可視化技術在灌區信息系統中的應用

梁啟斌 陳武奮 江顯群

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510610)

隨著物聯網技術的普及以及大數據時代的到來，信息化與數字化技術已經融入包涵水利工程在內的社會生活的方方面面。灌區工程作為全國水利工程的重要組成部分，可以預見，未來全國灌區信息化、數字化建設會越來越快[1]，運用的技術和手段也越來越多，可視化技術就是其中之一。可視化技術和工具眾多，在水利工程建設中應用廣泛，李陽等[2]在水利水電工程金屬結構精準安裝中運用了BIM技術進行三維實體建模，模擬金屬結構裝配過程；佘根堅等[3]以GIS為平臺，建設灌區農水綜合改革管理信息系統。本文以錦江灌區為例，論述了灌區渠系概化圖、灌區WebGIS的制作和灌區數據展示圖表制作等可視化技術在灌區信息化系統中的應用。

1 可視化技術簡述

可視化是實現數據與人交互的窗口和工具，缺少可視化技術，存儲在計算機內的數據沒有任何意義。可視化的核心在于將數據清晰地敘述和藝術化地呈現，最終達到幫助用戶理解數據和作出決策的目標。目前，可視化技術包括數據可視化、科學計算可視化、信息可視化和知識可視化等[4]。

數據可視化是運用計算機數學算法和圖像處理技術，將數據轉化為二維或三維的圖像在屏幕上顯示出來，搭建人與數據之間交互橋梁的技術。

科學計算可視化是運用計算機數學算法和圖像處理技術，把生產建設活動、科研過程中產生的數據轉化為二維或三維的圖像在屏幕上顯示出來，搭建人與數據之間交互橋梁的技術。

信息可視化就是運用計算機數學算法對信息(如文字、圖像、語音和視頻等)在不同場景應用下，建立不同的數學模型，來強化人們對抽象信息的認知。

知識可視化是在上述三種可視化技術的基礎上，為了更好地利用人類社會日益豐富的信息而發展起來的新興研究領域，應用計算機數學算法和圖像處理技術并結合人類認知心理學，對信息的重點要點進行具象處理，使信息更容易被人們理解和記憶，從而促進群體知識的傳播和創新。

2 可視化技術應用現狀

目前，數據可視化、科學計算可視化、信息可視化這三類可視化技術在水利行業中的防洪減災、水利工程建設、城市內澇等領域應用較為廣泛，主要涉及的技術和工具有EchartChart、HTML、GIS、BIM等。例如運用GIS技術建設洪水預報調度系統[5]，運用BIM技術對水利水電工程進行可視化仿真等[6]。

目前，把可視化技術運用在灌區信息化上的案例比較少，大部分的灌區信息化管理系統還是以簡單的圖片和報表形式來展示數據。此外，也有一些大型灌區采用了GIS技術、RS遙感技術等，建設了基于三維的可視化信息管理系統[7]。不過這種建設方案投入的資金較大，不適合一些中小型灌區。對此，本文結合幾種常見的可視化技術和工具，為中小型灌區的信息化系統建設提供一個投入相對較低、使用高效、設計美觀的解決方案，為其他灌區信息化管理系統的開發提供借鑒。

3 錦江灌區工程概況

錦江灌區工程位于恩平市大田鎮境內，設計灌溉面積為20.20萬畝，是恩平市境內最大的灌溉工程。錦江灌區灌溉水源主要以錦江水庫供水、干渠攔截坡面徑流、鳳子山水庫供水為主，結合渠道沿線各小水庫、小山塘，組成一個“長藤結瓜”式灌溉工程。錦江灌區以錦江河為界分為兩部分，錦江河右岸為江南灌區(又稱河排灌區)，錦江河左岸為江北灌區(又稱錦北灌區)。

錦江水庫位于錦江河上游山區，錦江水庫下游4.5km處為江南干渠引水樞紐，攔河建筑物為水占陂，江南干渠進水閘位于水占陂上游右岸45m處，設計引水流量為35m3/s。水占陂下游5.9km處為江北干渠引水樞紐，攔河建筑物由江北陂和江北水閘組成，江北干渠進水閘位于江北水閘上游左岸300m處，設計引水流量為6.5m3/s。

目前，整個灌區共設置了34個水位流量監測站、2個水位監測站和1個圖像監測站，分布于干渠渠首和重要支渠的分水口。

4 錦江灌區工程可視化技術設計及應用分析

錦江灌區信息系統涵蓋灌區水位測量、水量計量、用水調度、水務管理、統計分析等應用子系統，對采集的空間地理數據、水利水文數據、水工建筑物數據進行分析處理，然后運用可視化技術，把數據結果直觀、簡潔地呈現給用戶。

4.1 灌區信息系統WebGIS的可視化

灌區信息系統WebGIS采用OpenLayers技術進行開發。OpenLayers按照OGC(開放地理空間信息聯盟，Open Geospatial Consortium)的規范封裝了訪問WMS及其他OCG服務的接口，是一個用于開發WebGIS客戶端的JavaScript包[8]。其支持的地圖來源包括Google Maps、百度地圖、Yahoo、微軟Virtual Earth等，甚至還可以用簡單的圖片地圖作為背景圖，與其他圖層在OpenLayers中進行疊加。本案例使用new ol.layer.Tile設置地圖來源為Google Maps，用Ajax發送網絡請求從數據庫獲取監測站點、渠道等地理信息數據，矢量數據經過處理后轉化為json格式的數據源，因此采用地理數據解析接口(new ol.format.GeoJSON)作為數據的解讀器，通過矢量數據配置接口(new ol.source.Vector)設置矢量數據。最后，運用ol.Map的layers方法設置圖層加載，例如瓦片底圖、矢量圖等，添加相應的圖層，監控站圖層見圖1。

