環境信息可視化表達的內容和方法

殷殿龍陳季徐洪恩黃秀英黃勝利張武，佳木斯大學 54007； ，佳木斯市環保局

環境信息可視化表達的內容和方法

殷殿龍1陳季1徐洪恩2黃秀英1黃勝利1張武11，佳木斯大學 154007； 2，佳木斯市環保局

環境管理的基礎是環境信息的管理，環境信息的可視化表達符合人類的認知規律，是環境信息管理和環境科學研究的有效地手段和方法。如何利用好GIS（Geographic information systems 地理信息系統）系統的可視化功能的關鍵在于確定環境信息可視化表達的內容和方法。文章從環境信息的處理深度和使用出發研究探索宜于環境信息可視化表達的內容及可采用的方法。

環境信息；可視化；內容；方法

1、引言

近年來國家政府對環境保護工作的高度重視并不斷加大資金的投入力度，省市級環境保護管理機構已經實現計算機辦公自動化、網絡化，環境監測設備得到進一步加強，很多機構建立起環境保護信息中心， 相當數量的市級機構建立起以GIS為信息管理平臺的環境管理信息系統。環境信息化的建設整合機構內部的信息資源，實現信息的共建和共享，加強部門之間的協同合作，提高工作效率和管理水平，同時GIS系統提供的可視化技術也為環境信息管理和環境科學的深入研究提供有效的工具。

環境信息可視化是建立在環境信息化基礎上的科學技術，它符合人類認知規律，可以幫助人們更好的理解信息，提高環境信息的管理能力和分析研究能力。在環境管理中應用可視化技術的條件已經具備。在實際工作中，如何充分利用以GIS系統進行的環境信息可視化表達，什么樣的環境信息宜于可視化表達，采用何種表達方式和方法是環境管理人員及環境研究人員需要解決的問題。 因此有必要在環境信息可視化的適用內容和方法進行研究探索。

2、科學可視化與環境信息可視化

2.1 科學可視化

20世紀80年代，美國自然科學基金會就圖形學、圖像處理及計算機科學等問題召開學術會議，指出世界將出現一個新興的技術領域，即科學可視化，并給出定義：借助計算機圖形學和圖像處理等技術，使用幾何圖形、紋理、透明度、對比度以及動畫技術等手段，將科學計算中產生的大量非直觀的、抽象的或者不可見的數據以圖形、圖像的形式，直觀、形象地表達出來，并交互處理的方法[1]。近年來科學可視化得到快速的發展。借助科學可視化，利用相關的計算機技術和方法，可以將大量不可視的信息轉化為人們容易理解的可進行交互分析的圖形、圖像、動畫等形式。有效地幫助研究者理解數據，發現數據中蘊含的規律，直觀地通過視覺，借助特定的工具對處理過程進行控制，提高數據處理的質量和效率。

2.2 環境信息可視化

環境信息是現實環境世界的反映，是客觀事物的存在及演變情況的反映，它包括環境保護領域的相關消息，報道和知識。其中環境要素信息是環境信息的主體和基礎，如大氣、水、土壤、植被、地貌、生態要素信息等，這些要素也是環境保護研究的重要對象，是環境監測的重要目標，這類環境信息不僅具有時間性，動態性而且都與地理空間位置相關，有明顯的空間特征。此類環境信息應屬于地理信息范疇，將這些非直觀、抽象的數據利用GIS系統提供的計算機圖形圖像處理技術使用幾何圖形、紋理、對比度及動畫等手段通過交互處理的方法以圖形、圖像的形式表達出來。這就是所謂的環境信息可視化。

