二維洪水模型時間序列數據的網絡可視化

賴瑞勛，王 敏，楊 明，張曉麗

（1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.南京水利科學研究院水利部水科學與水工程重點實驗室，江蘇 南京 210029）

二維洪水模型利用Navier-Stokes方程在垂直于水面的方向進行積分，得到二維平面上的淺水方程，在防洪減災數值模擬與預測方面具有廣泛的應用[1-2]。二維洪水模型計算成果數據具有很強的時間和空間分布特點，數據種類也比較豐富。在模型計算的空間區域內，除水深、流速、洪水到達時間、洪水淹沒歷時等標量數據外，還有流速場等矢量數據。同時，二維洪水模型模擬了特定區域洪水演進過程，其水深、流速等數據又具有時間序列的特征。

二維洪水模型計算成果的可視化是分析探究洪水淹沒、演進過程的重要技術途么，是科學計算可視化的重要組成部分。而且，隨著網絡及移動客戶端的普及，二維洪水模型計算成果的網絡可視化對宣傳洪水風險，提高防洪減災科學水平也具有十分重要的現實意義。

近年來，在二維洪水模型的時間序列可視化方面開發實現了大量的應用系統。一部分系統以桌面軟件為平臺，利用ArcGIS、OSG等軟件開發包，在DEM或遙感影像等數據的基礎上，開發實現了洪水淹沒范圍隨時間的動態演進過程[3-5]。同時，隨著網絡地理信息技術的發展，洪水淹沒數據的網絡可視化也取得了一定的進展。例如，朱軍[6]等以潰壩洪水為例，利用高性能計算和WebGL等技術，設計并實現了時空過程網絡可視化模擬與分析服務的系統。但這些系統的技術實現過程相對比較復雜，也沒有在大比例尺范圍的洪水演進計算中有相關的應用，其洪水淹沒網絡可視化的實用性和效率并不明確。

根據洪水風險數據的時空分布特點以及洪水風險的可視化需求，本文設計了二維洪水模型計算結果網絡可視化的框架，利用ArcGIS API for JavaScript接口，開發實現了二維洪水結果數據的網絡查詢和可視化。開發實現的功能主要包括：用不同顏色等級渲染不同空間位置的最大淹沒水深；對任意空間位置單元，能查詢該計算單元的水深隨時間變化的過程；瀏覽洪水淹沒范圍隨時間變化的過程。該可視化模式應用于黃河下游從小浪底至河口約700 km范圍的區域，并從可視化效果及可視化效率等方面進行了分析。

1 洪水時空數據網絡可視化

1.1 系統總體設計

二維洪水時間序列數據的網絡可視化系統主要包括以下幾個方面的內容：遙感影像地圖資源、洪水淹沒數據資源和客戶端功能實現（圖1）。

圖1 系統總體框架

在遙感影像地圖資源中，利用ArcGIS桌面軟件將遙感影像發布為影像服務，并在Web服務器中進行影像的緩存處理。這種影像資源可以在本地服務器中部署，也可以調用遠程的服務器發布的影像資源。

在洪水淹沒數據資源中，高性能計算平臺將計算區域劃分為若干子區域，各子區域之間采用MPI（message passing interface，消息傳遞接口）實現消息傳遞。其高性能計算的基本原理是把各子區域的初始流場信息、幾何信息分別裝載入各子區域對應的CPU內存中，在每一個CPU中啟動計算進程，并完成CPU之間的數據交換[7]。利用高性能平臺得到計算區域的洪水淹沒數據，再利用數據轉換工具將這些數據轉換為相應的時間序列圖層；同樣，利用ArcGIS桌面軟件將這些數據發布為地圖服務和查詢服務。遙感影像資源和洪水淹沒資源均以REST[8]（representational state transfer,表述性狀態轉移或表象狀態轉移）類型的Web服務提供給客戶端，供客戶端實現各種瀏覽、查詢等功能。在客戶端，可以根據用戶需求，利用聚合應用Web服務器將不同來源的數據資源聚合在一起，在瀏覽器中顯示為一個地圖。

1.2 洪水淹沒數據轉換

二維洪水模型在求解過程中，模型計算區域被分割為若干互不重疊的計算網格。以三角形計算網格為例，一個計算網格由3個計算節點構成，每個計算節點包含了該節點上的節點編號、水深、流速等信息（圖2左邊）。同時，一場洪水的淹沒數據由若干個時刻構成，為了將這些具有時間特征的洪水淹沒數據發布為地圖服務，數據需要轉換為兩個圖層（圖2右邊）。第一個圖層是最大淹沒水深圖層，保存了計算單元在所有時刻中最大的水深、流速，以及流速水深對應的時刻。第二個圖層是所有時刻的淹沒范圍，該圖層保存了所有時刻最大淹沒范圍的幾何外邊界，以及淹沒范圍邊界對應的時刻。

