分布式流域水文模型BTOPMC/SCAU地形模塊的可視化

肖紅玉+劉遠(yuǎn)+黃韓英+周買春

摘要：操作簡(jiǎn)單、顯示直觀、邏輯組織好的可視化界面，可有力促進(jìn)水文模型的研發(fā)、應(yīng)用、推廣和普及。根據(jù)分布式水文模型系統(tǒng)BTOPMC/SCAU中地形模塊對(duì)輸入的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼、數(shù)字河網(wǎng)提取、子流域劃分等工作內(nèi)容，開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單直觀、互動(dòng)性好的用戶操作界面，界面后臺(tái)采用可擴(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)，使地形模塊工作直接面向用戶。經(jīng)驗(yàn)證，BTOPMC/SCAU系統(tǒng)的地形模塊可視化、人機(jī)互動(dòng)性強(qiáng)、運(yùn)算速度快，在韓江流域水文模擬應(yīng)用中取得了較好的效果，為模型系統(tǒng)后期整體開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：分布式水文模型；BTOPMC/SCAU系統(tǒng)；DEM；地形模塊；韓江流域

中圖分類號(hào)：S271；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-1302（2014）11-0410-05

早在20世紀(jì)70年代，國(guó)外就開始了分布式水文模型的研究，主要有SHE、IHDM、SWAM、BTOPMC等模型[1-6]，80年代后至今，在原模型的基礎(chǔ)上，大多數(shù)分布式水文模型為適應(yīng)不同的用途進(jìn)行了再開發(fā)[7]。隨著計(jì)算機(jī)、軟件工程、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、數(shù)據(jù)庫(kù)、可視化技術(shù)的發(fā)展，水文學(xué)家和流域管理人員深刻地認(rèn)識(shí)到，擁有直觀、易操作、互動(dòng)性強(qiáng)的用戶視圖界面是研發(fā)、應(yīng)用、推廣和普及分布式水文模型必不可少的環(huán)節(jié)，是理論與應(yīng)用之間的橋梁與接口。系統(tǒng)與模型的發(fā)展相輔相成，系統(tǒng)的開發(fā)可以極大地促進(jìn)模型的發(fā)展，使模型走出實(shí)驗(yàn)室，在應(yīng)用中得到修改和驗(yàn)證。目前，國(guó)外知名的水文模型系統(tǒng)有丹麥水力學(xué)研究所（DanishHydraulicInstitute，DHI）的MIKE系列水文水資源軟件包、奧地利ESS公司（EnvironmentalSoftware&Services）的流域水資源分析及管理系統(tǒng)軟件Waterware、美國(guó)EMS公司（EnvironmentalModelingSystems）的流域模擬系統(tǒng)工具WMS（WatershedModelingSystem）等[8-10]，我國(guó)尚缺乏具自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、大型商業(yè)化應(yīng)用的綜合性水文模型集成工具軟件。

BTOPMC以分塊的方式應(yīng)用TOPMODEL模型，結(jié)合Muskingum-Cunge匯流方法，集合而成一個(gè)具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型[4-6]。Zhou等應(yīng)用Shuttleworth-Wallace雙源蒸散發(fā)模型估算流域的潛在蒸散發(fā)，完善了BTOPMC模型的產(chǎn)匯流模塊，形成了BTOPMC/SCAU模型[11]?；贒EM生成流域數(shù)字河網(wǎng)是許多分布式水文模型的基礎(chǔ)模塊（以下簡(jiǎn)稱地形模塊），是BTOPMC/SCAU模型的基礎(chǔ)模塊，目前，國(guó)內(nèi)外多數(shù)研究集中在理論算法和實(shí)際應(yīng)用這2個(gè)方面，可視化方面的研究較少。為降低系統(tǒng)的耦合性，提高靈活性、自適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，本研究以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)作為模塊的數(shù)據(jù)組織管理平臺(tái)，基于MVC設(shè)計(jì)模式，采用面向?qū)ο螅╫bject-oriented-programming，OOP）開發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)地形模塊的可視化，不僅可以作為水文學(xué)家開展科研工作的有力工具，也可以成為廣大流域管理人員的好助手?？梢暬蟮牡匦文K擁有良好的圖形化用戶界面（GUI），操作簡(jiǎn)單，用戶只需輸入原始DEM數(shù)據(jù)并選取集水面積閾值，系統(tǒng)將在后臺(tái)執(zhí)行洼地處理、流向確定、匯水面積計(jì)算、河網(wǎng)生成等一系列操作，并將提取的數(shù)字河網(wǎng)以圖像方式直觀地呈現(xiàn)，將地形模塊可視化開發(fā)的BTOPMC/SCAU系統(tǒng)應(yīng)用于韓江流域，與實(shí)際河網(wǎng)比較，提取的數(shù)字河網(wǎng)精度高，應(yīng)用效果好。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，模塊、視圖和控制器（model，viewandcontroller，MVC）設(shè)計(jì)模式[12-13]采用“分治”思想，將數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和表現(xiàn)進(jìn)行了分離。

