紀(jì) 傳 波，周 建 中，馮 快 樂(lè)，張 余 龍

(1.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.數(shù)字流域科學(xué)與技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)重要組成部分，涉及到流域水文地理信息的查詢(xún)、顯示和多媒體輸出[1]。其研究?jī)?nèi)容是綜合處理流域的空間、地理、氣象、水文和歷史信息，應(yīng)用模擬、顯示等技術(shù)手段，描述流域過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的各種行為，并為流域管理提供決策支持[2]。

發(fā)達(dá)國(guó)家“數(shù)字地球”研究起步相對(duì)較早，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐步發(fā)展，基本實(shí)現(xiàn)了客戶(hù)端智能應(yīng)用上的數(shù)字化、建模、系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)。盡管如此，由于在不同國(guó)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(méi)有被系統(tǒng)化的提出。21世紀(jì)初，張勇傳院士在“數(shù)字地球”研究的基礎(chǔ)上，以水文流域?yàn)榍腥朦c(diǎn)，提出了“數(shù)字流域”概念[3]。在國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者不懈努力下，“數(shù)字流域”理論得到了長(zhǎng)足發(fā)展，尤其是近年來(lái)水利信息化的快速推進(jìn)，“互聯(lián)網(wǎng)+”理念也在不斷沖擊水利行業(yè)，無(wú)疑更加需要將計(jì)算機(jī)新技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字流域的建設(shè)中來(lái)。

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(xiàng)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(guò)數(shù)據(jù)模擬計(jì)算，可以進(jìn)一步對(duì)水情災(zāi)情進(jìn)行仿真推演，以達(dá)到及時(shí)處理、及時(shí)管理的目的[5-8]。但傳統(tǒng)的數(shù)字流域GIS應(yīng)用系統(tǒng)可擴(kuò)展性較差、難以跨平臺(tái)使用，使得流域水資源管理中專(zhuān)業(yè)化仿真需求無(wú)法得到有效滿(mǎn)足并投入實(shí)際使用?；诟咚儆?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的高精度、高仿真度流域仿真平臺(tái)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(fǎng)問(wèn)的互聯(lián)特性使其在數(shù)字流域領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，現(xiàn)有WebGIS仿真技術(shù)難以對(duì)多元且海量的地理信息及系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行合理管理，無(wú)法發(fā)揮GIS結(jié)合專(zhuān)業(yè)化業(yè)務(wù)的重要仿真作用。為此，本文綜合水動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及多媒體技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，在客戶(hù)端層面上優(yōu)化流域仿真模式，設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，搭建了基于輕量級(jí)WebGIS技術(shù)的流域仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了“數(shù)字流域”功能的高效呈現(xiàn)。本文重點(diǎn)圍繞水庫(kù)與河道模擬兩個(gè)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(jí)水庫(kù)為研究對(duì)象，結(jié)合WebGIS技術(shù)對(duì)其相應(yīng)的水庫(kù)及河道模擬仿真兩大模塊的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，探索并提出了計(jì)算機(jī)技術(shù)在水利信息化領(lǐng)域應(yīng)用中流域虛擬仿真的多重應(yīng)用場(chǎng)景功能方案，實(shí)現(xiàn)了庫(kù)群調(diào)度過(guò)程中河道沿程水面線(xiàn)和庫(kù)區(qū)淹沒(méi)實(shí)景的三維實(shí)時(shí)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(tái)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(yīng)用，即網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)。它以計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)在Web客戶(hù)端的地理信息查詢(xún)、展示、編輯、管理與制圖輸出等工作任務(wù)[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(wù)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(yīng)用，避免了以C/S架構(gòu)執(zhí)行客戶(hù)端和服務(wù)端之間GIS交互的不便[11]。一方面隨著計(jì)算機(jī)前端技術(shù)的發(fā)展，以JavaScript語(yǔ)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(kāi)源的三維組件庫(kù)。Cesium將瓦片式的衛(wèi)星地圖及地形數(shù)據(jù)作為支撐，實(shí)現(xiàn)幾何圖形、建筑模型、區(qū)域渲染等信息的動(dòng)態(tài)展示，在WebGIS中可以快速地構(gòu)建三維地球并實(shí)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(hù)端與Web服務(wù)器間網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，傳統(tǒng)的WebGIS平臺(tái)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(hù)。為此，以計(jì)算機(jī)三維地球仿真技術(shù)為核心，采用Cesium豐富的API(應(yīng)用程序接口)在客戶(hù)端搭建輕量級(jí)WebGIS架構(gòu)，直接讀取地理數(shù)據(jù)并快速渲染，同時(shí)將GIS數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)、多元化管理，實(shí)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(yīng)渲染功能要求，該結(jié)構(gòu)基本涵蓋仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方式。該平臺(tái)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(guò)在場(chǎng)景內(nèi)加入幾何、實(shí)體、模型，再加入時(shí)間控制以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)和渲染，達(dá)到三維場(chǎng)景虛擬仿真目的。此外，通過(guò)客戶(hù)端交互還可進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，實(shí)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(kù)及河道三維場(chǎng)景模擬建模方法

