紀 傳 波，周 建 中，馮 快 樂，張 余 龍

(1.華中科技大學 土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074； 2.數(shù)字流域科學與技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

“數(shù)字流域”是由“數(shù)字地球”結(jié)合水文流域的概念衍生提出的，是水利管理現(xiàn)代化的一個重要組成部分，涉及到流域水文地理信息的查詢、顯示和多媒體輸出[1]。其研究內(nèi)容是綜合處理流域的空間、地理、氣象、水文和歷史信息，應用模擬、顯示等技術(shù)手段，描述流域過去、現(xiàn)在和未來的各種行為，并為流域管理提供決策支持[2]。

發(fā)達國家“數(shù)字地球”研究起步相對較早，隨著計算機技術(shù)的逐步發(fā)展，基本實現(xiàn)了客戶端智能應用上的數(shù)字化、建模、系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實。盡管如此，由于在不同國家和地區(qū)的水系河流差異性很大，且水文水資源數(shù)據(jù)完整性也不盡完善，流域水資源的現(xiàn)代化管理仍然沒有被系統(tǒng)化的提出。21世紀初，張勇傳院士在“數(shù)字地球”研究的基礎(chǔ)上，以水文流域為切入點，提出了“數(shù)字流域”概念[3]。在國內(nèi)外研究學者不懈努力下，“數(shù)字流域”理論得到了長足發(fā)展，尤其是近年來水利信息化的快速推進，“互聯(lián)網(wǎng)+”理念也在不斷沖擊水利行業(yè)，無疑更加需要將計算機新技術(shù)應用到數(shù)字流域的建設(shè)中來。

隨著遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)及全球定位系統(tǒng)(GPS)[4]三項技術(shù)的日益融合、完善和成熟，流域信息可以被有效且較完整地提取，再通過數(shù)據(jù)模擬計算，可以進一步對水情災情進行仿真推演，以達到及時處理、及時管理的目的[5-8]。但傳統(tǒng)的數(shù)字流域GIS應用系統(tǒng)可擴展性較差、難以跨平臺使用，使得流域水資源管理中專業(yè)化仿真需求無法得到有效滿足并投入實際使用?；诟咚儆嬎銠C網(wǎng)絡(luò)的高精度、高仿真度流域仿真平臺則成為了流域水資源管理的重要技術(shù)支撐，其支持跨地域、跨終端訪問的互聯(lián)特性使其在數(shù)字流域領(lǐng)域得到了廣泛的應用。然而，現(xiàn)有WebGIS仿真技術(shù)難以對多元且海量的地理信息及系統(tǒng)應用數(shù)據(jù)進行合理管理，無法發(fā)揮GIS結(jié)合專業(yè)化業(yè)務的重要仿真作用。為此，本文綜合水動力學、計算機圖形學、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及多媒體技術(shù)等多項技術(shù)，在客戶端層面上優(yōu)化流域仿真模式，設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)，搭建了基于輕量級WebGIS技術(shù)的流域仿真平臺，實現(xiàn)了“數(shù)字流域”功能的高效呈現(xiàn)。本文重點圍繞水庫與河道模擬兩個流域仿真環(huán)節(jié)的模型建立與分析，以金沙江下游-三峽梯級水庫為研究對象，結(jié)合WebGIS技術(shù)對其相應的水庫及河道模擬仿真兩大模塊的業(yè)務需求進行設(shè)計與實現(xiàn)，探索并提出了計算機技術(shù)在水利信息化領(lǐng)域應用中流域虛擬仿真的多重應用場景功能方案，實現(xiàn)了庫群調(diào)度過程中河道沿程水面線和庫區(qū)淹沒實景的三維實時重現(xiàn)，構(gòu)建了大規(guī)模、高集成度的數(shù)字化流域仿真平臺體系。

