黃河流域灌區生態環境演變仿真系統研究

姜仁貴　史仝樂　解建倉　

摘 要：當前黃河流域生態環境仍然脆弱，灌區作為一個開放式生態系統，較易受到自然和人類活動的影響，變化環境下灌區生態環境如何演變是當前研究熱點。以黃河流域灌區生態環境為研究對象，融合多源數據資源，設計并研發了黃河流域灌區生態環境演變仿真系統。采用大數據和信息集成等技術實現灌區歷史統計資料、空間地理信息和動態監測等多源數據資源的高效融合，構建黃河流域灌區生態環境數據資源庫;基于數字地球開發組件化的灌區生態環境演變仿真系統，提供灌區多源信息融合、生態環境監測、演變可視化仿真和應急管理等應用服務，為灌區生態環境保護提供輔助決策支持。以黃河流域典型灌區為例開展了實例應用，結果表明：構建的仿真系統可視化效果好、適應性強、可擴展性好，可為黃河流域生態保護和高質量發展提供技術支撐。

關鍵詞：流域生態保護;仿真系統;多源信息融合;灌區生態環境;黃河流域

中圖分類號：S274; TV882.1?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.010

Research on the Simulation System for Irrigated Area Ecological

Environment Evolution in the Yellow River Basin

JIANG Rengui1，2， SHI Tongle1， XIE Jiancang1， YU Xiang1， LIANG Jichao1

（1.State Key Laboratory of Eco-Hydraulics in Northwest Arid Region of China， Xian University of Technology， Xian 710048， China;

2.Department of Geography， National University of Singapore， Singapore 117570， Singapore）

Abstract：Recently， the ecological environment in the Yellow River Basin （YRB） is still fragile. As an open ecosystem， irrigation area is more susceptible to be affected by both natural and human activities. The ecological environment evolution of irrigation area under changing environment is a current research hot spot. This paper focused on the ecological environment of irrigation area in YRB， integrated the multi-source information resources， designed and developed a simulation system for ecological environment evolution. The multi-source data resources such as historical statistics data， spatial geographic information and dynamic monitoring data were efficiently integrated by using big data and information integration technologies. The ecological environment for irrigation area database of YRB was established to support the system. The component-based simulation system for ecological environment evolution in irrigation was developed by using digital earth as the basic platform. The typical application service of the system including multi-source information fusion， ecological environment monitoring， evolution visualization simulation and emergency management were proposed. The simulation system could provide auxiliary decision support for the ecological environment protection in irrigation. Taking the typical irrigation area in the Yellow River basin as an example， the results show that the simulation system established has good visualization effect， strong applicability and good expansibility， which provides technical support for the ecological protection and high-quality development of YRB， thus it has good application prospect.

1.3 數字地球基礎平臺框架

為了給用戶提供好的可視化效果，將三維數字地球基礎組件WorldWind作為系統的基礎平臺，該組件由美國NASA組織開發，目前提供多種開發語言版本。考慮到系統的平臺無關性和用戶體驗，將Java SDK作為基礎組件[11]，該組件在高性能計算能力支持下，由一系列層次遞進模型框架構成，主要包括可視化球體模型、圖層管理器、視圖加載器、配置文件、事件觸發和監聽等，組件底層通過遙感影像數據和數字高程模型（DEM）構造出研究區域的地形地貌，搭建基礎的灌區實體要素三維仿真和虛擬現實環境，通過WebGIS與遙感影像無縫對接，增強GIS服務效能。融合多種空間信息規范以及水利行業標準，以瓦片金字塔和數據集成中間件方式對空間地理信息和灌區數據資源進行集成和融合，并在互操作綜合服務環境支撐下，面向灌區生態環境演變提供虛擬現實環境接口，支持系統應用層的實現。