2.1 控制性水庫(kù)群調(diào)度模擬

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

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

模擬過(guò)程需要的資料包括流域及水系拓?fù)鋱D、各水庫(kù)地理信息與運(yùn)行參數(shù)、各水庫(kù)歷史水文數(shù)據(jù)等，經(jīng)過(guò)模擬演算得到不同調(diào)度周期和尺度下水庫(kù)入出庫(kù)流量過(guò)程，并虛擬再現(xiàn)其場(chǎng)景。

2.2 河道洪水演進(jìn)模擬

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

一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型以斷面積分的連續(xù)性方程、斷面平均的時(shí)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(guò)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(biāo)，t為時(shí)間?；谝陨夏Ｐ停槍?duì)研究流域枝狀河網(wǎng)，建立干流河段與支流河道的連接關(guān)系，對(duì)模型求解得到各河道沿程水面線(xiàn)及各斷面水位流量過(guò)程。

由以上流程可知，河道模擬過(guò)程需要的主要資料包括流域及水系拓?fù)鋱D、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(guò)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(kù)及河道仿真設(shè)計(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

Cesium基本目標(biāo)為實(shí)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(wù)后，直接加載到地球場(chǎng)景中使用，大視野的流域信息則以影像為載體進(jìn)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(duì)流域水文數(shù)據(jù)進(jìn)行全范圍展示，并結(jié)合人機(jī)交互執(zhí)行相關(guān)業(yè)務(wù)流程，通過(guò)圖表、GIS要素、拓?fù)?、?dòng)畫(huà)渲染等模式對(duì)水庫(kù)與河道模擬仿真方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 流域基礎(chǔ)信息設(shè)計(jì)

流域范圍內(nèi)，針對(duì)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(tái)下，各部分均可控制顯示與否，也可在不同的影像縮放級(jí)別下控制顯示效果，且能夠針對(duì)用戶(hù)需求更新數(shù)據(jù)(包括地理位置及其屬性)并實(shí)時(shí)同步存儲(chǔ)，這些無(wú)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(lái)豐富功能與展示效果，提供給用戶(hù)直觀的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)信息。其中流域范圍加入流域信息標(biāo)簽，如流域名稱(chēng)、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(zhǎng)度、河流級(jí)別等；站點(diǎn)加入名稱(chēng)、流量、水位等信息。