1 WebGIS技術(shù)概述

WebGIS技術(shù)，顧名思義，是GIS技術(shù)在Web端的應用，即網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)。它以計算機網(wǎng)絡(luò)為載體，整合傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)和方法的技術(shù)，實現(xiàn)在Web客戶端的地理信息查詢、展示、編輯、管理與制圖輸出等工作任務[9-10]，其基本原理如圖1所示。

圖1 WebGIS原理框架Fig.1 Principle architecture of WebGIS

WebGIS的數(shù)據(jù)及服務通信是基于Internet的，極大地方便了大流域范圍的信息傳輸及分布式應用，避免了以C/S架構(gòu)執(zhí)行客戶端和服務端之間GIS交互的不便[11]。一方面隨著計算機前端技術(shù)的發(fā)展，以JavaScript語言為核心的WebGL編程模式使得二維屏幕能夠展示豐富圖形圖像，隨之涌現(xiàn)出了如Three.js、Cesium等優(yōu)秀開源的三維組件庫。Cesium將瓦片式的衛(wèi)星地圖及地形數(shù)據(jù)作為支撐，實現(xiàn)幾何圖形、建筑模型、區(qū)域渲染等信息的動態(tài)展示，在WebGIS中可以快速地構(gòu)建三維地球并實現(xiàn)基本功能。另一方面GIS與WebGL技術(shù)的結(jié)合，顯著提升了水利領(lǐng)域虛擬仿真能力。然而，由于GIS信息的數(shù)據(jù)海量性與多維異構(gòu)性，以及客戶端與Web服務器間網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，傳統(tǒng)的WebGIS平臺難以組建豐富的GIS基礎(chǔ)功能并合理構(gòu)建流域仿真模式，且仿真渲染效率不高，系統(tǒng)難以管理維護。為此，以計算機三維地球仿真技術(shù)為核心，采用Cesium豐富的API(應用程序接口)在客戶端搭建輕量級WebGIS架構(gòu)，直接讀取地理數(shù)據(jù)并快速渲染，同時將GIS數(shù)據(jù)與業(yè)務數(shù)據(jù)分布式存儲、多元化管理，實現(xiàn)流域水資源WebGIS系統(tǒng)三維仿真。圖2給出了流域仿真中涉及到的Cesium相關(guān)技術(shù)元素及相應渲染功能要求，該結(jié)構(gòu)基本涵蓋仿真平臺的實現(xiàn)方式。該平臺的主要技術(shù)流程為：以瓦片地圖分布式貼圖及地形高程構(gòu)建三維地球基礎(chǔ)，通過在場景內(nèi)加入幾何、實體、模型，再加入時間控制以實現(xiàn)動畫和渲染，達到三維場景虛擬仿真目的。此外，通過客戶端交互還可進行數(shù)據(jù)的實時顯示，實現(xiàn)信息呈現(xiàn)方式的多元化。

圖2 Cesium視圖層技術(shù)結(jié)構(gòu)Fig.2 View layer technology structure of Cesium

2 水庫及河道三維場景模擬建模方法

2.1 控制性水庫群調(diào)度模擬

大型流域往往涵蓋大量的控制性水庫形成水庫群，使得徑流失去了原有的天然特性，改變了時空分布及水文要素規(guī)律。水庫模擬包括水文過程還原還現(xiàn)、庫群調(diào)度規(guī)則提取與庫群模擬調(diào)度等模塊，前兩者業(yè)務流程可簡單通過圖表展示實現(xiàn)，在此不予詳述。庫群模擬調(diào)度模型按照從上游到下游的方式，逐級模擬上游各個水庫的運行狀態(tài)，再得到子流域出口斷面的流量過程，不僅可為河道模擬模型及庫群優(yōu)化調(diào)度模型提供邊界輸入，還可為分析上游水庫調(diào)蓄對下游重點水庫的影響提供參考。模擬模型的流程圖如圖3所示。

圖3 水庫群調(diào)度模擬流程圖Fig.3 Flow chart of reservoir group dispatch simulation

模擬過程需要的資料包括流域及水系拓撲圖、各水庫地理信息與運行參數(shù)、各水庫歷史水文數(shù)據(jù)等，經(jīng)過模擬演算得到不同調(diào)度周期和尺度下水庫入出庫流量過程，并虛擬再現(xiàn)其場景。

