[发明专利]基于粒子系统的区域污染物浓度可视化方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于粒子系统的区域污染物浓度可视化方法。

背景技术

为了了解和控制环境空气污染，很多学者对大气中污染物浓度分布、扩散方式及展示形式等进行了研究。文献[1]提出了一种解析高斯模型，可以预测瞬时污染物排放后大气污染水平，这种模型在预测局部污染强度中应用广泛，能够预测出污染物在一段时间后的污染范围及浓度分布情况，并且将结果在GIS中展示。现在在GIS中的显示大部分都是基于二维的，无法表现它在空间区域中的特性。由于污染物通常都有不透明的特性，会使天空看起来浑浊。为了更生动地模拟大气中污染物的浓度分布和扩散效果，我们利用对模糊(不透明)物体的模型来进行描述。

模糊物体如火焰、云、薄雾、烟雾等，因其没有固定的形状，无法使用传统的绘制方法绘制。文献[2]提出了使用粒子系统来建模这些模糊物体的方法。粒子系统由粒子集合组成，粒子集合中的每个粒子都有自己的属性，包括位置、速度(包含速率和方向)、大小、颜色、透明度、寿命等，这些属性随着时间不断变化，形成复杂多变的物体。文献[3]提出了在粒子系统的基础上，使用纹理泼溅的方法对粒子进行纹理映射，形成形状多变的云，光照在粒子中的传播路径使用前向散射模型和Rayleigh相位函数。Harris对在建模上粒子系统进行了改进，引入了纹理映射使绘制的图形更加真实，但是在局部细节上由于粒子属性设置不当，造成效果失真。

发明内容

本发明为更生动地模拟大气中污染物的浓度分布和扩散效果，提出了基于粒子系统区域污染物浓度可视化方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于粒子系统的区域污染物浓度可视化方法，该方法包括如下步骤：

Step1：获得污染物浓度预报数据；

Step2：对污染物浓度预报数据进行分层，获取指定层的污染物浓度值；

Step3：对指定层的污染物浓度值进行渲染，得到粒子的属性值；

Step4：对渲染后的相邻粒子间进行模糊平滑处理；

Step5：根据模糊平滑处理后的粒子的属性值，确定相应的大气散射模型同时得到指定层的粒子图像；

Step6：将粒子图像与卫星影像图像进行融合，得到包含污染物浓度信息的图像。

所述step1或step2中污染物浓度预报数据为：可吸入颗粒物PM10、二氧化硫SO2、一氧化氮NO、二氧化氮NO2、一氧化碳CO、臭氧O3的浓度预报数据。

所述污染物浓度预报数据的采集过程如下：

a：首先通过若干环境监测站点的自动检测设备采集空气污染物；

b：数据采集传输仪将自动检测设备采集的空气污染物数据进行A/D转换，转换后的数据，采用HJ/T212-2005国家环保总局数据传输标准通讯协议传输到监控中心的服务端；

c：监控中心服务端将接收到的数据处理后，送入空气质量预报计算模型系统；

d：通过空气质量预报计算模型系统对采集的空气污染物数据进行处理，得到污染物浓度数据。

所述step3中从粒子的位置，粒子的大小，粒子的颜色值及不透明度值来对污染物浓度进行渲染，具体如下：

a.粒子位置：相邻粒子间的间距相等，表示为d；

b.粒子大小

使用两种方法来形成雾的粒子大小：规则方法和随机方法。

(1)规则方法：即将每一浓度都对应一个固定的粒子大小，将粒子大小规定在范围内，根据浓度值的大小进行线性插值；

(2)随机方法：首先，计算浓度的最大值和最小值，最大值对应的粒子大小为最小值的五倍；其他粒子大小从两者之间的线性插值获得；

c.粒子颜色和不透明度

根据污染物的浓度值大小，利用映射函数得到每个浓度值对应的颜色值大小，粒子的颜色值和不透明度与浓度值相等；其中，x表示污染物浓度值，f(x)为相应的颜色值大小。

所述step4中模糊平滑处理的过程如下：

第一：标注边界点，已知粒子的位置即(x，y，z)，找出x，y，z方向上位置的最大值和最小值，将其标注为边界点，其中，x，y，z为粒子的三维坐标；

第二：将z值固定，找出边界点相应的x，y值，当内点(x，y，z)有8个邻点时，则