基于ArcGIS Server的水動(dòng)力流速場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可視化

王 敏， 賴瑞勛，王 明

（1.黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

基于ArcGIS Server的水動(dòng)力流速場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可視化

王 敏1， 賴瑞勛1，王 明1

（1.黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

傳統(tǒng)的流速場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可視化通常將流速場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GIS支持的圖層，其缺點(diǎn)是前處理工作量很大，且可視化效果并不理想。在ArcGIS Server平臺(tái)上，擴(kuò)展了ArcObjects組件，定義了流速場(chǎng)Web服務(wù)組件，實(shí)現(xiàn)了流速場(chǎng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)可視化，并應(yīng)用于山東東平湖蓄滯洪區(qū)風(fēng)險(xiǎn)圖展示系統(tǒng)。結(jié)果表明，該方法能將流速場(chǎng)信息直接發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中，既提高了流速場(chǎng)的可視化效率又增強(qiáng)了可視化效果。

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖；WebGIS；網(wǎng)絡(luò)可視化

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是直觀展示洪水特征及其影響范圍、影響對(duì)象和影響程度的圖形，是規(guī)避洪水風(fēng)險(xiǎn)，減低洪災(zāi)損失的一項(xiàng)重要而有效的非工程措施[1]。

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的可視化是風(fēng)險(xiǎn)信息傳播的重要途徑，涉及到風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)可視化兩個(gè)方面的問題。一方面，水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型是洪水風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)的主要來源，其以動(dòng)力理論為基礎(chǔ)，根據(jù)不同邊界條件計(jì)算得到不同量級(jí)洪水的淹沒范圍、流速、水深、淹沒歷時(shí)等信息；另一方面，隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，洪水風(fēng)險(xiǎn)圖可以方便地疊加地理信息以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息，尤其是以WebGIS為代表的網(wǎng)絡(luò)地圖，在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖信息化中發(fā)揮了越來越重要的作用[2-4]。然而，水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型通常根據(jù)所采用的數(shù)值格式對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，其計(jì)算結(jié)果具有自身特有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式，而WebGIS以GIS技術(shù)為理論基礎(chǔ)，不能直接兼容水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果,將水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為GIS支持的數(shù)據(jù)格式需要完成大量的前處理工作。轉(zhuǎn)換方法主要有兩類：利用自定義算法將水深、流速、淹沒范圍等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS支持的通用的數(shù)據(jù)格式，如shapefile、MapInfo等;直接將水深、流速和淹沒范圍等信息轉(zhuǎn)換為靜態(tài)圖片，再加載到WebGIS系統(tǒng)中。但兩種轉(zhuǎn)換方法在工作效率和圖形渲染效果方面都存在不足。首先，從工作效率來看，洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的計(jì)算方案通常按風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為10 a、20 a、50 a、100 a或典型場(chǎng)次洪水進(jìn)行編制[5]，每場(chǎng)次洪水還需要顯示洪水淹沒范圍、水深、流速和洪水到達(dá)時(shí)間等信息。其次，從圖形渲染效果來看，洪水淹沒范圍、水深、流速和達(dá)到時(shí)間等信息必須轉(zhuǎn)換為點(diǎn)、線、面等GIS支持的圖層。因此，不論是矢量的流速數(shù)據(jù)，還是標(biāo)量的淹沒范圍、水深等數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)換為圖像的過程中都會(huì)有流場(chǎng)屬性信息的損失。

本文聚焦在水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型流速場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)可視化方面，在ArcGIS Server 9.2 for .NET環(huán)境中，擴(kuò)展了部分ArcObjects組件，實(shí)現(xiàn)了流速場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)可視化，并應(yīng)用于山東省東平湖蓄滯洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖展示系統(tǒng)。

1 流速場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可視化原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ArcGIS Server的流速場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可視化平臺(tái)包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和客戶端層3個(gè)方面（如圖1）。

數(shù)據(jù)層包括模型計(jì)算結(jié)果、基礎(chǔ)地理信息等，按不同的存儲(chǔ)方式進(jìn)行保存，以SQL Server2005數(shù)據(jù)庫管理。其中模型計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)按時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，一個(gè)網(wǎng)格計(jì)算節(jié)點(diǎn)保存多個(gè)時(shí)刻的流速場(chǎng)數(shù)據(jù)；基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)保存在空間數(shù)據(jù)庫中。

