河道槽蓄量計(jì)算服務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李欣，林芃

（1.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東濟(jì)南 250101； 2.山東省城市空間信息工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南 250101）

河道槽蓄量計(jì)算服務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李欣1，2?，林芃1，2

（1.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東濟(jì)南 250101； 2.山東省城市空間信息工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南 250101）

提出了一種網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)來執(zhí)行河道槽蓄量計(jì)算，在計(jì)算過程中融合了衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量的水位數(shù)據(jù)。原型系統(tǒng)基于開放的地理信息聯(lián)盟（OGC）的網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)（WPS）規(guī)范，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于分布式的地理處理服務(wù)來實(shí)現(xiàn)水文計(jì)算模型的可行性。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；河道槽蓄量計(jì)算；遙感影像；網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)

1 引 言

隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，空間信息數(shù)據(jù)在共享、交換和用途方面的不斷推進(jìn)，處理功能的共享與互操作也更加備受關(guān)注。在空間信息共享以及處理互操作方面，Web Service提供了一個(gè)開放的平臺(tái)，通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)資源，所有的處理功能都可以以Web Service的方式通過網(wǎng)絡(luò)提供給用戶［1］。當(dāng)前的地理信息處理的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)主要關(guān)注于通用的GIS功能，對(duì)于一些特殊的用戶如水文科學(xué)研究者往往需要分析和處理大數(shù)據(jù)量的水文數(shù)據(jù)的處理服務(wù)。河道槽蓄量計(jì)算是一種重要的水文計(jì)算過程［2］，使用網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)來封裝水文處理過程服務(wù)于廣大水文工作者成為研究的熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)-Web Processing Service（WPS）是開放的地理信息聯(lián)盟（OGC）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［3］，該規(guī)范用于采用標(biāo)準(zhǔn)的方法實(shí)現(xiàn)客戶端請(qǐng)求的空間計(jì)算服務(wù)。

在水文領(lǐng)域中，河道槽蓄量計(jì)算對(duì)于河道演進(jìn)分析、流域開發(fā)、防洪和河道治理等十分重要。目前，主要有兩種傳統(tǒng)的河道槽蓄量計(jì)算方法:斷面法和水沙平衡法［4］，而這兩種方法的不足在于需要大量的參數(shù)以及計(jì)算結(jié)果不精確以及不能可視化。基于數(shù)字高程模型（DEM）計(jì)算河道槽蓄量是一種新的方法，對(duì)于該方法來說河道邊界線的獲取十分關(guān)鍵，然而受環(huán)境條件的影響實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量河道邊界線的工作十分困難。本文中采用從高精度衛(wèi)星影像中提取水邊線的方法來獲取河道邊界，在河道槽蓄量計(jì)算過程中融合了遙感影像數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)。

2 網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)

為了解決Web service在空間信息方面的不足，由計(jì)算機(jī)和空間信息領(lǐng)域的公司與專家成立的，致力于空間信息資源共享與互操作的組織——開放的地理信息聯(lián)盟（OGC），制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和服務(wù)接口，包括網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（WMS）［5］、網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)（WFS）［6］、網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)（WCS）［7］、網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)（CSW）［8］、網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)（WPS）。其中網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)關(guān)注于基于網(wǎng)絡(luò)的處理功能的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)。

WPS是OGC組織針對(duì)日益增加的基于網(wǎng)絡(luò)的空間數(shù)據(jù)處理需求，提出的一項(xiàng)Web服務(wù)標(biāo)準(zhǔn).該標(biāo)準(zhǔn)可以包裝任何類型的對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的功能，這些功能可以簡單如兩個(gè)空間數(shù)據(jù)之間的相減，也可以復(fù)雜如水文計(jì)算模型［9］。WPS實(shí)現(xiàn)規(guī)范針對(duì)空間數(shù)據(jù)的處理為客戶提供了標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布、發(fā)現(xiàn)和綁定的接口。WPS的目的是描述服務(wù)，提供可通過Web方式執(zhí)行的處理服務(wù)，并且在底層機(jī)制對(duì)用戶透明的情況下允許用戶輸入數(shù)據(jù)和調(diào)用服務(wù)。在WPS中，同時(shí)支持超文本傳輸協(xié)議中的POST、GET方法和SOAP傳輸協(xié)議。這樣，客戶端可以根據(jù)其意愿選擇最合適的接口機(jī)制。

