水文模型與GIS二元結(jié)構(gòu)集成方法與實(shí)現(xiàn)

王船海，楊 勇，丁賢榮，任立良，張曉祥

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098;3.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

20世紀(jì)60—70年代，GIS和水專業(yè)建模技術(shù)獨(dú)立發(fā)展，而到80年代后期，才開始GIS和水文模型的集成研究［1］。這種發(fā)展一方面是源于GIS界渴求提高GIS的分析功能［2］，另一方面也是由于水科學(xué)研究人員對(duì)精確地理信息越來(lái)越多的需求［3］。

Goodchild等［4］認(rèn)為，GIS與水文模型的集成已成為改進(jìn)GIS技術(shù)空間分析和建模能力研究的重要組成部分。當(dāng)前GIS的表示方法和分析功能適合于地圖圖層和幾何變換，Gatrell［5］將一個(gè)隱含的基于經(jīng)典牛頓力學(xué)的絕對(duì)空間概念化的方法，空間通過(guò)平面強(qiáng)制進(jìn)行概化，這種概化將空間強(qiáng)制為幾何索引，并且時(shí)間作為離散的“時(shí)間片段(timeslice)”?！皶r(shí)間片段”模型能滿足很多研究的需要，但動(dòng)態(tài)表達(dá)方法中斷了地理對(duì)象的連續(xù)性，可能導(dǎo)致錯(cuò)失時(shí)序中所包含的地理事件的連續(xù)性，以及無(wú)法完成水文模型的時(shí)空建模。因此，支持復(fù)雜地理對(duì)象及連續(xù)地理現(xiàn)象的表達(dá)、建模與模擬成為GIS研究的熱點(diǎn)［6］。

Karimi等［7］認(rèn)為GIS與水文模型的集成與基于GIS環(huán)境的其他建模不相同，主要表現(xiàn)為水專業(yè)建模相對(duì)于其他專業(yè)建模，實(shí)踐性更強(qiáng)。目前，水文模型發(fā)展已經(jīng)較成熟，模型幾乎可以模擬水循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)，而GIS廣泛應(yīng)用于建立各種不同尺度的空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理和決策支持系統(tǒng)，促使涉水行業(yè)和水科學(xué)技術(shù)的發(fā)展愈來(lái)愈依賴GIS技術(shù)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，水文模型和GIS集成的表現(xiàn)主要分為4種方式［8］:(a)GIS功能嵌入水文模型，如RiverCAD，HECRAS，RiverTools和 MODFLOW。(b)水文模型嵌入 GIS平臺(tái)，如 USACE的 HEC-SAS，ESRI的 ArcGIRD。(c)水文模型與GIS的松散耦合，多個(gè)單獨(dú)的軟件集成，如GIS軟件包和水文/水利建模程序或者統(tǒng)計(jì)軟件集成。(d)水文模型與GIS的緊密耦合，定制統(tǒng)一的應(yīng)用程序界面，將多個(gè)軟件的功能集成在一起。

以上4種集成方式都只是單純的技術(shù)驅(qū)動(dòng)，是采用開放簡(jiǎn)單的接口，以數(shù)據(jù)形式進(jìn)行的集成，耦合程度是淺表性的，是數(shù)據(jù)而不是結(jié)構(gòu)上的集成，因此這類集成方式在結(jié)構(gòu)上存在以下問(wèn)題:

a.時(shí)空特征問(wèn)題。水文要素的地理空間主要描述水體的運(yùn)行環(huán)境，這些水文要素隨著時(shí)間不斷地變化。這種時(shí)空變化特征是水文分析與模擬過(guò)程中一個(gè)不可缺少的基本條件。而傳統(tǒng)的GIS側(cè)重于空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的表達(dá)和分析，在時(shí)態(tài)性方面比較欠缺［9］，雖然在多年前就已經(jīng)提出了時(shí)態(tài)GIS的概念，但近幾年此方面進(jìn)展緩慢。水文模型是偏重于與時(shí)間相關(guān)的過(guò)程性模型，而GIS大多解決的是與時(shí)間無(wú)關(guān)的地學(xué)模型問(wèn)題，這就嚴(yán)重阻礙了兩者之間的集成。