3、環境信息可視化表達的內容

判斷環境信息可視化的適用內容應該從環境信息是否具有空間特征出發，基于GIS平臺進行可視化表達是在特定區域的地理空間內查詢、分析和顯示環境信息的分布，變化發展趨勢，和其它環境要素的關系和影響等可視化處理。環境信息的絕大部分是可以實現可視化表達。根據計算機處理的交互過程可以體現為過程性表達和結果表達。 過程性表達表現為在交互處理過程中對所處理的環境信息表現進展性規律的專注。結果表達表現為對經計算機交互處理后的結果專注。實際處理中我們將適宜可視化表達的環境信息根據環境管理機構的業務及環境信息的處理深度分為以下層次：

3.1 環境監測數據

環境監測數據是環境保護工作的重要數據支撐，它直接反應監測區域的環境質量狀況和發展趨勢，是環境管理機構重要的基礎性的業務數據，監測數據涉及大氣、水、固體廢物、噪聲、土壤、生態等方面的內容，這些內容可通過交互操作以圖形化的方式顯示。以環境空氣監測為例包括：大氣污染點源的空間分布圖，大氣自動監測點的空間分布位置圖、SO2、NO2、PM10區域分布狀況圖等。環境監測站可根據實時采集的數據更新數據庫和可視圖層進行管理。

3.2 實驗分析測定數據

此類數據是在實驗室內通過物理或化學的方法分析測定的。數據加工程度較深，如污染水質的常見污染物的檢測數據，酸雨采集樣本的測定，土壤重金屬的測定等。上述數據同樣易于圖形化顯示。

3.3 環境統計數據

按照國家環境保護部要求上報的環境統計數據。其中綜合報表中各地區工業污染排放及處理利用情況（環年綜1表）、各地區重點調查工業污染排放及處理利用情況（環年綜1-1表）各地區火電行業污染排放及處理利用情況、各地區危險廢物集中處置情況、各地區工業企業污染排放季報表等更易于分區統計方式的可視化表達。

3.4 環境決策支持數據

此類數據包括環境預測分析、環境評價分析、環境決策分析等數據，是專家通過成熟環境專業模型利用GIS的空間分析技術，綜合分析復雜環境要素的影響得出的環境決策數據。如區域有害氣體擴散的應急處理、建設項目的環境影響評價、環境規劃等。

3.5 環境信息發布數據

向社會公眾發布的日、季、年區域環境質量報告等。

4、環境信息可視化表達的方法

環境信息可視化表達的方法依賴于環境信息管理系統的功能。當前以GIS為平臺管理系統可視化表達功能可以實現交互式的可視化查詢，環境專題圖表達、趨勢與過程的動畫表達、遙感圖像與GIS圖形融合、三維GIS表達等多種方式方法。不同的環境信息處理內容和要求決定可視化表達的方式。通過對污染物的可視化研究實踐，我們總結出如下的目前適宜的環境信息的可視化方法。

4.1 環境專題地圖

4.1.1 定點符號法

采用不同形狀、顏色和大小的符號，表示各自獨立的各個物體的數量與質量特征的方法。常用來表達環境信息呈點狀分布狀況。有定性和定量兩種表達方法，如空氣自動監測站的布點，主要表現為站點的空間位置信息，是定性要素，用符號形狀與顏色表示其定性特征；燃煤鍋爐的分布狀況，定點符號應體現鍋爐排放煙塵的數量差異，用符號的大小表示數量指標，視個體數量差異的大小，可采用比率符號和非比率符號兩種。

4.1.2 等值線法

等值線可以顯示地面和空間連續分布且均勻漸變的現象，并能說明這種現象在地圖上任一點的數值和強度。通常用于表達大氣污染物的擴散，地表水污染物的擴散，土壤重金屬的分布等。擴展等值線也可以用于在一定時間內有時間變化的環境現象。如在突發有害化學氣體泄漏事故表達中注意用等值線的虛實，粗細和顏色表示控制線以安排人員疏散。

4.1.3 網格法

地圖網格法以網格為單元通過顏色或暈線表示事物數量和質量特征的方法。GIS的柵格數據模型更易于表現此類事物，柵格格網的像元值對應單元格位置上空間的現象特征 不僅計算效率高，還可以進行多種空間分析。現在除廣泛用于城市環境質量評價外，還用于項目選址分析、環境影響評價等。