此外，充分利用Cesium交互功能，結(jié)合Web開(kāi)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(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、流域水雨情過(guò)程分析等。經(jīng)過(guò)影像、拓?fù)鋱D層、數(shù)據(jù)標(biāo)簽、交互操作、基本圖表等內(nèi)容的整合疊加，實(shí)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(yīng)用不同，流域仿真輕量級(jí)WebGIS平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理與場(chǎng)景渲染的程序執(zhí)行機(jī)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(chǔ)，客戶(hù)端對(duì)Shp數(shù)據(jù)直接解析并渲染到視圖；② 客戶(hù)端調(diào)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)，獲取流域水文信息并展示；③ 用戶(hù)基于仿真視圖編輯更改地理要素，客戶(hù)端解析修改并更新Shp數(shù)據(jù)。

3.2 水庫(kù)模擬仿真設(shè)計(jì)

與3.1節(jié)中全信息平臺(tái)相類(lèi)似，對(duì)其加入豐富的交互操作之后，則可進(jìn)行水庫(kù)模擬仿真的流程設(shè)計(jì)。由于水庫(kù)模擬主要針對(duì)研究范圍內(nèi)的各上游水庫(kù)，于是可通過(guò)操作指定子流域、徑流區(qū)間以及模擬水庫(kù)，添加后通過(guò)顏色或形態(tài)變化予以區(qū)分。模擬過(guò)程中，對(duì)相應(yīng)的徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新展示，指示模擬進(jìn)程與效果。例如，對(duì)金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)群進(jìn)行模擬時(shí)，點(diǎn)選金沙江中游流域范圍，視角跳轉(zhuǎn)，流域內(nèi)水庫(kù)點(diǎn)(梨園、阿海、金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩?、觀音巖)閃爍顯示，選擇模擬水庫(kù)后點(diǎn)高亮并彈出相關(guān)參數(shù)以供計(jì)算。模擬計(jì)算完成后，在模擬水庫(kù)位置三維展示其模擬運(yùn)行結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)下游水庫(kù)運(yùn)行影響的分析。水庫(kù)模擬仿真架構(gòu)流程如圖4所示。

圖4 水庫(kù)模擬仿真流程Fig.4 Reservoir simulation process

模擬完成后，還可對(duì)水庫(kù)進(jìn)行三維展示，標(biāo)識(shí)其模擬結(jié)果(即出庫(kù)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(jí)WebGIS在三維仿真中比較重要的一環(huán)，通過(guò)影像及地形數(shù)據(jù)的加載能夠基本實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維效果。尤其是針對(duì)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(duì)建筑物模型的加載，關(guān)鍵在于調(diào)整模型的相對(duì)大小以及其坐標(biāo)位置。以三峽大壩為例，需精準(zhǔn)地將三維模型加載到對(duì)應(yīng)位置并與衛(wèi)星影像重合，同時(shí)契合地形高程。模型加載完成后，為增加其渲染效果，還需對(duì)大壩上下游水域按不同流速進(jìn)行渲染。效果如圖5所示。

圖5 水庫(kù)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(jì)

河道仿真模擬的基礎(chǔ)為水動(dòng)力學(xué)建模求解，依據(jù)河道仿真模擬展示需求，建模場(chǎng)景包括河道控制斷面地理坐標(biāo)、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(kāi)，形成模擬仿真計(jì)算、河道斷面GIS交互、斷面水位動(dòng)態(tài)模擬、沿程水面線(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬等主要模擬場(chǎng)景。仿真流程設(shè)計(jì)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(chǎng)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(kù)中，由平臺(tái)向后臺(tái)服務(wù)發(fā)起請(qǐng)求以獲得使用。斷面水位動(dòng)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(biāo)點(diǎn)繪制斷面圖，再輔以實(shí)時(shí)水位繪制填充效果，跟隨模擬時(shí)間的變化實(shí)時(shí)變化水位值，實(shí)現(xiàn)斷面水位漲落的效果。沿程水面線(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬原理類(lèi)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(diǎn)來(lái)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(gè)斷面相應(yīng)水位的連線(xiàn)序列，實(shí)現(xiàn)沿程水面線(xiàn)效果。同時(shí)，模擬圖內(nèi)還可根據(jù)控制斷面點(diǎn)號(hào)標(biāo)注主要站點(diǎn)信息、根據(jù)水庫(kù)特征水位或其他信息標(biāo)注特征線(xiàn)等。斷面水位動(dòng)態(tài)模擬效果如圖7所示，沿程水面線(xiàn)模擬效果如圖8所示。