b.拓?fù)潢P(guān)系問(wèn)題。矢量GIS中的拓?fù)涫且粋€(gè)嚴(yán)格、基礎(chǔ)的概念。拓?fù)涫茄芯康乩韺?shí)體在空間上如何關(guān)聯(lián)的重要基礎(chǔ)。GIS中，地理數(shù)據(jù)主要由定位特征數(shù)據(jù)、屬性特征數(shù)據(jù)和拓?fù)涮卣鲾?shù)據(jù)等3種數(shù)據(jù)類型組成，其中定位特征數(shù)據(jù)與拓?fù)涮卣鲾?shù)據(jù)歸為空間特征數(shù)據(jù)，所以拓?fù)潢P(guān)系是GIS中不可缺少的一部分，它記錄了各對(duì)象相互之間的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系。

拓?fù)潢P(guān)系水文數(shù)據(jù)模型是以“結(jié)點(diǎn)-弧段-多邊形”拓?fù)潢P(guān)系為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)模型。傳統(tǒng)的GIS拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)方法在常規(guī)的地理信息表達(dá)方面有著較好的應(yīng)用。但水文是一個(gè)專業(yè)性較強(qiáng)的領(lǐng)域，它所研究的對(duì)象往往是一些復(fù)雜的地理對(duì)象，如堤線、一般地形區(qū)域、河道地形區(qū)域等。這些復(fù)雜的地理對(duì)象是由很多簡(jiǎn)單的GIS對(duì)象(點(diǎn)、線、面)組成，它們內(nèi)部有著自身特定的拓?fù)潢P(guān)系，如上下游斷面位置。如果以傳統(tǒng)的GIS拓?fù)潢P(guān)系，即對(duì)線等簡(jiǎn)單GIS對(duì)象記錄起始點(diǎn)及左右多邊形的方法來(lái)描述水文中的復(fù)雜GIS對(duì)象，工作將相當(dāng)繁瑣，難以完成復(fù)雜的水文分析［10］，所以解決水文模型中復(fù)雜對(duì)象的拓?fù)潢P(guān)系非常重要。

c.二、三維地理對(duì)象表現(xiàn)一致性問(wèn)題。現(xiàn)行的二維GIS中已有成型的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如點(diǎn)、線、面、柵格、TIN等。真實(shí)的地理對(duì)象結(jié)構(gòu)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，三維GIS中關(guān)于地理對(duì)象的表達(dá)方面目前還沒(méi)有一個(gè)一致認(rèn)可的基本結(jié)構(gòu)表述模型［6］，更談不上二、三維地理對(duì)象結(jié)構(gòu)表述的一致性問(wèn)題，而對(duì)于二、三維地理對(duì)象表述一致性問(wèn)題，實(shí)際上是二、三維GIS的融合集成問(wèn)題。

d.GIS地理分析功能不足問(wèn)題。GIS地理分析功能不足制約GIS應(yīng)用發(fā)展最主要的因素。GIS在地學(xué)統(tǒng)計(jì)分析模型方面功能完善。地學(xué)統(tǒng)計(jì)分析模型是指:數(shù)字高程模型、空間統(tǒng)計(jì)分析模型、路徑分析模型、地形特征值提取模型、緩沖區(qū)分析模型、疊置分析模型等，這些模型均是非過(guò)程性靜態(tài)模型，對(duì)于這些模型目前的GIS處理比較完善;但GIS在處理過(guò)程性動(dòng)態(tài)模型(如水文模型)方面能力不足，這就是所謂的時(shí)態(tài)GIS相關(guān)的問(wèn)題，而過(guò)程性動(dòng)態(tài)模型是目前GIS應(yīng)用的關(guān)鍵，流域管理模型中的主要模型均是過(guò)程性動(dòng)態(tài)模型。GIS只有解決了過(guò)程性動(dòng)態(tài)模型的應(yīng)用問(wèn)題，才能解決GIS“用”的問(wèn)題，才能擴(kuò)充GIS的分析能力。