圖1 流速場(chǎng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)可視化設(shè)計(jì)

服務(wù)器層包括ArcGIS地圖服務(wù)器和Web服務(wù)器。ArcGIS地圖服務(wù)負(fù)責(zé)GIS應(yīng)用處理過程,提供地圖的疊加顯示，將DEM數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合,是整個(gè)WebGIS的核心服務(wù)。DEM數(shù)據(jù)和流速場(chǎng)數(shù)據(jù)分布在不同的SMC（服務(wù)對(duì)象容器）中，通過ArcGIS Server統(tǒng)一的SOM（服務(wù)對(duì)象管理器）進(jìn)行管理調(diào)用。Web服務(wù)器耦合各類服務(wù)組件，報(bào)告地圖服務(wù)、文件管理服務(wù)、數(shù)據(jù)渲染服務(wù)等，接受用戶請(qǐng)求,并把應(yīng)用處理結(jié)果返回給用戶。

客戶端瀏覽器可以直接鏈接到服務(wù)器，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求并顯示所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。支持各類數(shù)據(jù)和信息的顯示并可與服務(wù)器進(jìn)行通信。所有的管理功能都可在客戶端完成,不同級(jí)別的用戶通過使用不同功能組件的客戶端程中地圖服務(wù)組件，流速場(chǎng)可視化組件等，在任意一臺(tái)鏈接網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)上完成模型數(shù)據(jù)的后處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型計(jì)算流速場(chǎng)的分布式應(yīng)用。

1.2 流速場(chǎng)數(shù)據(jù)

洪水水位、流速等數(shù)據(jù)采用黃河水利科學(xué)研究院開發(fā)的二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。該模型基于淺水流動(dòng)假設(shè)下水流運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒原理[6]，其中質(zhì)量守恒方程為：

式中，h為平均水深；t為時(shí)間；u和v分別為x和y方向的流速。動(dòng)量守恒方程為：

式中，g為重力加速度；Sox、Soy分別為x、y方向河床比降；Sfx、Sfy分別為x、y方向摩阻坡度。

模型采用有限體積方法[7]進(jìn)行求解，基本思想是將計(jì)算區(qū)域劃分為若干規(guī)則或不規(guī)則形狀的單元或控制體，在計(jì)算出通過每一控制體邊界法向輸入（出）的質(zhì)量和動(dòng)量通量后，對(duì)每一控制體分別進(jìn)行水量和動(dòng)量平衡計(jì)算，可得到計(jì)算時(shí)段末各控制體平均水深和流速。

1.3 ArcGIS Server組件的擴(kuò)展

ArcGIS Server能支持的數(shù)據(jù)格式主要有以shapefile為代表的矢量數(shù)據(jù)和以DEM為代表的柵格數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)端發(fā)布時(shí)，ArcGIS Server可將這些數(shù)據(jù)發(fā)布為WMS、Mobile、KML等服務(wù)形式。然而，流速場(chǎng)數(shù)據(jù)作為水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型中的一種特殊數(shù)據(jù)格式，同時(shí)包含了水平方向和垂直方向的流速，且流速值隨時(shí)間不斷發(fā)生變化。在現(xiàn)有功能中，ArcGIS Server不支持該流速場(chǎng)數(shù)據(jù)，需要擴(kuò)展ArcGIS Server的相關(guān)功能。

對(duì)ArcGIS Server組件進(jìn)行擴(kuò)展，需要重新實(shí)現(xiàn)如下組件：GISDataSource、MapFunctionality、MapInformation、MapRouces、MapTocFunctionality和QueryFunctionality。其中，GISDataSource組件定義了數(shù)據(jù)源，一個(gè)數(shù)據(jù)源可以有若干個(gè)功能。MapFunctionality是實(shí)現(xiàn)地圖功能的組件。MapInformation組件定義了地圖的空間參考、全局范圍、默認(rèn)范圍、緩存等信息。MapRouces組件定義和實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)源的解析。流速場(chǎng)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以及流速等信息保存為XML文件，利用MapRouces組件解析XML文件，提取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、水平方向和垂直方向流速值，并最終繪制在網(wǎng)絡(luò)客戶端。MapTocFunctionality組件實(shí)現(xiàn)了自定義數(shù)據(jù)的圖層管理。QueryFunctionality組件實(shí)現(xiàn)了自定義數(shù)據(jù)的查詢定位等功能。