模塊（model）是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要作用包括構(gòu)建地形模塊的數(shù)據(jù)模型和業(yè)務(wù)規(guī)則，向控制器提供對(duì)程序功能的訪問(wèn)，接受視圖的數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求，當(dāng)數(shù)據(jù)有變化時(shí)，通知對(duì)此數(shù)據(jù)感興趣的視圖。由于模塊部分需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，計(jì)算速度和運(yùn)行效率是其生命，C語(yǔ)言是程序設(shè)計(jì)高級(jí)語(yǔ)言之一，同時(shí)接近機(jī)器底層匯編語(yǔ)言，具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、數(shù)值計(jì)算快、結(jié)構(gòu)性好和易可讀的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是C語(yǔ)言可與目前主流的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言C++、Java、C#配合，適于開發(fā)高效的大型軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)模塊部分采用C語(yǔ)言開發(fā)，經(jīng)編譯后封裝成DLL，視圖通過(guò)JNI（JavaNativeInterface）接口調(diào)用DLL請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

視圖（view）是模型的外在表現(xiàn)，是應(yīng)用系統(tǒng)與外界的接口，主要功能是與外界交互，接收用戶的輸入，轉(zhuǎn)發(fā)給控制器并觸發(fā)應(yīng)用邏輯運(yùn)行，同時(shí)將邏輯運(yùn)行的結(jié)果以某種形式呈現(xiàn)給外界。與模型層不同，視圖層只關(guān)心數(shù)據(jù)的輸入和表現(xiàn)方式，而不考慮數(shù)據(jù)的獲取和處理方式，因此，操作簡(jiǎn)便性和界面美觀是視圖的重點(diǎn)。Java語(yǔ)言是純粹面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有簡(jiǎn)單、面向?qū)ο蟆⒎植际?、解釋性、健壯、安全與系統(tǒng)無(wú)關(guān)、可移植、高性能、多線程和動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)視圖部分采用Java語(yǔ)言、利用NetBeans工具進(jìn)行開發(fā)。

控制器（controller）是模型與視圖的聯(lián)系紐帶，控制器提取通過(guò)視圖傳輸進(jìn)來(lái)的外部信息，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)事件對(duì)模型進(jìn)行更新；同時(shí)，模型的更新與修改也將通過(guò)控制器來(lái)通知視圖，從而保持視圖與模型的一致性。本系統(tǒng)控制器由JNI接口完成，視圖和模塊之間通過(guò)JNI接口交互。JNI是Java本地調(diào)用接口，它允許Java語(yǔ)言和其他語(yǔ)言進(jìn)行交互。

表1列出了本系統(tǒng)模塊、視圖和JNI接口的組件，為保持程序良好的可讀性及一致性，JNI接口中的函數(shù)名稱與模塊層中函數(shù)名稱保持一致。通過(guò)MVC模式，既提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性、一致性與業(yè)務(wù)邏輯的隱蔽性，同時(shí)保證了系統(tǒng)的運(yùn)行速度和效率，系統(tǒng)具有強(qiáng)伸縮性、便于擴(kuò)展和流程維護(hù)等特性。

水文模型的輸入/輸出包括描述流域性質(zhì)的靜態(tài)數(shù)據(jù)和反映流域狀態(tài)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，在水文模型的開發(fā)階段，通常以標(biāo)準(zhǔn)的ASCII文件儲(chǔ)存在本地計(jì)算機(jī)上，ASCII文件具有讀寫速度快、易編程、較靈活等優(yōu)點(diǎn)，但也有難組織、不易查詢的缺點(diǎn)，尤其在后期數(shù)據(jù)管理和實(shí)時(shí)應(yīng)用很不方便，隨著多功能、綜合性分布式水文模型的發(fā)展，輸入/輸出數(shù)據(jù)的多樣性和復(fù)雜性大大增加，數(shù)據(jù)的維護(hù)和管理負(fù)擔(dān)很重[14]。為增強(qiáng)模型的數(shù)據(jù)管理能力，并考慮到后續(xù)產(chǎn)流模塊和匯流模塊的可視化研究，本系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)作為輸入/輸出平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)引擎采用通用的JDBC接口，數(shù)據(jù)庫(kù)表清單見(jiàn)表2。endprint