圖2 洪水淹沒時間序列數據轉換為圖層

為實現以上數據轉換工作，需要將網格節點上的水深、流速信息通過插值賦值到所對應的網格單元中，使網格單元也具有水深、流速信息。然后將所有時刻的流速、水深數據轉換為一個洪水淹沒shapefile圖層，即一個時刻對應一個圖層，這個轉換過程是利用ArcMap中的ArcObjects組件來實現的（圖2中部）。對某一時刻的洪水淹沒數據，具體實現過程是：①利用ShapefileWorkspaceFactory組件的IWorkspaceFactory接口新建一個面狀要素圖層，并傳值給IFeatureWorkspace接口；②利用IFeatureWorkspace接口的OpenFeatureClass打開該面狀要素圖層，并傳值給IFeatureClass接口；③利用IFeatureClass接口的CreateFeatureBuffer創建一個Feature Buffer，并傳值給IFeatureBuffer接口；④利用IFeatureClass接口的Insert方法創建一個Feature Cursor，并傳值給IFeatureCursor；⑤利用Polygon組件中IPointCollection接口創建計算單元要素，并將值傳遞給IFeatureBuffer的shape方法；⑥利用IFeatureBuffer接口的value方法新建該計算單元的水深、流速等信息；⑦新建的計算單元要素傳值給IFeatureCursor的InsertFeature方法，將新建的計算單元作為一個新的要素保存到面狀圖層中。

在轉換為最大淹沒水深圖層的過程中，以計算網格的單元編號為索引號，按時間先后順序保存了所有時刻的水深數據。同時，為了能查詢網格單元的最大淹沒水深和最大流速，洪水淹沒圖層在所有時刻中找出最大淹沒水深和最大流速，并保存該數據。在轉換為淹沒范圍邊界圖層的過程中，由于某一時刻的洪水淹沒圖層包含了若干計算單元，為了提高數據顯示效率，將某時刻所有受淹沒的單元進行合并操作，保留該時刻最大淹沒范圍的幾何邊界。

1.3 客戶端實現

在客戶端頁面中，主要實現的功能包括顯示遙感影像地圖、按顏色分級顯示淹沒水深、查詢計算單元的水深時間序列數據。這些功能是利用ArcGIS API for JavaScript接口提供的方法來實現的。

遙感影像地圖利用API中提供的地圖切片圖層接口來顯示，對應類為esri/layers/ArcGISTiledMapServiceLayer。當實例化一個ArcGISTiledMapServiceLayer類之后，調用地圖類的addLayer方法，就可以加載指定的影像地圖資源。由于切片地圖服務圖層引用預先定好的圖片緩存切片，再拼接在一起顯示一幅無縫的地圖，所以切片地圖顯示效果好、速度快。

最大淹沒圖層利用API中提供的顏色等級渲染器來渲染，對應類為esri/renderers/ClassBreakRenderer。顏色等級渲染器按照設置的淹沒水深范圍顯示數據，該類最重要的一個方法就是addBreak。如果最大淹沒范圍按值劃分為5個等級，該方法指定某一范圍及其對應的符號，如果淹沒水深數據值在該范圍內，那么就用對應的符號來繪制該網格單元要素。

計算單元水深查詢利用API中提供的查詢來實現，對應類為esri/tasks/QueryTask。該類利用所提供的洪水淹沒水深數據資源，實現對計算單元水深的屬性查詢。與QueryTask類配合使用的是API提供的彈出模板，用來顯示查詢出的水深時間序列數據，對應類為esri/dijit/PopupTemplate。PopupTemplate類擴展自esri/InfoTemplate類，并提供了彈出窗體的功能，彈出的窗體可以包含標題、描述、圖表、圖片及附件。在實現過程中，利用mediaInfos定義彈出窗體的圖表類型為line chart，定義要顯示的字段為所有時刻的水深數據。

不同時刻淹沒范圍的時間序列瀏覽是利用API中提供的時間滑塊來實現的，對應類為esri/dijit/TimeSlider。與TimeSlider配合使用的是TimeExtent類，TimeExtent類定義了淹沒范圍時間序列的起始時間和終止時間。利用TimeSlider類顯示時間序列滑塊，并利用該類提供的createTimeStopsByTimeInterval方法設置需要顯示的淹沒范圍邊界時間序列圖層。