圖2是保存流速場(chǎng)結(jié)果的XML文件，該文件記錄了流速場(chǎng)數(shù)據(jù)的渲染和坐標(biāo)信息。渲染信息記錄了流速矢量線的顏色（Color，如RGB值等）、線型（Type，如虛線實(shí)線等）、線寬（Width）；坐標(biāo)信息記錄了每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的x、y空間坐標(biāo)以及其水平方向的流速（H）和垂直方向的流速（V）。

1.4 網(wǎng)絡(luò)端的數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)

圖2 保存流速場(chǎng)數(shù)據(jù)的XML文件格式

圖3 表示流速的矢量箭頭

在網(wǎng)絡(luò)客戶端，利用MapRouces組件解析XML文件，同時(shí)將數(shù)據(jù)繪制在瀏覽器中。流速用矢量箭頭來表示（圖3），箭頭的大小和方向由水平、垂直方向的流速值決定，分別對(duì)應(yīng)式（1）～（3）中的u和v。箭頭的頭部約占整個(gè)箭身的1/4，箭頭和箭身的夾角為15°。為了減少計(jì)算量，只在箭頭一側(cè)繪制箭頭頭部。

2 測(cè)試結(jié)果分析

將本文設(shè)計(jì)的流速場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可視化繪制方法應(yīng)用于山東省東平湖蓄滯洪區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖展示系統(tǒng)。東平湖是山東省第二大淡水湖泊，湖區(qū)位于黃河下游魯中山區(qū)與魯西南平原交界地帶，黃河寬窄河道過渡段右岸，屬黃河與汶河沖積平原相交的洼地。承擔(dān)著分滯黃河洪水和接納汶河來水的任務(wù)，是黃河下游的重要蓄滯洪工程。東平湖分為新、老兩個(gè)湖區(qū)，當(dāng)黃河發(fā)生大洪水時(shí)，需經(jīng)東平湖分洪，控制黃河艾山站下泄流量不超過10 000 m3/s。

圖4 東平湖蓄滯洪區(qū)流速場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)可視化

圖4顯示了東平湖千年一遇洪水最大淹沒范圍時(shí)的流速場(chǎng)分布情況，底圖為東平湖DEM，為更好顯示流場(chǎng)，用戶可對(duì)流速場(chǎng)矢量箭頭的顏色和箭寬作相應(yīng)調(diào)整。可以看出，流速場(chǎng)可以疊加到DEM地形上，且流速場(chǎng)的方向和大小都能清楚地顯示出來。

3 結(jié) 語

本文在ArcGIS Server的基礎(chǔ)上構(gòu)建了水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的流速場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可視化方法，并將該方法應(yīng)用于山東省東平湖蓄滯洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。結(jié)果表明，該方法不需將水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為GIS支持的圖層，從而減少了可視化前處理的工作量。同時(shí)，利用XML傳輸流速場(chǎng)信息，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男什⒖勺远x流速場(chǎng)矢量箭頭的大小。

當(dāng)然，本文介紹了流速場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可視化方法還只能對(duì)一個(gè)時(shí)刻的流速場(chǎng)進(jìn)行可視化，下一步的工作將擴(kuò)展到流速場(chǎng)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)流速場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)可視化動(dòng)畫效果。

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[6] Ferziger J H. Computational Methods for Fluid Dynamics[M]. Berlin: Springer,2002

[7] Versteeg H K. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: the Finite Volume Method[M].Harlow: Pearson Education Ltd,2007

P208

B

1672-4623（2016）03-0042-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.014

王敏，高級(jí)工程師，主要從事水沙動(dòng)力數(shù)學(xué)模型并行計(jì)算、科學(xué)計(jì)算可視化等研究。

2015-03-10。

項(xiàng)目來源：中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（HKY-JBYW-2012-5、HKY-JBYW-2013-15）。