4.1.4 范圍法

范圍法也稱區域法或面積法。表達專題要素在制圖區域內間斷而成片的分布范圍。范圍法能表示要素的質量特征和漸進性，一般不強調數量指標，有簡單明確的優點，如土壤類型的分布，某種動物的活動范圍，污染物的分布范圍等

4.1.5 統計圖法

分級統計圖法是在整個制圖區域的若干個小的區劃單位內（行政區劃或其它區劃單位）根據各資料的數量指標進行分級，并用相應的色級或紋理反應各區現象的集中程度或發展水平差別。因為此方法對資料要求不高，易于保密，故應用廣泛。缺點是不能反映區域內部的差異。常用于大氣。水、噪聲、土壤等要素質量，區域綜合質量等，是信息發布常用的方法。

4.2 動畫形式表達

可視化的環境信息除具有空間特征外，還具有時序特征，隨著時間的變化，環境要素也可能發生動態變化。如污染物出現，擴散，消失顯示污染物的變化趨勢，這種動態變化特性可以用利用計算機動畫連續和流動的時間特性來表達。不僅可以解釋環境變化過程，還能對環境要素和現象間的關系做出解釋，近而推斷未來的環境變化趨勢，給出合理的預測。動畫采用的時間尺度與所研究的對象及資料的時間深度相關，利用GIS的動畫技術可以通過交互操作的方式獲得任意時段的環境要素的變化過程。動畫表達方法是近年來常用的趨勢研究方法。

4.3 RS與GIS融合表達

遙感圖像用于環境監控在省級環境保護機構以得到應用如大氣環境質量，土壤及生態狀況等特定區域的衛星影像通過圖像的幾何糾正、投影變換、圖像增強和分類處理或可以和GIS中同區域環境要素圖層疊合在一起，進行多要素分析，增強了環境要素的直觀性，擴展了數據的來源渠道，提高了分析水平。

4.4 三維GIS表達

計算機計算能力的提升，寬帶網絡技術的發展及信息系統軟件功能的完善，促進了GIS三維顯示技術。通過城市遙感影像圖建筑物信息提取，GIS實現了虛擬城市景觀，并可以改變用戶的觀察視角。在此基礎上疊加用戶需要的環境信息，就可以真實的表達現實場景，為環境管理提供更高層次的可視工具

4.5 實時視頻表達

用實時監控視頻監控區域內重點污染源，顯示環境突發事件的現場狀況是環境管理的有效方法。目前GIS平臺無此項功能，但如有監控條件，可通過第三方軟件來實現。

5、結語

環境信息可視化的應用條件已經成熟，環境信息可視化的技術可以提供給環境管理者和研究者更直觀的，更符合人類認知規律的信息表達方式和方法。通過環境信息的構成研究證明大多數環境信息可利用可視化方式表達。不同內容的環境信息的處理要選擇不同的可視化方法。專題環境圖地圖仍然是環境管理和研究的主要方法，它與傳統的紙質環境地圖不同，是環境信息管理者與系統交互處理的結果，過程中包涵查詢，分析和處理的環節。動畫、RS與GIS的融合，三維GIS的可視化，實時的監控，虛擬現實的技術是環境信息可視化未來發展方向。

[1]秦耀辰. 地球信息科學引論[M].北京：科學出版社. 2004.2 502-504

[2]黃仁濤. 專題地圖的編制[M]. 武漢：武漢大學出版社 .2003.10 10-42

[3]歐竹斌. 環境制圖中數量特征的表達方法研究[J].地理科學 .1996.2

[4]科技部國家遙感中心. 地理信息系統與管理決策[M].北京：北京大學出版社. 2000.4

[5]Paul A.longleg. 張晶譯. 地理信息系統與科學[M].北京：機械工業出版社 . 2007.7

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.12.053

佳木斯大學科研項目 項目編號：L2007-78