2理論與方法

BTOPMC是一個(gè)基于DEM的分布式水文模型，模型的核心部分包括地形模塊、產(chǎn)流模塊和匯流模塊，其中，地形模塊又包括洼地處理、流向確定、匯水面積計(jì)算、河網(wǎng)提取、劃分子流域等子模塊。地形模塊系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。DEM是地形模塊的基本輸入，DEM網(wǎng)格數(shù)據(jù)可以通過(guò)使用等高線圖進(jìn)行內(nèi)插取得，也可以通過(guò)衛(wèi)星圖像獲得。但無(wú)論用什么方法創(chuàng)建或獲取DEM，也不管其分辨率如何，都存在天然的和虛假的洼地。由于洼地的存在，會(huì)形成不切實(shí)際的水流方向，使全流域無(wú)法形成一個(gè)完整連續(xù)的河網(wǎng)。洼地的消除成了地形模塊首要解決的問(wèn)題[5]。

2.1洼地處理

在BTOPMC模型中，DEM的填洼處理采用高程增量迭加法，即按地貌傾斜度采用不同高程增量逐步填洼，每次填洼時(shí)，相鄰?fù)莸厝匀话吹孛驳目傮w趨勢(shì)保持一個(gè)輻合坡度[15]。填洼過(guò)程盡量減小修改高差的值，使其足夠小以避免產(chǎn)生新的洼地，或最大限度地限制新洼地的產(chǎn)生。填洼后形成的坡度與地形的實(shí)際坡度應(yīng)一致，避免實(shí)際地形被更改為和實(shí)際不符的地形。填洼高程增量計(jì)算公式為：dh（i，j）=hc[1-（αi+βj）/（Nr+Nc）]，式中，dh為洼地高于相鄰的最低網(wǎng)格點(diǎn)的高程增量；（i，j）為洼地所在網(wǎng)格的行坐標(biāo)和列坐標(biāo)；hc為通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)確定的一個(gè)常數(shù)，對(duì)于目前常用的DEM，一般先取hc=0.1m；α和β分別為x方向和y方向的地形傾斜角度權(quán)重系數(shù)，傾角越大，權(quán)重系數(shù)越大，近似取α=β=1。在填洼過(guò)后，洼地原始高程增大到一個(gè)新的高程hm，計(jì)算公式為：hm（i，j）=h0（i，j）+dh（i，j），式中，h0（i，j）為與洼地（i，j）相鄰的最低網(wǎng)格點(diǎn)的高程。

2.2流向確定

采用目前廣泛使用的D8法來(lái)確定柵格的水流方向，每個(gè)柵格限定8個(gè)可能的水流方向（圖3）[16]，網(wǎng)格單元之間有3種可能流程，分別是水平方向（dx）、垂直方向（dy）和斜向45°方向（[KF（]dx2+dy2[KF）]）。假如分辨率為dx×dy的DEM，點(diǎn)X是其中任意一個(gè)網(wǎng)格，而不是一個(gè)洼地，點(diǎn)P所在網(wǎng)格是X相鄰8個(gè)網(wǎng)格中最低的一個(gè)，根據(jù)D8法則，點(diǎn)X將流向網(wǎng)格P，流向代號(hào)為27=128。

2.3匯水面積計(jì)算

研究區(qū)域內(nèi)各柵格的上游匯水面積，可以用區(qū)域地形曲面的流水模擬方法[17-18]得到。假定DEM每點(diǎn)處有1個(gè)單位的水量，按照水從高處流向低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向分布計(jì)算每點(diǎn)處所流過(guò)的水量數(shù)值，便可以得到該區(qū)域匯水面積分布。在此過(guò)程中，實(shí)際上賦予了水流方向矩陣權(quán)值1，如果考慮特殊情況（如降水不均勻），則可以使用特定的權(quán)矩陣。從DEM到匯水面積的計(jì)算過(guò)程如圖4所示。

2.4河網(wǎng)生成

獲得匯水面積分布后，根據(jù)選取的河流源頭集水面積閾值提取數(shù)字河網(wǎng)[18-19]，基本思想是：凡是匯水面積大于或等于源頭集水面積閾值的網(wǎng)格即被定為河道，小于源頭集水面積則無(wú)法產(chǎn)生足夠的徑流形成水道。閾值的大小與所提取河網(wǎng)的疏密程度有關(guān)，閾值變小，河網(wǎng)密度增大，反之河網(wǎng)密度減小。

通過(guò)比較河源密度、河網(wǎng)密度與源頭集水面積閾值的關(guān)系來(lái)確定合理的源頭集水面積閾值。河源密度是指流域內(nèi)河流源頭個(gè)數(shù)與流域面積之比，河網(wǎng)密度是指流域內(nèi)河網(wǎng)長(zhǎng)度與流域面積之比，這2個(gè)參數(shù)能夠直接反映出相應(yīng)流域所提取的河網(wǎng)狀況。圖5所示分別為源頭集水面積閾值設(shè)定為2和4時(shí)由圖4-c匯水面積所提取的數(shù)字河網(wǎng)。