2.2 河道洪水演進模擬

在天然流域中，河水流動時空變化隨機，不易實現(xiàn)大流域范圍內(nèi)的河道流態(tài)監(jiān)測與水資源管理。目前發(fā)展成熟的一維水動力數(shù)值模擬方法，可用于建立河道洪水演進模型，在一定的精度要求前提下，略去了復雜詳細的河道地形及水文資料，能夠有效地模擬徑流過程以及洪水傳播等水文變化，為流域水資源管理的進一步分析提供了基礎(chǔ)。

一維水動力數(shù)學模型以斷面積分的連續(xù)性方程、斷面平均的時均Navier-Stokes方程(即圣維南方程)為基礎(chǔ)，如式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

式中：Q為流量，q為側(cè)向入流，A為過水面積，η為水位，R為水力半徑，n為曼寧系數(shù)，g為重力加速度，x為河道里程坐標，t為時間?；谝陨夏Ｐ停槍ρ芯苛饔蛑詈泳W(wǎng)，建立干流河段與支流河道的連接關(guān)系，對模型求解得到各河道沿程水面線及各斷面水位流量過程。

由以上流程可知，河道模擬過程需要的主要資料包括流域及水系拓撲圖、河流沿程斷面資料、河道地形資料、區(qū)間河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)、區(qū)間徑流水文數(shù)據(jù)、水文站與水電站水文數(shù)據(jù)等，經(jīng)過模擬演算得到河道沿程水位及流量數(shù)據(jù)。

由2.1節(jié)與本節(jié)模型流程與分析資料，得到如表1所列的水庫及河道仿真設(shè)計資料匯總。

表1 流域仿真資料匯總Tab.1 Watershed simulation data summary

3 流域仿真功能設(shè)計與實現(xiàn)

Cesium基本目標為實現(xiàn)三維地球渲染，將衛(wèi)星遙感影像文件發(fā)布為地圖服務后，直接加載到地球場景中使用，大視野的流域信息則以影像為載體進行展示。根據(jù)前述相關(guān)模型建立流程與資料，在研究流域?qū)嵕坝跋竦幕A(chǔ)上，對流域水文數(shù)據(jù)進行全范圍展示，并結(jié)合人機交互執(zhí)行相關(guān)業(yè)務流程，通過圖表、GIS要素、拓撲、動畫渲染等模式對水庫與河道模擬仿真方法進行設(shè)計。

3.1 流域基礎(chǔ)信息設(shè)計

流域范圍內(nèi)，針對水資源管理與流域仿真，一般涵蓋的基本信息有：流域范圍、水系河流、水電站、水文站、水位站等，在WebGIS平臺下，各部分均可控制顯示與否，也可在不同的影像縮放級別下控制顯示效果，且能夠針對用戶需求更新數(shù)據(jù)(包括地理位置及其屬性)并實時同步存儲，這些無疑是流域基礎(chǔ)信息管理的重要組成部分。在以上基本的流域地理要素基礎(chǔ)上，需輔以其相關(guān)屬性來豐富功能與展示效果，提供給用戶直觀的實時統(tǒng)計信息。其中流域范圍加入流域信息標簽，如流域名稱、流域氣象情況、流域范圍、涵蓋省份等；河流加入河流名、河流長度、河流級別等；站點加入名稱、流量、水位等信息。