在WPS接口中定義了3個(gè)主要操作，用于向客戶端提供詳細(xì)信息和查詢部署在服務(wù)器上的服務(wù)。這些操作主要有:

GetCapabilities操作——用于客戶端請(qǐng)求和接收描述具體服務(wù)實(shí)現(xiàn)方式的服務(wù)元數(shù)據(jù)文檔，該方法支持在客戶端與服務(wù)器交互中協(xié)商規(guī)范的版本；

DescribeProcess操作——客戶端可以請(qǐng)求和接收一個(gè)執(zhí)行操作需要運(yùn)行的進(jìn)程的細(xì)節(jié)信息，包含輸入、輸出參數(shù)和格式；

Execute操作——客戶端可以通過該方法使用提供的參數(shù)值來指定執(zhí)行WPS實(shí)現(xiàn)的處理操作，并返回產(chǎn)生的結(jié)果。

3 河道槽蓄量計(jì)算方法

河道槽蓄量計(jì)算是水文分析中的重要計(jì)算。同傳統(tǒng)的只采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的方法相比，本文采用遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法計(jì)算河道槽蓄量，計(jì)算流程如圖1所示，包含下列4個(gè)步驟:

圖1　河道槽蓄量計(jì)算流程圖

3.1 提取水邊線

從高精度遙感影像中提取河道水邊線。水邊線提取是遙感中的通用處理過程，首先進(jìn)行水陸分離操作，然后通過邊界檢測(cè)算法獲得水邊線，最后通過后處理獲得最終的水邊線。其中可以通過多種算法進(jìn)行邊界檢測(cè)來獲得水邊線，本文就不詳細(xì)討論了。

3.2 獲得邊界

將獲得的河道水邊線數(shù)據(jù)與上下斷面的矢量數(shù)據(jù)相結(jié)合來獲得河道邊界。河道的橫斷面是垂直于河道水流方向的橫截面，是水文計(jì)算中的重要參數(shù)。如圖2所示，垂直于河道的兩條短線為河道上下斷面，封閉的網(wǎng)狀區(qū)域?yàn)楹拥赖倪吔鐓^(qū)域。獲得上下斷面和河道水邊線之間的4個(gè)交點(diǎn)，如果斷面線太短與河道水邊線無交點(diǎn)時(shí)，通過延長斷面線獲得。通過4個(gè)交點(diǎn)、2條上下斷面線和2條河道水邊線獲得河道的邊界區(qū)域。

圖2　獲得河道邊界

3.3 水面建模

河道水面存在高差，河道中上下斷面以及沿河道分布的水面的水位高程值各不相同。類似于通過高程控制點(diǎn)和等高線構(gòu)建數(shù)字高程模型——DEM，通過水面邊界和上下斷面水位高程構(gòu)建出水面的數(shù)字高程模型。

3.4 計(jì)算槽蓄量

基于河道水面高程模型和河道DEM計(jì)算河道槽蓄量。如圖3所示，通過水面高程模型和河道DEM之間的減操作，得到一個(gè)新的矩陣模型，在進(jìn)行柵格減操作之前，需確保水面高程模型和河道DEM擁有相同的柵格分辨率。對(duì)于新的矩陣模型，正值意味著該處的水面高程高于河道高程，負(fù)值意味著該處的河道高程高于水面高程，如洲灘。通過水位正值和柵格面積的乘積并累計(jì)求和，獲得河道的槽蓄量值；水位負(fù)值和柵格面積的乘積并累計(jì)求和，獲得河道中水面上洲灘的體積。

圖3　計(jì)算河道槽蓄量

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在原型系統(tǒng)中，將河道槽蓄量計(jì)算服務(wù)封裝成OGC標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)。在原型系統(tǒng)的構(gòu)建中，采用52°North的WPS框架。52°North的WPS框架實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中地理處理過程的部署，采用了插件模式實(shí)現(xiàn)處理過程與數(shù)據(jù)的編碼。52°North的WPS框架支持一系列的輸入、處理和輸出格式。河道槽蓄量計(jì)算算法基于ArcGIS 10.1版本的Arc Engine的API，采用Java編程語言實(shí)現(xiàn)。WPS的客戶端基于Arc Engine 的API，采用C#編程語言實(shí)現(xiàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