筆者認(rèn)為造成GIS模型與水文模型無(wú)法有效集成的根本原因還是在于它們的基本時(shí)空概念不同，GIS時(shí)空概念基于拉格朗日運(yùn)動(dòng)觀，而水文模型的時(shí)空概念主要基于歐拉運(yùn)動(dòng)觀，兼?zhèn)淅窭嗜者\(yùn)動(dòng)觀，兩者空間數(shù)據(jù)表達(dá)模式不同。朱雪芹等［11］提出水文模型和GIS集成的“高層次共實(shí)體”的概念，基于此概念框架，研究運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)GIS環(huán)境下的互操作。

2 水文模型與GIS模型的二元方法論

GIS時(shí)空概念基于拉格朗日運(yùn)動(dòng)觀［11］。Goodchild等［4］的地理信息科學(xué)的學(xué)科，新型地理概念的模型、地理概念的計(jì)算實(shí)施和信息社會(huì)的地理3個(gè)核心要素，從理論上論證了目前GIS中關(guān)于基于拉格朗日運(yùn)動(dòng)觀的時(shí)空概念，對(duì)于基于地理信息科學(xué)的水文建模的研究很重要，但無(wú)法解決基于歐拉運(yùn)動(dòng)時(shí)空概念觀的過(guò)程性模型(如流域水文模型)的問(wèn)題。

流域水文模型的時(shí)空概念主要基于歐拉運(yùn)動(dòng)觀，兼?zhèn)淅窭嗜者\(yùn)動(dòng)觀［11］。如用水文模型分析計(jì)算某一河段的洪水過(guò)程，需要將流域的降雨、蒸發(fā)、土壤水、地下水、河道徑流等的時(shí)空分布及其相互轉(zhuǎn)換相關(guān)參數(shù)，產(chǎn)匯流計(jì)算的過(guò)程與結(jié)果符合水量平衡和能量平衡原理［12］。從地理對(duì)象角度，降雨、蒸發(fā)、土壤水、地下水、河道徑流屬于不同類型的地理對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都不是簡(jiǎn)單的地理對(duì)象，每種轉(zhuǎn)換關(guān)系都不是簡(jiǎn)單的地理關(guān)系。簡(jiǎn)單地理對(duì)象、簡(jiǎn)單地理關(guān)系可賦予一個(gè)均值，而復(fù)雜地理對(duì)象及關(guān)系是非均值。

GIS模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)屬于空間對(duì)象并聯(lián)式離散結(jié)構(gòu)，水文模型結(jié)構(gòu)屬于地理對(duì)象串、并聯(lián)混合式有機(jī)整體結(jié)構(gòu)［13］。在討論GIS模型與水文模型集成問(wèn)題方面，本文將GIS模型與水文模型之間不同的模型對(duì)象結(jié)構(gòu)稱為二元結(jié)構(gòu)。

3 二元結(jié)構(gòu)共享理論基礎(chǔ)

在解決具體流域地理空間問(wèn)題時(shí)，水文模型對(duì)象與GIS對(duì)象是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，只是兩者的服務(wù)目的、關(guān)注的問(wèn)題、解決的方法均不同，各自數(shù)據(jù)要求不同。但兩者共同關(guān)注的地理對(duì)象是相同的，如流域、水系、地形等。