3.1流域概況

韓江流域位于粵東、閩西南（115°13′～117°09′E，23°17′～26°05′N），范圍包括廣東、福建、江西三省部分區(qū)域，其中，廣東省17851km2，占59.3%，福建省12080km2，占40.1%，江西省181km2，占0.6%，流域總面積30112km2，是廣東省除珠江流域外的第二大流域。韓江主源為梅江，發(fā)源于廣東省河源市紫金縣烏突山七星東，在廣東省梅州市大埔縣三河壩與發(fā)源于福建省寧化縣武夷山南段木馬山北坡的汀江匯合，三河壩以下始稱韓江，韓江干流經(jīng)韓江三角洲，分北、東、西溪在廣東省汕頭市出南海。

3.2DEM數(shù)據(jù)源

采用SRTM3（version4）[20]（水平分辨率為3″，約90m）DEM，覆蓋韓江流域范圍的柵格數(shù)為2199×3826（列×行），最大高程為1792m，最小高程-15m，平均高程396.9m，高程標(biāo)準(zhǔn)差262.8m，出現(xiàn)負(fù)高程是由數(shù)據(jù)誤差造成、低于海平面的洼地。

3.3生成河網(wǎng)及可視化顯示

為評(píng)估數(shù)字河網(wǎng)提取精度，將其與實(shí)際河網(wǎng)（來(lái)自地形圖）對(duì)比。圖6-a是提取的韓江流域數(shù)字河網(wǎng)，為朝安站以上流域，源頭集水面積閥值為40km2，與實(shí)際河網(wǎng)吻合良好，錯(cuò)誤河道很少，數(shù)字流域邊界與實(shí)際邊界也基本吻合，面積誤差僅0.57%；圖6-b和圖6-c分別是韓江流域官莊水文站以上的汀江流域和三河壩水庫(kù)以上的梅潭河流域數(shù)字河網(wǎng)和實(shí)際河網(wǎng)對(duì)比，數(shù)字河網(wǎng)源頭集水面積閥值1km2，實(shí)際河網(wǎng)從1∶28萬(wàn)的長(zhǎng)汀縣地圖、1∶25萬(wàn)的大埔縣和1∶23萬(wàn)的平和縣地圖獲得，2個(gè)子流域的數(shù)字河網(wǎng)與實(shí)際河網(wǎng)吻合良好。圖7為系統(tǒng)用戶界面和顯示的數(shù)字河網(wǎng)圖，界面左邊空白區(qū)域留待產(chǎn)流和匯流模塊使用。

4結(jié)論與展望

本系統(tǒng)集合了DEM洼地處理、水流方向確定、匯水面積計(jì)算、數(shù)字河網(wǎng)提取等子模塊，實(shí)現(xiàn)了分布式水文模型BTOPMC/SCAU地形模塊的可視化。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）基于MVC設(shè)計(jì)模式。將系統(tǒng)的模型層（數(shù)據(jù)層）、控制器和視圖層（表現(xiàn)層）分離，提高了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性與層次的清晰度，體現(xiàn)了高內(nèi)聚低耦合的軟件工程設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)具有良好的重用性、維護(hù)性和擴(kuò)展性，為后續(xù)產(chǎn)流模塊和匯流模塊的開發(fā)提供了預(yù)設(shè)接口。

（2）采用面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）思想和語(yǔ)言。視圖層由完全面向?qū)ο蟮腏ava編程語(yǔ)言完成，在設(shè)計(jì)過(guò)程中以對(duì)象和類為構(gòu)造單元，以方法、繼承、多態(tài)、消息傳遞為基本機(jī)制，對(duì)控制軟件的復(fù)雜性提供了有效手段，利用Java跨平臺(tái)的特性，只需要少量修改，地形模塊系統(tǒng)就可以部署在不同操作系統(tǒng)下運(yùn)行。endprint

（3）采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)管理模型數(shù)據(jù)信息，提高了輸入/輸出數(shù)據(jù)的規(guī)范性、安全性和易操作性，為數(shù)據(jù)檢索、分析和再開發(fā)提供了便利。

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（3）采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)管理模型數(shù)據(jù)信息，提高了輸入/輸出數(shù)據(jù)的規(guī)范性、安全性和易操作性，為數(shù)據(jù)檢索、分析和再開發(fā)提供了便利。

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江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)2014年第42卷第11期

羅紅旗，劉霞，陸孫事，等.播種帶淺旋式壟作保護(hù)性耕作技術(shù)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（11）：415-416.endprint

（3）采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)管理模型數(shù)據(jù)信息，提高了輸入/輸出數(shù)據(jù)的規(guī)范性、安全性和易操作性，為數(shù)據(jù)檢索、分析和再開發(fā)提供了便利。

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