此外，充分利用Cesium交互功能，結(jié)合Web開發(fā)中的圖表展示，還可集成更多的流域直觀信息，如流域各站點數(shù)據(jù)統(tǒng)計、流域水雨情過程分析等。經(jīng)過影像、拓撲圖層、數(shù)據(jù)標簽、交互操作、基本圖表等內(nèi)容的整合疊加，實現(xiàn)流域全信息沉浸式再現(xiàn)及流域模擬仿真全流程展示。與傳統(tǒng)GIS仿真應用不同，流域仿真輕量級WebGIS平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理與場景渲染的程序執(zhí)行機制如下：① 地理數(shù)據(jù)(包括地理要素Shp數(shù)據(jù)等)以文件形式存儲，客戶端對Shp數(shù)據(jù)直接解析并渲染到視圖；② 客戶端調(diào)用業(yè)務數(shù)據(jù)服務，獲取流域水文信息并展示；③ 用戶基于仿真視圖編輯更改地理要素，客戶端解析修改并更新Shp數(shù)據(jù)。

3.2 水庫模擬仿真設(shè)計

與3.1節(jié)中全信息平臺相類似，對其加入豐富的交互操作之后，則可進行水庫模擬仿真的流程設(shè)計。由于水庫模擬主要針對研究范圍內(nèi)的各上游水庫，于是可通過操作指定子流域、徑流區(qū)間以及模擬水庫，添加后通過顏色或形態(tài)變化予以區(qū)分。模擬過程中，對相應的徑流數(shù)據(jù)進行實時更新展示，指示模擬進程與效果。例如，對金沙江中游梯級水庫群進行模擬時，點選金沙江中游流域范圍，視角跳轉(zhuǎn)，流域內(nèi)水庫點(梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩?、觀音巖)閃爍顯示，選擇模擬水庫后點高亮并彈出相關(guān)參數(shù)以供計算。模擬計算完成后，在模擬水庫位置三維展示其模擬運行結(jié)果，進而實現(xiàn)對下游水庫運行影響的分析。水庫模擬仿真架構(gòu)流程如圖4所示。

圖4 水庫模擬仿真流程Fig.4 Reservoir simulation process

模擬完成后，還可對水庫進行三維展示，標識其模擬結(jié)果(即出庫流量)信息。此流程涉及到近景視圖的聚焦、三維模型加載與水域渲染等技術(shù)。其中建筑物的加載是輕量級WebGIS在三維仿真中比較重要的一環(huán)，通過影像及地形數(shù)據(jù)的加載能夠基本實現(xiàn)實景三維效果。尤其是針對三維建筑物，采用Cesium提供的模型加載方案，不僅可以將流域水工建筑物三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GLTF或BGLTF數(shù)據(jù)后使用，也可以加載具有Json描述的模型數(shù)據(jù)文件。

對建筑物模型的加載，關(guān)鍵在于調(diào)整模型的相對大小以及其坐標位置。以三峽大壩為例，需精準地將三維模型加載到對應位置并與衛(wèi)星影像重合，同時契合地形高程。模型加載完成后，為增加其渲染效果，還需對大壩上下游水域按不同流速進行渲染。效果如圖5所示。

圖5 水庫近景情景模擬效果Fig.5 Reservoir close scene simulation renderings

3.3 河道模擬仿真設(shè)計

河道仿真模擬的基礎(chǔ)為水動力學建模求解，依據(jù)河道仿真模擬展示需求，建模場景包括河道控制斷面地理坐標、剖面形狀、水位及流量等重要信息。河道模擬仿真的構(gòu)建圍繞以上數(shù)據(jù)信息展開，形成模擬仿真計算、河道斷面GIS交互、斷面水位動態(tài)模擬、沿程水面線動態(tài)模擬等主要模擬場景。仿真流程設(shè)計如圖6所示。

