盧家波，向小華，李 超，王志偉

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

模型作為水文研究工具的重要性已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，針對水文過程的每個環(huán)節(jié)目前已經(jīng)發(fā)展了大量模型?！皵?shù)字流域”的目標(biāo)是采用數(shù)字化手段刻畫整個流域，在此基礎(chǔ)上模擬流域水文現(xiàn)象、預(yù)測水文行為、揭示水文規(guī)律、最終服務(wù)于流域管理[1-2]。在現(xiàn)代信息技術(shù)基礎(chǔ)上，對支撐流域水文多過程模型耦合互饋機(jī)制的數(shù)字流域體系和方法的研究，必將促進(jìn)流域水文過程的研究，也能更好地促進(jìn)“數(shù)字流域”這一理念的實踐與完善。

由于水文模型所需要的大量信息本質(zhì)上都與時間和空間相關(guān)，因此現(xiàn)代GIS成了水文模型資料管理、分析以及存儲的最佳工具[3-4]。隨著分布式水文模型的發(fā)展，GIS與水文模型的緊密集成受到關(guān)注[5-7]。理論層面上，王船海等[8]在其構(gòu)建的雙對象結(jié)構(gòu)中引入共享體，解決水文模型與GIS對象數(shù)據(jù)交換效率低的問題。Bhatt等[9]開發(fā)出GIS與分布式水文模型耦合框架，提高模型數(shù)據(jù)集成程度。應(yīng)用層面上，Bruins等[10]基于GIS建立水文模型估計古農(nóng)業(yè)梯田的徑流量；Rahmati等[11]提出子流域自動精確劃分GIS工具；朱亮等[12]運用GIS技術(shù)研究面源污染控制方案；李蘭等[13]利用DEM、土地利用等地理信息數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字流域水文模型，增強(qiáng)了模型的實用性。水文模型和GIS結(jié)合能極大提高模型的效率和精度，因此也能夠提高水文研究和決策的能力[14-17]。

水文模型和GIS耦合面臨的一個最大難題是雙方之間的數(shù)據(jù)傳遞和交換。模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是根據(jù)模型自身的需要而設(shè)計的，與GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不一致；GIS采用通用的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，無法適應(yīng)水文模型的需求。以ArcGIS系統(tǒng)為例，雖然其在地理相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但其相對封閉的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使之很難做到與水文模型緊密耦合，只能作為水文模型的前后處理工具[18-21]。從水文模型的角度出發(fā)，如果模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠完全融入ArcGIS等地理信息系統(tǒng)軟件中，使得模型和GIS完全集成，實現(xiàn)最高效率和最優(yōu)分析方式，將會有力推動水文模型的發(fā)展和應(yīng)用[22-23]。

本文的目標(biāo)是實現(xiàn)以ArcGIS為平臺的水文模型通用地理數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，研究以模型數(shù)據(jù)視角為核心的GIS通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)不同尺度和維度下的模型地理數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化接口，以ArcGIS平臺兼容任意水文模型數(shù)據(jù)為目標(biāo)，支撐模型的顯示、建模、運行、分析和結(jié)果展示。

1 問題的提出

水文模型地理數(shù)據(jù)能夠無縫接入GIS平臺，并被有效管理是實現(xiàn)數(shù)字流域模型框架的首要條件。然而，由于水文模型和GIS各自的研究領(lǐng)域目標(biāo)不同，兩者之間均不能較好地適應(yīng)對方的需求，存在時空特征問題和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題[24]。一方面，水文模型需要從反演過去到預(yù)報未來，是了解水文過程的連續(xù)時序模型，其模型地理拓?fù)浔磉_(dá)因人而異，不具有標(biāo)準(zhǔn)性；而另一方面，雖然GIS具有水文模型所需的存儲、顯示及分析地理資料的能力，但幾乎所有的GIS都不是專為時序模型設(shè)計的，多數(shù)只能用來分析靜態(tài)過程而不符合水文模型的需求。

一個較復(fù)雜的水文模型地理數(shù)據(jù)常由多種類型地理單元按照一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合。以子流域型水文模型為例，其地理數(shù)據(jù)就包括一定數(shù)量的多邊形子流域和折線構(gòu)成的河道，每個子流域包含一條河道，而子流域之間又按照上下游關(guān)系形成固定匯流順序。流域中還存在堤線、湖庫、河道地形區(qū)域等復(fù)雜地理對象，它們內(nèi)部有著自身特定的拓?fù)潢P(guān)系。常規(guī)方法采用一般GIS軟件中既有圖層之間的組合來代表模型的地理數(shù)據(jù)，如在ArcGIS中分別采用一個面圖層和一個線圖層來表達(dá)子流域型水文模型的地理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間上下游拓?fù)潢P(guān)系采用復(fù)雜的字段關(guān)聯(lián)加以維護(hù)。然而，這種地理數(shù)據(jù)管理方式存在兩個問題：一是水文模型的地理數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系往往由模型編制人員按照某種方式固定下來，模型自身無法控制GIS圖層；二是GIS中圖形的增刪將導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系錯亂，當(dāng)模型復(fù)雜時維護(hù)對應(yīng)關(guān)系極其困難。