水文模型對(duì)象與GIS對(duì)象絕大部分具有空間、對(duì)象、基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均相同的特征，即水文模型與GIS的對(duì)象具有重合性，如圖1所示。但水文模型對(duì)象需要在基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)重組。對(duì)象的可重合性是水文模型與GIS信息需要并可以結(jié)合在一起的理論基礎(chǔ)。因此，筆者認(rèn)為水文模型與GIS可共建一個(gè)復(fù)雜GIS對(duì)象共享體，即公共的復(fù)雜GIS對(duì)象體。復(fù)雜GIS對(duì)象具有空間特征與地理過(guò)程的復(fù)合屬性，而且是由系列基本GIS對(duì)象有機(jī)組合而成。其基本GIS對(duì)象的空間信息通過(guò)普通GIS和專業(yè)GIS獲取，但其水文地理特性是通過(guò)水文監(jiān)測(cè)或模型計(jì)算賦予的，所以GIS具有地理過(guò)程機(jī)理分析屬性，水文模型具備地理空間關(guān)系分析與表達(dá)能力。這與朱雪芹等［11］的水文模型和GIS集成的“高層次共實(shí)體”概念的展望一致。

圖1 GIS模型對(duì)象結(jié)構(gòu)與水文模型對(duì)象結(jié)構(gòu)存在重合部分Fig.1 Overlap of GIS model object structure and hydrological model object structure

4 二元結(jié)構(gòu)共享體

基于水文模型與GIS在結(jié)構(gòu)上具有重合性的客觀現(xiàn)實(shí)以及構(gòu)建復(fù)雜GIS對(duì)象共享體的可行性，筆者認(rèn)為要跨越水文模型與GIS二元結(jié)構(gòu)信息交互的鴻溝，需要構(gòu)建水文模型與GIS之間公共的復(fù)雜GIS對(duì)象，其技術(shù)路線為在兼容現(xiàn)有的水文模型與GIS結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以水文模型及應(yīng)用需求為主，以GIS為支撐，構(gòu)建相同地理空間的雙對(duì)象二元結(jié)構(gòu)共享體。雙對(duì)象是指GIS對(duì)象與水文模型對(duì)象，其模型的系列信息結(jié)構(gòu)保持一致，以保證GIS對(duì)象與水文模型對(duì)象二者之間的信息交互與共享。

如圖2所示，在GIS對(duì)象中引入水文模型對(duì)象簇系列，形成新的雙對(duì)象二元結(jié)構(gòu)共享體，共享體既包括原來(lái)的GIS對(duì)象，又包括水文模型對(duì)象，因此能與單獨(dú)的某一類數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。由于不同水文模型對(duì)GIS對(duì)象的需求不同，可以通過(guò)不同GIS對(duì)象與不同水文模型對(duì)象重組實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

雖然GIS對(duì)象與水文模型對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過(guò)一一對(duì)應(yīng)的形式實(shí)現(xiàn)集成，但兩者的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大部分不一致，依舊無(wú)法解決兩者信息交互高效、流暢的問(wèn)題。所以在構(gòu)建一一對(duì)應(yīng)二元結(jié)構(gòu)共享體時(shí)還要分析2個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，重新定義兩者共用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)GIS對(duì)象與水文模型對(duì)象的集成。

圖2 雙對(duì)象二元結(jié)構(gòu)共享示意圖Fig.2 Schematic diagram of double-object structure sharing

筆者認(rèn)為雙對(duì)象二元結(jié)構(gòu)共享體具有2個(gè)特征:(a)在共享體內(nèi)部2個(gè)對(duì)象簇系列間的對(duì)象一一對(duì)應(yīng);(b)共享體兩者通過(guò)相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)合二為一。由本文可知，流域管理模型中的過(guò)程性動(dòng)態(tài)模型(如數(shù)字水文模型)是基于歐拉運(yùn)動(dòng)觀的時(shí)空概念，因此，運(yùn)用二元結(jié)構(gòu)共享體可以使GIS在2種不同的時(shí)空運(yùn)動(dòng)觀(拉格朗日運(yùn)動(dòng)觀與歐拉運(yùn)動(dòng)觀)概念之間共享并兼容。