圖6 河道模擬仿真架構(gòu)Fig.6 River simulation architecture

在河道斷面GIS交互場景中數(shù)據(jù)量較大，一般將其數(shù)據(jù)信息存于數(shù)據(jù)庫中，由平臺向后臺服務發(fā)起請求以獲得使用。斷面水位動態(tài)模擬是在斷面剖面形狀的基礎(chǔ)上，以其剖面二維坐標點繪制斷面圖，再輔以實時水位繪制填充效果，跟隨模擬時間的變化實時變化水位值，實現(xiàn)斷面水位漲落的效果。沿程水面線動態(tài)模擬原理類似于斷面水位模擬，不同的是斷面形狀并非獲取所有斷面全部高程數(shù)據(jù)，而是獲取沿程所有斷面的高程最低點來構(gòu)建沿程斷面縱切剖面形狀圖以模擬河床的二維效果，再繪制各個斷面相應水位的連線序列，實現(xiàn)沿程水面線效果。同時，模擬圖內(nèi)還可根據(jù)控制斷面點號標注主要站點信息、根據(jù)水庫特征水位或其他信息標注特征線等。斷面水位動態(tài)模擬效果如圖7所示，沿程水面線模擬效果如圖8所示。

圖7 斷面水位動態(tài)模擬效果Fig.7 Dynamic simulation effect of section water level

圖8 沿程水面線模擬效果Fig.8 Simulation effect of water surface line along river

3.4 流域仿真平臺集成

在水庫和河道模擬仿真設(shè)計基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了河道洪水演進和庫區(qū)淹沒分析兩個專業(yè)化仿真業(yè)務，并將其分體系集成為流域仿真功能全信息平臺，實現(xiàn)了流域仿真中的水文水資源信息管理和水庫、河道模擬仿真模型計算功能。用戶可在客戶端GIS環(huán)境中流暢地瀏覽和查詢調(diào)度運行和流域水情災情仿真模擬結(jié)果。平臺架構(gòu)如圖9所示。

圖9 流域仿真全信息平臺架構(gòu)示意Fig.9 Architecture of full information platform in river basin simulation

配合業(yè)務設(shè)計架構(gòu)，平臺代碼組織結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 流域仿真平臺程序組織結(jié)構(gòu)Fig.10 Program organization structure of river basin simulation platform

4 全景模擬業(yè)務設(shè)計與應用

結(jié)合水庫模擬和河道模擬結(jié)果，可進一步進行河道洪水傳播與庫區(qū)淹沒分析等專業(yè)應用場景的構(gòu)建，前者主要模擬展示場次洪水在全流域范圍內(nèi)的傳播過程及流域各水庫調(diào)度過程，后者以移民線作為參考，實景分析流域模擬河道的淹沒情況并提供主要站點的預警信息。二者的配合使用，能夠有效地模擬流域范圍內(nèi)洪水傳播、庫群調(diào)度過程、庫區(qū)淹沒等實際應用情景，為水庫調(diào)度運行過程中水情、災情處置提供指導。

4.1 河道洪水演進可視化方法

河道洪水演進過程模擬是結(jié)合水庫模擬模型和河道模擬模型，將流域內(nèi)某一場次洪水在關(guān)鍵河道(一般為研究河段)的傳播過程進行動態(tài)模擬，并同步展示傳播過程中水庫調(diào)度過程、沿程主要斷面水位和流量信息。模擬流程為：① 加載場次洪水模擬結(jié)果方案，將全河段干支流的流量過程動態(tài)顯示，以不同的顏色區(qū)分流量的大小，并通過效果圖顯示關(guān)鍵水庫的水位及出入庫流量過程；② 點擊河道上關(guān)注點，展示該河道斷面的流量信息，并以圖形展示其模擬時段流量過程。模擬效果如圖11所示，河道顏色深淺表示流量大小，且選取了斷面號為45和132兩個斷面作為觀測點查看其流量過程。