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

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

3.4 流域仿真平臺(tái)集成

在水庫(kù)和河道模擬仿真設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了河道洪水演進(jìn)和庫(kù)區(qū)淹沒(méi)分析兩個(gè)專(zhuān)業(yè)化仿真業(yè)務(wù)，并將其分體系集成為流域仿真功能全信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了流域仿真中的水文水資源信息管理和水庫(kù)、河道模擬仿真模型計(jì)算功能。用戶(hù)可在客戶(hù)端GIS環(huán)境中流暢地瀏覽和查詢(xún)調(diào)度運(yùn)行和流域水情災(zāi)情仿真模擬結(jié)果。平臺(tái)架構(gòu)如圖9所示。

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

配合業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)架構(gòu)，平臺(tái)代碼組織結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 流域仿真平臺(tái)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(wù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

結(jié)合水庫(kù)模擬和河道模擬結(jié)果，可進(jìn)一步進(jìn)行河道洪水傳播與庫(kù)區(qū)淹沒(méi)分析等專(zhuān)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的構(gòu)建，前者主要模擬展示場(chǎng)次洪水在全流域范圍內(nèi)的傳播過(guò)程及流域各水庫(kù)調(diào)度過(guò)程，后者以移民線(xiàn)作為參考，實(shí)景分析流域模擬河道的淹沒(méi)情況并提供主要站點(diǎn)的預(yù)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(kù)群調(diào)度過(guò)程、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)等實(shí)際應(yīng)用情景，為水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行過(guò)程中水情、災(zāi)情處置提供指導(dǎo)。

4.1 河道洪水演進(jìn)可視化方法

河道洪水演進(jìn)過(guò)程模擬是結(jié)合水庫(kù)模擬模型和河道模擬模型，將流域內(nèi)某一場(chǎng)次洪水在關(guān)鍵河道(一般為研究河段)的傳播過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并同步展示傳播過(guò)程中水庫(kù)調(diào)度過(guò)程、沿程主要斷面水位和流量信息。模擬流程為：① 加載場(chǎng)次洪水模擬結(jié)果方案，將全河段干支流的流量過(guò)程動(dòng)態(tài)顯示，以不同的顏色區(qū)分流量的大小，并通過(guò)效果圖顯示關(guān)鍵水庫(kù)的水位及出入庫(kù)流量過(guò)程；② 點(diǎn)擊河道上關(guān)注點(diǎn)，展示該河道斷面的流量信息，并以圖形展示其模擬時(shí)段流量過(guò)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(hào)為45和132兩個(gè)斷面作為觀測(cè)點(diǎn)查看其流量過(guò)程。

圖11 洪水演進(jìn)場(chǎng)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(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcMap中，生成所有斷面左右岸點(diǎn)要素Shp數(shù)據(jù)；

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

(3) 依據(jù)河流線(xiàn)圖層與衛(wèi)星影像底圖，手動(dòng)勾繪概化河道左右岸線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)要素；

(5) 線(xiàn)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(hào)是否正確，若有誤則修正。

4.2 庫(kù)區(qū)淹沒(méi)可視化方法

庫(kù)區(qū)淹沒(méi)分析主要針對(duì)不同河道模擬邊界輸入情景、水庫(kù)壩前不同水位及上游來(lái)水條件下，庫(kù)區(qū)河道沿程淹沒(méi)情況，并與沿程移民遷移線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析，提供類(lèi)似于河道模擬功能中沿程水面線(xiàn)查看的方式和水情預(yù)警，用于專(zhuān)業(yè)淹沒(méi)場(chǎng)景應(yīng)用分析。模擬流程為：① 加載庫(kù)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(diǎn)斷面位置求取水位與移民線(xiàn)差值，生成水位示意標(biāo)簽；③ 依照安全水位限度要求，更新所有站點(diǎn)標(biāo)簽顏色，用不同顏色區(qū)分水情風(fēng)險(xiǎn)。