5 構(gòu)建二維河道共享體

河道二維模型相應(yīng)的GIS對(duì)象主要要求能夠反映河道二維曲線網(wǎng)格信息并通過(guò)該二維曲線網(wǎng)格信息查詢河道二維模型計(jì)算成果。成果主要包括:節(jié)點(diǎn)水位、節(jié)點(diǎn)水深、流速矢量、斷面流量等水力要素信息。

作為GIS對(duì)象的河道二維模型需要表現(xiàn)的有:河道的區(qū)域邊界、垂直水流方向的線、平行水流方向的線、節(jié)點(diǎn)地形高程、對(duì)象要素的顏色及寬度等屬性。在水文模型計(jì)算中，需要河道二維模型對(duì)象的邊界線、網(wǎng)格編號(hào)、節(jié)點(diǎn)地形高程、節(jié)點(diǎn)水位、節(jié)點(diǎn)流速(u，v)及模型計(jì)算所需的基本網(wǎng)格派生的計(jì)算參數(shù)。

通過(guò)分析得到GIS與水文模型都需要河道的區(qū)域邊界、垂直水流方向的線、平行水流方向的線、節(jié)點(diǎn)地形高程等信息。如表1所示，復(fù)雜GIS對(duì)象共享體一般分為3個(gè)部分:(a)GIS對(duì)象與水文模型對(duì)象共同需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);(b)GIS對(duì)象表現(xiàn)必須的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);(c)表現(xiàn)模型計(jì)算成果的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖3為河道二維模型對(duì)象共享體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建流程。通過(guò)分析河道二維GIS與水文模型的特征，在兼容兩者模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以河道的二維水文模型應(yīng)用需求為主，以二維GIS對(duì)象模型為支撐，構(gòu)建相同地理空間的雙對(duì)象二元結(jié)構(gòu)共享體。

從河道二維共享體參數(shù)以及構(gòu)建流程可見(jiàn)，在河道二維GIS對(duì)象中，如果采用點(diǎn)、線、面組合形式非常復(fù)雜，而在共享體中通過(guò)二維數(shù)組就可以方便地將河道二維網(wǎng)格信息、節(jié)點(diǎn)水位、節(jié)點(diǎn)流速(u，v)及節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)清楚。

圖3 河道二維共享體構(gòu)建流程Fig.3 Construction process of two-dimensional river model double-object structure sharing body

表1 河道二維模型部分參數(shù)Table 1 Parameters of two-dimensional river model

基于雙對(duì)象二元結(jié)構(gòu)共享體的設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建二元結(jié)構(gòu)共享體，將模型對(duì)象與GIS對(duì)象一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了GIS與水文模型的集成。二元結(jié)構(gòu)共享方法已成功運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，河海大學(xué)數(shù)字流域系統(tǒng)就是基于這一設(shè)計(jì)思路研發(fā)而成，該系統(tǒng)已在太湖、淮河等流域得到廣泛運(yùn)用。河道二維模型在數(shù)字流域系統(tǒng)中的效果見(jiàn)圖4。

6 結(jié) 語(yǔ)

圖4 河道二維模型對(duì)象共享體效果圖Fig.4 Rendering of two-dimensional river model object sharing body

二元結(jié)構(gòu)共享方法的核心在于共享體，共享體內(nèi)部強(qiáng)調(diào)GIS對(duì)象與模型對(duì)象的一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了將拉格朗日運(yùn)動(dòng)觀與歐拉運(yùn)動(dòng)觀2種不同的時(shí)空概念在共享體中兼容與共享;共享體使地理對(duì)象與與之對(duì)應(yīng)的水文模型對(duì)象具有相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解決了兩者間交互效率低的問(wèn)題。運(yùn)用二元結(jié)構(gòu)共享方法設(shè)計(jì)研發(fā)的數(shù)字流域系統(tǒng)在太湖、淮河等流域的生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。因此，二元結(jié)構(gòu)共享方法可以實(shí)現(xiàn)水文模型與GIS更加緊密的集成，是實(shí)現(xiàn)GIS模型化與水文模型GIS化行之有效的方法。

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