基于轻量级WebGIS的流域仿真平台设计与实现
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作者:纪传波 周建中 冯快乐 张余龙
摘要：近年来，随着水利信息化进程的快速推进，“数字流域”理论越来越受到重视，流域仿真平台的设计与实现逐渐成为其重要组成部分。传统C/S架构下的GIS应用难以满足当前水利信息化跨平台、轻量级、可扩展和远程应用的需求，而WebGIS技术可以有效应对上述问题，但海量空间数据和有限带宽，使其工程应用受到限制。结合水资源管理中水库、河道等流域重点元素的模拟模式，搭建了客户端轻量级WebGIS平台。研究了流域仿真信息化系统的开发流程，详细分析并阐述了B/S架构体系下WebGIS在流域全场景模拟仿真中的业务应用，为水资源管理的多工况实景模拟提供了解决方案。平台的设计体系在长江三峡梯调中心金沙江下游-三峡梯级电站水资源管理决策支持系统中得到了应用，并取得了较好的仿真集成效果。
关 键 词：数字流域; 水库仿真; 河道仿真; 轻量级WebGIS; 全景模拟
中图法分类号： P208;P333
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.06.035
0 引 言
“数字流域”是由“数字地球”结合水文流域的概念衍生提出的，是水利管理现代化的一个重要组成部分，涉及到流域水文地理信息的查询、显示和多媒体输出[1]。其研究内容是综合处理流域的空间、地理、气象、水文和历史信息，应用模拟、显示等技术手段，描述流域过去、现在和未来的各种行为，并为流域管理提供决策支持[2]。
l达国家“数字地球”研究起步相对较早，随着计算机技术的逐步发展，基本实现了客户端智能应用上的数字化、建模、系统仿真与虚拟现实。尽管如此，由于在不同国家和地区的水系河流差异性很大，且水文水资源数据完整性也不尽完善，流域水资源的现代化管理仍然没有被系统化的提出。21世纪初，张勇传院士在“数字地球”研究的基础上，以水文流域为切入点，提出了“数字流域”概念[3]。在国内外研究学者不懈努力下，“数字流域”理论得到了长足发展，尤其是近年来水利信息化的快速推进，“互联网+”理念也在不断冲击水利行业，无疑更加需要将计算机新技术应用到数字流域的建设中来。
随着遥感（RS）、地理信息系统（GIS）及全球定位系统（GPS）[4]三项技术的日益融合、完善和成熟，流域信息可以被有效且较完整地提取，再通过数据模拟计算，可以进一步对水情灾情进行仿真推演，以达到及时处理、及时管理的目的[5-8]。但传统的数字流域GIS应用系统可扩展性较差、难以跨平台使用，使得流域水资源管理中专业化仿真需求无法得到有效满足并投入实际使用。基于高速计算机网络的高精度、高仿真度流域仿真平台则成为了流域水资源管理的重要技术支撑，其支持跨地域、跨终端访问的互联特性使其在数字流域领域得到了广泛的应用。然而，现有WebGIS仿真技术难以对多元且海量的地理信息及系统应用数据进行合理管理，无法发挥GIS结合专业化业务的重要仿真作用。为此，本文综合水动力学、计算机图形学、计算机网络技术以及多媒体技术等多项技术，在客户端层面上优化流域仿真模式，设计系统架构，搭建了基于轻量级WebGIS技术的流域仿真平台，实现了“数字流域”功能的高效呈现。本文重点围绕水库与河道模拟两个流域仿真环节的模型建立与分析，以金沙江下游-三峡梯级水库为研究对象，结合WebGIS技术对其相应的水库及河道模拟仿真两大模块的业务需求进行设计与实现，探索并提出了计算机技术在水利信息化领域应用中流域虚拟仿真的多重应用场景功能方案，实现了库群调度过程中河道沿程水面线和库区淹没实景的三维实时重现，构建了大规模、高集成度的数字化流域仿真平台体系。
1 WebGIS技术概述
WebGIS技术，顾名思义，是GIS技术在Web端的应用，即网络地理信息系统。它以计算机网络为载体，整合传统GIS数据和方法的技术，实现在Web客户端的地理信息查询、展示、编辑、管理与制图输出等工作任务[9-10]，其基本原理如图1所示。
WebGIS的数据及服务通信是基于Internet的，极大地方便了大流域范围的信息传输及分布式应用，避免了以C/S架构执行客户端和服务端之间GIS交互的不便[11]。一方面随着计算机前端技术的发展，以JavaScript语言为核心的WebGL编程模式使得二维屏幕能够展示丰富图形图像，随之涌现出了如Three.js、Cesium等优秀开源的三维组件库。Cesium将瓦片式的卫星地图及地形数据作为支撑，实现几何图形、建筑模型、区域渲染等信息的动态展示，在WebGIS中可以快速地构建三维地球并实现基本功能。另一方面GIS与WebGL技术的结合，显著提升了水利领域虚拟仿真能力。然而，由于GIS信息的数据海量性与多维异构性，以及客户端与Web服务器间网络带宽的限制，传统的WebGIS平台难以组建丰富的GIS基础功能并合理构建流域仿真模式，且仿真渲染效率不高，系统难以管理维护。为此，以计算机三维地球仿真技术为核心，采用Cesium丰富的API（应用程序接口）在客户端搭建轻量级WebGIS架构，直接读取地理数据并快速渲染，同时将GIS数据与业务数据分布式存储、多元化管理，实现流域水资源WebGIS系统三维仿真。图2给出了流域仿真中涉及到的Cesium相关技术元素及相应渲染功能要求，该结构基本涵盖仿真平台的实现方式。该平台的主要技术流程为：以瓦片地图分布式贴图及地形高程构建三维地球基础，通过在场景内加入几何、实体、模型，再加入时间控制以实现动画和渲染，达到三维场景虚拟仿真目的。此外，通过客户端交互还可进行数据的实时显示，实现信息呈现方式的多元化。
2 水库及河道三维场景模拟建模方法
2.1 控制性水库群调度模拟
大型流域往往涵盖大量的控制性水库形成水库群，使得径流失去了原有的天然特性，改变了时空分布及水文要素规律。水库模拟包括水文过程还原还现、库群调度规则提取与库群模拟调度等模块，前两者业务流程可简单通过图表展示实现，在此不予详述。库群模拟调度模型按照从上游到下游的方式，逐级模拟上游各个水库的运行状态，再得到子流域出口断面的流量过程，不仅可为河道模拟模型及库群优化调度模型提供边界输入，还可为分析上游水库调蓄对下游重点水库的影响提供参考。模拟模型的流程图如图3所示。
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