2 應用結果

將二維洪水模型時間序列可視化框架應用于黃河下游小浪底至河口河段。黃河下游河段從平面看上寬下窄，從縱向看上陡下緩，縱比降與相應的河道縱比降基本相同，橫比降大小主要與漫灘次數的多少有關。黃河下游灘區跨河南、山東兩省，經15個市45縣（區），灘內有耕地31.28萬 ha ，村莊1 999個，人口186.47萬人（包含封丘倒灌區24.74萬人）。

利用黃河水利科學研究院自主開發的黃河二維洪水模型開展模型計算，計算河道長度約700 km，計算區域面積約5 685 km2。整個計算區域剖分三角形計算網格32萬，其中主槽部分三角形網格邊長約為50 m，灘地部分三角形網格邊長為100～200 m，網格大小從主槽逐漸過渡到灘地。模型計算平臺采用黃河超級計算中心的神威4 000 H高性能集群計算機，該集群計算機系統擁有14個計算節點，系統通用計算峰值速度為4.66 Tflops。

模型計算進口為小浪底，出口為黃河口汊三斷面，小浪底進口的洪水流量級別為13 000 m3/s，出口采用水位流量關系曲線控制水位，同時考慮了黑石關、武陟和小花間無控區來水。模型進口流量的時間范圍從2016-08-08～2016-08-20，共13 d，312個h，模型計算結果輸出時間間隔為2 h。

在高性能計算過程中，該區域被分割為8個子區域，每個子區域的計算網格約為4萬，模型計算時間約為2 h。模型計算完成后，利用上述方法將模型計算的洪水淹沒數據轉換為具有時間序列特征的shapefile圖層，并以地圖服務的方式發布，發布數據量級約為500 M字節。遙感影像地圖采用切片地圖方式進行發布，地圖分辨率劃分為四個等級，能顯示不同詳盡程度的地物地貌信息。洪水淹沒時間序列數據和遙感影像地圖資源均可以利用REST方式訪問數據資源，并在瀏覽器端進行數據資源的聚合，將來自不同服務器的數據資源整合在一張地圖中。

圖3顯示了洪水最大淹沒范圍的渲染效果，以及淹沒水深時間序列數據網絡可視化的查詢效果。洪水淹沒水深按照水深大小劃分為5個等級，分別為小于0.5 m、0.5～1.0 m、1.0 ～2.0 m、2.0～3.0 m和大于3.0 m，淹沒水深的顏色從淺藍逐漸過渡到深藍。單擊選中任意計算網格，可以彈出該計算網格的水深隨時間變化的過程曲線，單擊曲線上任意節點，還可以進一步查詢到該節點的時間以及具體的水深值。

圖4顯示了不同時刻洪水淹沒范圍的瀏覽功能，利用淹沒時間序列滑塊，可以查看任意時刻該場次洪水的淹沒范圍，或者查看淹沒范圍隨時間變化的動態效果。

圖3 黃河下游最大淹沒范圍及水深時間序列

圖4 黃河下游不同時刻淹沒范圍時間序列

3 結 語

本文回顧了洪水淹沒數據網絡可視化的最新進展，根據洪水風險分析及防汛減災的需求，設計了二維洪水淹沒數據的網絡可視化架構。該架構利用高性能計算平臺計算得到洪水淹沒演進數據，利用ArcObject組件轉換為具有時間序列特征的洪水水深圖層。同時，將洪水水深數據資源及遙感影像地圖資源以REST方式發布為Web服務，提供給客戶端訪問。在系統架構的客戶端，聚合了不同數據資源，利用ArcGIS提供的JavaScript接口，實現了不同水深的顏色渲染，能查詢任意計算單元的水深隨時間變化的過程，并實現了洪水淹沒范圍時間序列數據的瀏覽。

該洪水淹沒數據的網絡可視化架構應用于黃河下游小浪底至河口區域，測試結果表明，該系統既能實現最大淹沒水深的顏色渲染，也能查詢任意計算單元的水深隨時間變化的過程。雖然洪水計算區域比較大，具有時間特征的淹沒水深數據量也比較大，但整個系統在頁面端顯示的效率是可以接受的。

下一步，將進一步優化系統的數據處理過程，利用GeoTools等開發工具，在模型計算過程中直接輸出shapefile圖層，簡化數據轉換流程，為黃河防汛減災提供更便捷的技術服務。