线跟踪，生成100PPM浓度等值线。不同浓度的硫化氢气体对于人体的危害不同，100PPM是一个危害临界值，高于此浓度的硫化氢气体对于人体危害巨大，因此需要得到100PPM以上浓度的气体范围，以确定硫化氢气体扩散中的高危区域。等值线以KML格式进行保存，便于在三维数字地球平台上的解析渲染，为危害目标查询提供查询范围，辅助后续事故决策。

(3)预生成时空切片模拟展示气体扩散模型

在气体扩散数值模拟模型数据体三维展示中，采用了时空切片预生成以及调用快速模型两种方式，进行数据的处理与调度。图3为气体扩散模型三维展示流程。如图所示，首先输入风速、风向及高度等气象、模拟参数，在服务器端调用动态库，生成离地1m距离范围的不规则数据体。然后对生成数据重采样为规则数据体，生成3个风速8个风向的0.5m、1.0m、1.5m、2.0m浓度栅格图，保存为PNG格式。按八叉树目录索引进行检索，以图片方式直接叠加到客户端三维地形上。利用时间控制每30s刷新一次，展示分时动态空间维切片。第二种方式是实时读取压缩数据体，调用气体扩散快速模型动态库，根据用户输入参数，进行实时计算，得到某地点特定条件下某一时刻的高含硫天然气扩散范围及浓度范围，并在三维平台上进行分层渲染。同时对结果进行等值线跟踪，生成H2S浓度等值线，为危害目标查询提供查询范围。

图3 气体模型数据切片参数设置及模型展示

3 研究区试验

基于本文提出的对海量气体扩散模型下底面有效数据的收取以及八叉树索引的建立，大幅度地提高了数据的压缩比率。本研究选择了龙岗高含硫气田A井位的八风向、风速3m/s的所有时刻数据进行了试验。其中下底面抽取使用的DEM数据的空间分辨率为25m。试验中，首先对数据建立八叉树索引文件，包括气体扩散模型下底面抽取，坐标转换以及八叉树索引。其中输入数据：A井单个工况的数据，包括该工况条件下的所有时间序列二进制文件。单个时刻的文件大小为14.8兆，文件总共大小约为552兆。输出数据：该工况的八叉树索引文件，文件大小约为6兆。压缩比约为92∶1。

对压缩后的气体扩散模型数据，采用时空切片预生成技术，生成切片序列以及浓度等值线KML。其中输入数据为已生成好的八叉树索引文件。输出文件为png图片序列、图片地理坐标文本文件以及等值线kml文件。数值模拟数据切片图片如图4所示。

图4 数值模拟数据切片结果

对气体扩散的数值模拟的切片数据在三维数字地球环境中进行显示，每一时刻数据切片叠加到三维地形上并以时间维进行动态展示，效果如图5所示。

图5 数值模拟结果切片三维显示

4 结束语

本研究设计实现了在三维环境中的硫化氢气体扩散数据模型可视化系统，极大地提高了气体扩散模型海量数据体的传输效率，同时采用时空切片预生成技术实现对模型数据体的时空可视化，在三维环境中展示硫化氢气体沿三维地形的扩散范围、趋势与浓度分布，取得了良好的效果。本文在优化时空数据的表达方式上还有待于更进一步深入研究，使其更方便准确适用于动态过程的时空表达与应用。

[1] 席学军，邓云峰.井喷硫化氢扩散分析[J].中国安全生产科学技术，2007，3(4)：20-24.

[2] 徐龙君，吴江，李洪强.重庆开县井喷事故的环境影响分析[J].中国安全科学学报，2005，15(5)：84-87

[3] 钟江荣，赵振东，余世舟.基于GIS的毒气泄漏和扩散模拟及其影响评估[J].自然灾害学报，2003，12(1)：106-109.

[4] 张武，冯广泓，张培群.复杂地形上大气扩散规律的比较研究[J].兰州大学学报，1997，33(41)：40-43.

[5] 李剑锋.有毒重气扩散数值模拟与应急疏散关键技术研究[D].天津：南开大学，2008.

[6] 周平.一种基于关键帧动画的时空数据动态可视化方法研究[J].测绘通报，2012(1)：67-69.

[7] 李红旮，崔伟宏.地理信息系统中时空多维数据可视化技术研究[J].遥感学报，1999，3(2)：157-163.

[8] 薛存金，周成虎，苏奋振，等.面向过程的时空数据模型研究[J].测绘学报，2010，39(1)：95-101.

[9] 韩建国，郭达志.矿体信息的八叉树存储和检索技术[J].测绘学报，1992，21(1)：13-17.

[10] 曹彤，刘臻.用于建立三维GIS的八叉树编码压缩算法[J].中国图形图像学报，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

郭红燕(1969—)，女，博士，主要研究方向为石油遥感应用。

E-mail：guohy01@petrochina.com.cn

10.3969/j.issn.1000-3177.2015.05.020

TP391

A

1000-3177(2015)141-0132-05