2 解決方法

2.1 自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)水文模型中地形、子流域、河道、站網(wǎng)、湖庫、堤線等地理數(shù)據(jù)的一體化，本文自定義GIS兼容的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)GIS中的地理數(shù)據(jù)與模型中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一致化。首先，利用GIS對地理數(shù)據(jù)進(jìn)行計算單元劃分、流域水文特征提取、模型參數(shù)獲取及空間分析等預(yù)處理工作，再以自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將多圖層單對象管理方式發(fā)展為單圖層多對象管理方式。這種方式既處理了復(fù)雜對象的拓?fù)潢P(guān)系，實現(xiàn)對地理數(shù)據(jù)的操作即是對模型對象的修改，又充分利用了GIS在流域劃分、空間分析等方面的優(yōu)勢。自定義GIS兼容的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 自定義GIS兼容的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 模型地理接口及組件設(shè)計

流域水文模型中，子流域和河道作為基本單元不可再細(xì)分，可以理解為GIS中簡單的子對象；整體流域在對象的特征之外還需要包容子流域與河道，為集合對象，形成“集合-子對象”拓?fù)潢P(guān)系。可以將子對象定義為簡單對象，其組件接口應(yīng)具有唯一標(biāo)識符、名稱、地形坐標(biāo)、參數(shù)獲取/設(shè)置等特性和操作；集合對象除了具有簡單對象的特征外，還應(yīng)具有一個集合接口管理子對象；所有的對象都應(yīng)該實現(xiàn)微軟標(biāo)準(zhǔn)序列化接口方便存取。模型地理對象通用接口和組件設(shè)計見圖2。

圖2 模型地理對象通用接口和組件設(shè)計

2.3 數(shù)字流域模型框架體系構(gòu)建

在定義通用地理數(shù)據(jù)接口后，在邏輯上具備實現(xiàn)GIS與模型完全集成的可能，但實現(xiàn)目標(biāo)還需要有一個數(shù)字流域平臺實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)錄入、模型地理數(shù)據(jù)顯示、動靜態(tài)計算過程渲染、結(jié)果查詢與輸出、通用輔助組件服務(wù)等頂層功能。以ArcGIS平臺為例，由于平臺沒有直接支持自定義數(shù)據(jù)的顯示模塊，因此需要構(gòu)建平臺對自定義數(shù)據(jù)的顯示以及渲染模塊。大多數(shù)GIS平臺都以圖層為基本的顯示單元，在分析ArcGIS平臺的圖層顯示方法后，首先可以設(shè)計一個自定義的圖層來容納任意類型的模型地理數(shù)據(jù)，并建立地理數(shù)據(jù)渲染模塊；然后將圖層加入ArcGIS平臺中接受平臺的管理和渲染。此設(shè)計應(yīng)作為數(shù)字流域模型框架的通用功能，模型編制人員采用較簡單的方法即可直接復(fù)用。自定義圖層及渲染器設(shè)計如圖3所示。

圖3 自定義圖層及渲染器設(shè)計

3 數(shù)字流域平臺示例

分析ArcGIS平臺關(guān)于組件容納、管理、通信控制的框架，研究能夠在GIS平臺下對未知多過程模型組件進(jìn)行統(tǒng)一管理、裝配、結(jié)果存儲與展示的數(shù)字流域平臺，并建立不從屬于模型的部分通用組件，如水文站網(wǎng)管理組件、水文序列管理組件、自定義模型可視化渲染組件等，方便外部模型組件直接應(yīng)用，最終建立支撐模型互饋機(jī)制的數(shù)字流域模型自由擴(kuò)展框架。以位于浙江省建德市的壽昌江流域作為示例。

3.1 ArcGIS地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在ArcGIS中，將該流域劃分為若干子流域，并利用工具提取河道。子流域劃分及河道提取結(jié)果見圖4。

圖4 壽昌江流域示意圖

打開子流域和子河道圖層屬性表，可以看到該流域的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，見圖5。

(a) 子流域?qū)傩员?/p>

子流域和子河道都采用下游標(biāo)識符NextDownID構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系，并在子河道屬性表中添加流域標(biāo)識符GridID記錄該子河道所屬流域。ArcGIS地理數(shù)據(jù)管理方式存在兩個問題：一是水文模型的地理數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系按照字段關(guān)聯(lián)方式固定下來，模型自身無法控制GIS圖層；二是GIS中圖形的增刪將導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系錯亂，當(dāng)模型復(fù)雜時維護(hù)對應(yīng)關(guān)系極其困難。

3.2 數(shù)字流域水文模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在水文模型中，通常將一個大流域劃分成多個子流域，分塊計算出流過程再匯總。為了滿足數(shù)字流域的構(gòu)建需求，以面向?qū)ο蟮乃枷?，將ArcGIS地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為數(shù)字流域水文模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把子流域內(nèi)地形、河道、站網(wǎng)等數(shù)據(jù)作為一個整體對象，方便水文建模和數(shù)據(jù)管理，有效解決GIS與水文模型耦合中存在的問題。水文模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 數(shù)字流域水文模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 語

為實現(xiàn)數(shù)字流域體系下的流域綜合過程模擬，針對GIS與水文模型耦合存在的時空特征和拓?fù)潢P(guān)系不相匹配這兩個具體問題，提出了自定義GIS兼容的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過分析目前水文、水動力、地下水等模型的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提煉了各模型內(nèi)部地理數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系，探討了采用軟件工程中的組件“包容”“聚合”等技術(shù)構(gòu)建“集合-子對象”包容關(guān)系的模型地理數(shù)據(jù)表達(dá)方法，結(jié)合ArcGIS組件框架抽象出模型地理對象接口，可實現(xiàn)以ArcGIS為平臺的水文模型通用地理數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。