1.4 系統標準化互操作服務

基于數字地球基礎平臺，采用投影變換并行算法，對遙感影像按影像金字塔模型進行切片處理，構建遙感影像瓦片描述及網絡地圖服務（WMS）環境，進而建立空間影像瓦片索引及鄰域檢索機制和層次模型，實現視域內像素點及經緯度之間的轉換[12]。通過瓦片金字塔服務構建系統三維視域模型，瓦片金字塔作為一種多分辨率層次模型，在統一的空間投影參照下，按照不同空間分辨率將整幅影像或DEM數據分割成塊進行存放，通過經緯度記錄子塊位置的空間索引，響應不同分辨率數據的訪問和存儲需求，通過空間代價換取時間代價，提高系統訪問效率。影像金字塔所提供的分層數據管理和數據緩存技術，可以實現對海量地理數據的高效組織管理，并容易實現與數據內容、顯示區域無關的多分辨率流暢顯示。采用開放地理空間信息聯盟（OGC）標準空間地理信息規范實現地圖數據發布、疊加和渲染，以及數據通信、信息編碼和地理信息的建模、傳輸和存儲等服務[13]。

2 應用實例

2.1 研究區概況

黃河發源于青海省巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地，全長5 464 km，流域面積79.5萬km2。據統計，截至2018年年底，黃河流域省份總人口和生產總值分別占全國的30.3%和26.5%[1]。流域內典型灌區主要包括黃河上游寧夏回族自治區的青銅峽灌區和內蒙古自治區的河套灌區，黃河中游陜西省的東雷抽黃灌區和涇惠渠灌區，黃河下游河南省的人民勝利渠灌區和山東省的簸箕李灌區等。通過對搜集數據資料和生態環境動態監測數據分析發現，灌區水資源和生態環境等方面還存在一些問題，制約著黃河流域生態保護與高質量發展。

2.2 系統應用功能

結合黃河流域灌區生態環境現狀和存在的問題，將設計的灌區生態環境演變仿真系統應用到黃河流域灌區生態環境演變中，以黃河流域典型灌區為例，驗證構建的仿真系統的可行性和實用性。受篇幅限制，重點以基于系統的多源信息融合服務、灌區生態環境影響因素監測、典型灌區土壤含鹽量動態模擬和典型灌區干旱評價服務4個功能為例闡述系統的應用效果。

基于系統的河套灌區多源信息融合服務應用實例見圖2。該服務為河套灌區基礎信息、空間地理信息、工情和雨水情信息等提供多源信息融合、分析和三維可視化展示等，基礎信息和空間地理信息主要包括灌區DEM、GIS、遙感影像和土地利用數據等，雨水情信息主要包括河套灌區生態環境相關的降水、徑流、水位等因素，工情主要包括河套灌區內水庫工程、水電站工程和機電井工程等信息。

圖2 基于系統的河套灌區多源信息融合服務

基于系統的涇惠渠灌區生態環境因素監測服務應用實例見圖3。該服務在剖析涇惠渠灌區生態環境問題的基礎上識別涇惠渠灌區生態環境影響因子，基于系統對涇惠渠灌區生態環境的影響因素進行動態監測和可視化仿真，潛在的影響因素主要包括雨水情、流量和水位等水文因素，供用水量等水資源因素，灌區土壤含鹽量、墑情、種植結構等。采用線性回歸、Mann-Kendall檢驗等方法對長時序統計資料進行特征分析，基于系統的三維可視化基礎環境對其進行可視化展示。

圖3 基于系統的涇惠渠灌區生態環境因素監測服務

基于系統的青銅峽灌區土壤含鹽量動態模擬應用實例見圖4。該服務改變傳統靜態分析為基于系統的動態可視化模擬，采用多源信息融合技術剖析青銅峽灌區生態環境影響因素，包括土壤含鹽量、墑情和地下水水位等，基于系統對上述影響因素進行分析，并將分析結果通過插值進行空間展布，按照系統提供的互操作服務將結果進行可視化展示。

圖4 基于系統的青銅峽灌區土壤含鹽量動態模擬

基于系統的涇惠渠灌區干旱評價應用實例見圖5。該服務采用標準化降水指數（SPI）評價涇惠渠灌區干旱情況[14]，將SPI計算過程組件化，從系統構建的灌區生態環境數據資源庫中獲取相關的數據計算得到結果，并將計算結果進行插值和空間三維展布，進而得到不同時期灌區干旱空間分布情況，為灌區相關管理人員提供決策支持。