圖1 WebGIS地圖監控站圖層

利用OpenLayers中已封裝的控件和函數，可以配置地圖上的比例尺(ol.control.ScaleLine)、圖例、坐標(ol.control.MousePosition)、渠道邊界(ol.layer.Vector)以及操作響應事件，常見的應用有：在地圖上移動鼠標時，在地圖左下角顯示鼠標所在的經緯度，可調用鼠標方法(new ol.control.MousePosition)方法進行配置，然后用控件添加方法(map.addControl)將方法與地圖綁定即可；可在單擊執行方法內編寫執行代碼，實現在地圖上單擊元素時，彈出小窗口，例如：單擊地圖上的圖標，彈出信息展示窗口，用于用戶與地圖進行動態交互，見圖2。

通過WebGIS技術，把晦澀難懂的渠道、水源地、渠系建筑物、監測站點等地理空間數據轉換成通俗易懂的圖形和線條，在數字地圖上直觀地呈現給用戶，提高用戶的交互體驗，從而實現灌區內各種信息的統一管理，全面提升灌區信息化管理的水平，實現灌區水資源的優化配置、高效利用。

4.2 灌區渠系概化圖的可視化

灌區系統WebGIS上顯示的信息繁復，內容抽象，無法以便捷的方式有效地把用戶關注的特別信息，如干渠與支渠的關系、各渠段的用水量和渠段水利用系數等，直觀地展示出來，不能滿足灌區用水配水的決策需求。因此，有必要對灌區的基礎數據進行集成，使其圖形化、可視化，最終形成灌區渠系概化圖[9]。

首先，利用Photoshop軟件，根據灌區實際的渠系分布情況，把渠系的分布特點提取出來，如干渠與各支渠的關系、各支渠上下游位置關系、各個水量站所在渠道位置等，使用對比強烈的色彩(紅藍兩色)，運用簡單的線條、點和圖形(水庫、水量站、干渠、支渠)畫出靜態的灌區渠系概化圖。

然后，通過HTML5技術，對灌區渠系概化進行下一步的加工，例如加上文字說明窗口、用戶交互按鈕等。最后，通過JavaScript中的Ajax方法調用數據接口，從數據庫獲取灌區的水量、渠道數據，實現在Web系統上動態展示的功能，見圖3。

圖3 灌區渠系概化

運用渠系概化圖，能直觀清晰地了解到整個灌區的來水和用水情況，提高灌區用水管理的效率，實現灌區各級管理部門根據采集的水資源數據進行總量掌握和各分量控制，實現對各級渠系水位流量的自動監測和調控，達到節約用水、合理配置水資源的目的，為灌區管理員制定用水計劃提供數據支撐。

4.3 采集數據的可視化

灌區信息化系統中，運用EchartChart可視化工具，可使數據表達更加簡潔美觀。EchartChart是一個純JavaScript的圖表庫[10]，能夠在電腦及移動設備上穩定運行，且對目前大部分瀏覽器都具有良好的兼容性，其底層由輕量級Canvas類庫ZRender構成，與傳統的報表相比，能提供直觀、生動、可交互、可高度個性化定制的數據可視化圖表。常用的圖表包括折線圖、柱狀圖、餅圖、散點圖、熱力圖等，案例中主要使用到折線圖和柱狀圖。選用合適的圖表類型，能把數據中隱含的重要信息直觀地展示給用戶，無須數據篩選等手段就能獲取有用數據。在圖4中，折線圖和柱狀圖顯示一段時間內水深和流量的變化趨勢，并且標識了水深的最大值和最小值，而兩者的結合，體現了水位和流量之間存在著正相關的關系，水深越高，流量越大，使用戶能直觀地了解到該監測站點的大致情況。

圖4 監測站點水深-流量關系圖

當圖表切換為水深-流速關系圖時，兩者都采用了折線圖來展示數據變化的趨勢，見圖5。通過兩者之間的對比，能看出流速隨著水深的變化而變化，水越深，流速越快。在時間上，流速的變化相對于水深的變化要慢一些，往往是水先變深，然后流速再變大；水先變淺，流速再變小。

圖5 監測站點水深-流速關系圖

此外，對灌區雨量數據可選用熱力圖來制作雨量等值線圖，從而分析降雨分布對灌區的影響；散點圖可以分析監測站點的水位流速流量關系；盒形圖(也叫箱形圖)可用于對灌區用水量進行分析，能顯示一組數據的最大值、最小值、中位數及上下四分位數，為用水配水提供數據支撐。

5 結 語

可視化技術運用到灌區信息化系統中，不僅提高了系統的可用性和交互性，而且提高了灌區管理人員的工作效率和整個灌區的管理水平，實現科學、及時、準確地調配灌溉用水，達到節約用水，高產、高效的目的。為了對灌區進行更有效的管理和監控，未來可以使用BIM技術對灌區內所有的水工設施、建筑物和渠道進行建模，實現灌區數字化管理及對灌區進行智能化監控，通過屏幕就能掌控灌區的整體運行狀況，為智慧灌區健康發展提供支撐。