圖11 洪水演進場景效果Fig.11 Rendering of flood evolution scene

其中，河道由模擬河段所有斷面的區(qū)域面積構(gòu)成，使用ArcGIS工具處理，主要流程如下：

(1) 將斷面坐標數(shù)據(jù)導入到ArcMap中，生成所有斷面左右岸點要素Shp數(shù)據(jù)；

(2) 依次分別連接所有斷面左右岸的點，生成斷面線Shp數(shù)據(jù)；

(3) 依據(jù)河流線圖層與衛(wèi)星影像底圖，手動勾繪概化河道左右岸線要素，并將研究河段首尾左右岸連接，使得河段能夠形成閉合面要素；

(4) 將所有斷面線要素延伸至概化河道左右岸邊界，一一生成斷面區(qū)域封閉線要素；

(5) 線要素轉(zhuǎn)換為面要素，生成所有斷面區(qū)域面Shp數(shù)據(jù)；

(6) 依次檢查所有斷面屬性中編號是否正確，若有誤則修正。

4.2 庫區(qū)淹沒可視化方法

庫區(qū)淹沒分析主要針對不同河道模擬邊界輸入情景、水庫壩前不同水位及上游來水條件下，庫區(qū)河道沿程淹沒情況，并與沿程移民遷移線進行對比分析，提供類似于河道模擬功能中沿程水面線查看的方式和水情預警，用于專業(yè)淹沒場景應用分析。模擬流程為：① 加載庫區(qū)全河道斷面水位數(shù)據(jù)，根據(jù)水位高度繪制斷面區(qū)域水域；② 根據(jù)關(guān)鍵站點斷面位置求取水位與移民線差值，生成水位示意標簽；③ 依照安全水位限度要求，更新所有站點標簽顏色，用不同顏色區(qū)分水情風險。

其中，河道斷面Shp數(shù)據(jù)處理與4.1節(jié)處理流程基本類似，不同之處在于需進一步將各個斷面區(qū)域的邊界連接點只保留四邊形4個頂點，并對邊界上下游關(guān)系進行調(diào)整，便于水域渲染時進行區(qū)域繪制，調(diào)整算法流程如圖12所示。水域渲染過程主要應用到Cesium內(nèi)置的Primitive幾何對象，設(shè)置水紋波動幅度、波動頻率以及波紋數(shù)量為紋理動態(tài)地添加時鐘參數(shù)，以實現(xiàn)水面動態(tài)波紋效果。此外，由于移民線數(shù)據(jù)通常只提供庫尾沿程部分站點位置的移民線數(shù)據(jù)值，因此移民線的Shp數(shù)據(jù)需通過地形等高線進行提取，提取流程如圖13所示。當然，該提取方法存在一定誤差，在各站點等高線連接環(huán)節(jié)產(chǎn)生，由已知站點間距決定誤差大小。且在數(shù)據(jù)加載時，為避免折點過多降低加載效率以及渲染性能，采取了每隔10個點取一個數(shù)據(jù)的方式進行處理。實踐證明，對于長河道而言，上述二者對仿真效果的影響可忽略不計。

全河段場景模擬效果如圖14所示，點擊站點標簽，可以縮放到當前站點視角，能夠細節(jié)化該站淹沒場景，如圖15所示。

圖14 庫區(qū)淹沒全河段概覽Fig.14 Overview of inundation of entire reach in the reservoir area

圖15 庫區(qū)淹沒分析站點近景圖Fig.15 The station close-up view in the reservoir area inundation analysis

5 結(jié) 語

本文以流域仿真中水庫模擬、河道模擬兩個環(huán)節(jié)作為核心業(yè)務，提出了輕量級WebGIS流域仿真平臺技術(shù)方案，解決了Web端仿真系統(tǒng)對龐雜GIS空間數(shù)據(jù)加載調(diào)用和管理維護的難題，合理地設(shè)計了流域仿真平臺的功能體系以及洪水演進模擬、庫區(qū)淹沒分析兩個專業(yè)功能場景，搭建了業(yè)務完善且性能突出的客戶端流域仿真平臺架構(gòu)，并同步進行了編碼實現(xiàn)及仿真邏輯優(yōu)化，顯著提高了系統(tǒng)響應性能和用戶交互體驗。設(shè)計模式已經(jīng)集成到長江三峽梯調(diào)中心“金沙江下游-三峽梯級電站水資源管理決策支持系統(tǒng)”并部署應用，通過專業(yè)且直觀的GIS操作體系頁面，為流域仿真的功能設(shè)計、架構(gòu)體系、技術(shù)實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)提供了參考。