圖5 基于系統的涇惠渠灌區干旱評價服務

3 結 語

針對灌區生態環境演變關鍵問題，從非工程措施出發，基于數字地球三維可視化環境設計、研發了灌區生態環境演變仿真系統，并以黃河流域典型灌區為例開展了實例應用，結果表明：該系統在對灌區生態環境相關數據資源整合和分析的基礎上，構建灌區生態環境數據資源庫，實現灌區空間地理信息、歷史統計資料和動態監測生態環境相關數據的高效組織和管理，通過系統的可視化集成環境為用戶提供個性化灌區信息管理、生態環境監測、應急管理、空間分析等服務，具有較好的三維可視化效果，并且具有較好的適應性。

系統為灌區生態環境演變提供三維可視化仿真環境，在黃河流域青銅峽灌區、河套灌區和涇惠渠灌區的應用實例表明：模擬效果和實際調研資料分析結果較為吻合;系統采用組件化軟件開發技術，將數據資源和計算過程以組件的方式提供信息服務和計算服務，可擴展性好，避免了傳統應用系統重復建設等問題。

參考文獻：

[1] 習近平.在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上的講話[J].求是，2019（20）：1-7.

[2] 左其亭.黃河流域生態保護和高質量發展研究框架[J].人民黃河，2019，41（11）：1-6.

[3] 李國英.黃河治理的終極目標是“維持黃河健康生命”[J].人民黃河，2004，26（1）：1-2.

[4] 楊龍，高占義.灌區建設對生態環境的影響[J].水利發展研究，2005（9）：18-23.

[5] KANG S Z， HAO X M， DU T S， et al. Improving Agricultural Water Productivity to Ensure Food Security in China Under Changing Environment： from Research to Practice[J]. Agricultural Water Management， 2017， 179： 5-17.

[6] LI R H， LIN H， NIU H P， et al. Effects of Irrigation on the Ecological Services in an Intensive Agricultural Region in China： a Trade-off Perspective[J]. Journal of Cleaner Production， 2017， 156： 41-49.

[7] ZHANG P Y， QIN C Z， HONG X， et al. Risk Assessment and Source Analysis of Soil Heavy Metal Pollution from Lower Reaches of Yellow River Irrigation in China[J]. Science of the Total Environment， 2018， 633： 1136-1147.

[8] 柴立，張晴，解建倉，等.基于主題分類和組件技術的灌區生態環境動態評價[J].農業工程學報，2017，33（24）：174-181.

[9] 楊柳，汪妮，解建倉，等.基于多源信息融合決策的灌區生態環境評價指標優選[J].農業工程學報，2015，31（14）：225-231.

[10] 姜仁貴，解建倉，李建勛，等.組件式雨水情應用集成平臺設計與開發[J].水力發電學報，2012，31（6）：89-95.

[11] 姜仁貴，解建倉，李建勛.面向防汛的三維預警監視平臺研究與應用[J].水利學報，2012，43（6）：749-755.

[12] 姜仁貴，楊思雨，解建倉，等.城市內澇三維可視化應急管理信息系統研究[J].計算機工程，2019，45（10）：46-51.

[13] 姜仁貴，于翔，解建倉，等.水利電子沙盤研究與應用[J].華北水利水電大學學報（自然科學版），2017，38（1）：13-17.

[14] JIANG R G， XIE J C， HE H L， et al. Use of Four Drought Indices for Evaluating Drought Characteristics Under Climate Change in Shaanxi， China： 1951-2012[J]. Natural Hazards， 2015， 75（3）： 2885-2903.

【責任編輯 呂艷梅】

收稿日期：2019-10-26

基金項目：國家重點研發計劃項目（2016YFC0401409）;國家自然科學基金資助項目（51679188，51509201，51979221）;陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2018JM5031）

作者簡介：姜仁貴（1985—），男，江西玉山人，副教授，研究方向為城市防洪減災與應急管理

通信作者：解建倉（1963—），男，陜西眉縣人，教授，研究方向為水資源管理及決策支持系統、水利信息化

E-mail：jcxie@xaut.edu.cn