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(lèi)似，不同之處在于需進(jìn)一步將各個(gè)斷面區(qū)域的邊界連接點(diǎn)只保留四邊形4個(gè)頂點(diǎn)，并對(duì)邊界上下游關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，便于水域渲染時(shí)進(jìn)行區(qū)域繪制，調(diào)整算法流程如圖12所示。水域渲染過(guò)程主要應(yīng)用到Cesium內(nèi)置的Primitive幾何對(duì)象，設(shè)置水紋波動(dòng)幅度、波動(dòng)頻率以及波紋數(shù)量為紋理動(dòng)態(tài)地添加時(shí)鐘參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)水面動(dòng)態(tài)波紋效果。此外，由于移民線(xiàn)數(shù)據(jù)通常只提供庫(kù)尾沿程部分站點(diǎn)位置的移民線(xiàn)數(shù)據(jù)值，因此移民線(xiàn)的Shp數(shù)據(jù)需通過(guò)地形等高線(xiàn)進(jìn)行提取，提取流程如圖13所示。當(dāng)然，該提取方法存在一定誤差，在各站點(diǎn)等高線(xiàn)連接環(huán)節(jié)產(chǎn)生，由已知站點(diǎn)間距決定誤差大小。且在數(shù)據(jù)加載時(shí)，為避免折點(diǎn)過(guò)多降低加載效率以及渲染性能，采取了每隔10個(gè)點(diǎn)取一個(gè)數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行處理。實(shí)踐證明，對(duì)于長(zhǎng)河道而言，上述二者對(duì)仿真效果的影響可忽略不計(jì)。

全河段場(chǎng)景模擬效果如圖14所示，點(diǎn)擊站點(diǎn)標(biāo)簽，可以縮放到當(dāng)前站點(diǎn)視角，能夠細(xì)節(jié)化該站淹沒(méi)場(chǎng)景，如圖15所示。

圖14 庫(kù)區(qū)淹沒(méi)全河段概覽Fig.14 Overview of inundation of entire reach in the reservoir area

圖15 庫(kù)區(qū)淹沒(méi)分析站點(diǎn)近景圖Fig.15 The station close-up view in the reservoir area inundation analysis

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以流域仿真中水庫(kù)模擬、河道模擬兩個(gè)環(huán)節(jié)作為核心業(yè)務(wù)，提出了輕量級(jí)WebGIS流域仿真平臺(tái)技術(shù)方案，解決了Web端仿真系統(tǒng)對(duì)龐雜GIS空間數(shù)據(jù)加載調(diào)用和管理維護(hù)的難題，合理地設(shè)計(jì)了流域仿真平臺(tái)的功能體系以及洪水演進(jìn)模擬、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)分析兩個(gè)專(zhuān)業(yè)功能場(chǎng)景，搭建了業(yè)務(wù)完善且性能突出的客戶(hù)端流域仿真平臺(tái)架構(gòu)，并同步進(jìn)行了編碼實(shí)現(xiàn)及仿真邏輯優(yōu)化，顯著提高了系統(tǒng)響應(yīng)性能和用戶(hù)交互體驗(yàn)。設(shè)計(jì)模式已經(jīng)集成到長(zhǎng)江三峽梯調(diào)中心“金沙江下游-三峽梯級(jí)電站水資源管理決策支持系統(tǒng)”并部署應(yīng)用，通過(guò)專(zhuān)業(yè)且直觀的GIS操作體系頁(yè)面，為流域仿真的功能設(shè)計(jì)、架構(gòu)體系、技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)提供了參考。