金沙江下游流域水能資源豐富，規(guī)劃建設(shè)了烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩四座梯級(jí)水電站。本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于溪洛渡水電站和向家壩水電站之間的河道水文觀測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括該區(qū)域 0.6 m分辨率的QuickBird衛(wèi)星遙感影像，1∶2 000河道實(shí)測(cè)地形圖中獲得的DEM數(shù)據(jù)，shp矢量格式的斷面數(shù)據(jù)，水位高程數(shù)據(jù)。

4.2 結(jié)果與分析

如圖4所示，為用戶客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的界面，包括DEM文件，影像文件，斷面文件和斷面高程值。圖5為客戶端獲得計(jì)算結(jié)果的界面，網(wǎng)狀區(qū)域?yàn)橛?jì)算的區(qū)域，返回的結(jié)果包含河道槽蓄量值和洲灘體積。計(jì)算結(jié)果的精度主要受提取的水邊線的精度，DEM精度和水面模型的精度影響。使用更好的水邊線提取算法可以有效地提高計(jì)算精度，DEM的精度主要由河道的實(shí)測(cè)地形圖的精度決定。

與本地計(jì)算相比，采用WPS的河道槽蓄量計(jì)算結(jié)果相同，然而WPS的訪問和調(diào)用更加方便快捷，不僅減少了系統(tǒng)的操作消耗，同時(shí)有利于高效計(jì)算的負(fù)載平衡。因此，WPS的結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展到其他水文領(lǐng)域的計(jì)算過程。

圖4　向WPS服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)的界面

圖5　結(jié)果界面

5 結(jié) 語

本文提出了一種融合了原位水位傳感數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)的河道槽蓄量計(jì)算方法。首先，通過高精度遙感影像獲取水邊線并結(jié)合上下斷面的矢量數(shù)據(jù)產(chǎn)生河道的邊界，然后通過上下斷面的水位數(shù)據(jù)和河道邊界產(chǎn)生河道水面的高層數(shù)字模型，最后通過河道水面的高層數(shù)字模型和河道的DEM計(jì)算出河道槽蓄量。

同時(shí)，本文基于OGC的WPS規(guī)范構(gòu)建了一種河道槽蓄量計(jì)算服務(wù)并通過金沙江下游向家壩水電站附近河道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)計(jì)算。河道槽蓄量計(jì)算服務(wù)僅僅是在線水文計(jì)算的一個(gè)實(shí)例，通過把河道槽蓄量計(jì)算方法封裝成網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)實(shí)現(xiàn)了從本地水文計(jì)算到在線、分布式水文計(jì)算服務(wù)的方法轉(zhuǎn)變。本文證明了使用地學(xué)處理服務(wù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜水文計(jì)算的實(shí)用性和可行性。

本文的處理服務(wù)主要關(guān)注的是整個(gè)執(zhí)行槽蓄量計(jì)算的處理過程，其中水邊線提取算法需要進(jìn)一步的改進(jìn)。本文雖然實(shí)現(xiàn)了基于WPS的河道槽蓄量計(jì)算服務(wù)，然而水文數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，向WPS服務(wù)器發(fā)送大數(shù)據(jù)量的水文數(shù)據(jù)的速度需要進(jìn)一步的研究，同時(shí)算法精度問題是下一步研究的重點(diǎn)。

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The Design and Implementation of River Channel Storage Volume Calculation Service

Li Xin1，2，Lin Peng1，2
（1.Ji′nan Geotechnical Investigation and Surveying Institute，Ji′nan 250012，China；2.Shangdong Engineering Technology Research Center of Urban Spatial Information，Ji′nan 250013，China）

This paper presents a web processing service to perform river channel storage volume calculation with a new method by integration of the remote sensing image with in-situ measurements of water level.This prototype is built based on the Open Geospatial Consortium Web Processing Service（OGC WPS）specification.Result demonstrates the usefulness and feasibility of using distributed geoprocessing services for hydrological models.

web services；river channel storage volume calculation；remote sensing image；web processing service

1672-8262（2016）02-44-04中圖分類號(hào)：P208.1，P236

B

2015—12—02

李欣（1984—），男，碩士，助理工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)應(yīng)用及開發(fā)工作。

國家863計(jì)劃課題（2013AA010308）