基于电子海图的海上溢油预测系统的设计与实现

论文摘要

海上石油污染对生态环境有着极大的危害,直接威胁了人类的生存与发展。随着社会工业的不断发展,海上石油开采和运输日益增加,溢油事故发生的频率和溢油量也随之上升。海上溢油预测的研究已经成为世界各国重要的课题。地理信息系统技术的发展,为海上溢油预测提供了更多的GIS数据,使得真实地理环境下的溢油预测成为现实。计算机技术的发展,不仅提高了溢油预测中数据的运算和存储速度,而且实现了溢油预测结果的可视化。本课题就是利用元胞自动机溢油模型、地理信息系统和计算机技术相结合的思想对海上溢油预测系统的设计开发问题进行了研究。首先,对元胞自动机和电子海图的基本原理进行了介绍,深入分析了两者的特点,得出两者结合主要有三方面的优点：电子海图使得元胞自动机模型的构建、分析和处理更为灵活；电子海图为模型提供了丰富的数据支持；电子海图为模型结果提供了可视化界面。由此,得出元胞自动机和电子海图结合用于海上溢油预测的可行性。其次,将元胞自动机溢油模型和电子海图相结合,通过对电子海图栅格化的方式,建立了三维电子海图-元胞自动机溢油模型,对模型的元胞空间、元胞大小、元胞状态、转化规则和时间步长等参数进行了定义。在模型的转化规则方面,针对实际海测的困难,将绝对风速引入到模型之中；增加了垂直方向上潮流因子对转化规则的影响；针对原模型之中蒸发速率常数无法取值的问题,利用蒸发率实现了蒸发因子的实际量化。电子海图-元胞自动机溢油模型的建立实现了地理信息系统技术和元胞自动机模型技术在溢油预测中的应用。然后,从元胞自动机溢油模型对海洋环境数据的需求出发,针对电子海图数据中水深数据稀疏、离散的特点,利用Kriging插值算法生成了三维海底地形；借助海洋环境数据库获取了潮流数据,为溢油模型提供背景潮流数据支持；针对海洋环境数据类型多、数量大的特点,利用NetCDF数据技术对数据进行存储模型的构建,为溢油预测系统提供了高效的数据存储和调度方案。最后,在Windows系统上,以电子海图系统为平台,VC++6.0和MFC为开发工具,综合前面所述的三维地形生成方案、潮流数据获取以及数据存储技术,按照软件开发的流程,对海上溢油预测系统进行了详细设计和实现。该系统可以将海洋空间数据,海洋环境数据等和元胞自动机溢油模型进行结合,实现复杂海洋环境下溢油行为的预测和显示。测试结果表明,在海面风场恒定不变的情况下,该系统具有一定的实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.1.1 海上溢油的现状
• 1.1.2 海上溢油的危害
• 1.2 海上溢油的行为与归宿
• 1.2.1 动力学过程
• 1.2.2 非动力学过程
• 1.3 海上溢油预测的研究进展
• 1.3.1 溢油模型理论
• 1.3.2 溢油预测系统的研究
• 1.4 论文的章节安排
• 第2章 电子海图和元胞自动机结合的可行性分析
• 2.1 电子海图
• 2.1.1 电子海图种类
• 2.1.2 电子海图数据
• 2.1.3 电子海图系统
• 2.2 元胞自动机
• 2.2.1 元胞自动机概念
• 2.2.2 元胞自动机构成
• 2.2.3 元胞自动机特征
• 2.2.4 元胞自动机应用
• 2.3 电子海图和元胞自动机结合的可行性
• 2.4 本章小结
• 第3章 电子海图-元胞自动机溢油模型的建立
• 3.1 电子海图-元胞自动机溢油模型分析
• 3.2 电子海图栅格化
• 3.3 模型要素定义
• 3.3.1 元胞空间
• 3.3.2 元胞邻居
• 3.3.3 元胞大小
• 3.3.4 元胞状态
• 3.3.5 转化规则
• 3.3.6 时间步长
• 3.4 电子海图-元胞自动机溢油模型工作流程
• 3.5 本章小结
• 第4章 海洋环境数据生成技术研究
• 4.1 模型数据需求分析
• 4.2 海底地形数据生成
• 4.2.1 电子海图数据分析
• 4.2.2 海底地形生成分析
• 4.2.3 海底地形生成实验
• 4.3 潮流数据获取
• 4.3.1 实时潮流数据获取
• 4.3.2 潮流历史最大数据获取
• 4.4 数据的存取
• 4.4.1 NetCDF
• 4.4.2 数据模型构建
• 4.5 溢油初始分布和可视化
• 4.5.1 溢油初始分布
• 4.5.2 溢油可视化
• 4.6 本章小结
• 第5章 海上溢油预测系统的设计与实现
• 5.1 系统需求分析
• 5.1.1 系统设计目标
• 5.1.2 系统工作平台
• 5.1.3 系统开发框架图
• 5.2 系统设计
• 5.2.1 系统总体功能设计
• 5.2.2 系统模块设计
• 5.3 海上溢油预测系统的实现
• 5.3.1 系统界面的实现
• 5.3.2 系统类图
• 5.3.3 系统工作流程
• 5.3.4 实验与评价
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