基于ArcGIS Server的水動力流速場網(wǎng)絡可視化

王 敏， 賴瑞勛，王 明

（1.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003）

基于ArcGIS Server的水動力流速場網(wǎng)絡可視化

王 敏1， 賴瑞勛1，王 明1

（1.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003）

傳統(tǒng)的流速場網(wǎng)絡可視化通常將流速場數(shù)據(jù)轉化為GIS支持的圖層，其缺點是前處理工作量很大，且可視化效果并不理想。在ArcGIS Server平臺上，擴展了ArcObjects組件，定義了流速場Web服務組件，實現(xiàn)了流速場數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡可視化，并應用于山東東平湖蓄滯洪區(qū)風險圖展示系統(tǒng)。結果表明，該方法能將流速場信息直接發(fā)布到網(wǎng)絡瀏覽器中，既提高了流速場的可視化效率又增強了可視化效果。

洪水風險圖；WebGIS；網(wǎng)絡可視化

洪水風險圖是直觀展示洪水特征及其影響范圍、影響對象和影響程度的圖形，是規(guī)避洪水風險，減低洪災損失的一項重要而有效的非工程措施[1]。

洪水風險圖的可視化是風險信息傳播的重要途徑，涉及到風險數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)可視化兩個方面的問題。一方面，水動力數(shù)學模型是洪水風險數(shù)據(jù)的主要來源，其以動力理論為基礎，根據(jù)不同邊界條件計算得到不同量級洪水的淹沒范圍、流速、水深、淹沒歷時等信息；另一方面，隨著GIS技術的發(fā)展，洪水風險圖可以方便地疊加地理信息以及社會經(jīng)濟信息，尤其是以WebGIS為代表的網(wǎng)絡地圖，在洪水風險圖信息化中發(fā)揮了越來越重要的作用[2-4]。然而，水動力數(shù)學模型通常根據(jù)所采用的數(shù)值格式對計算區(qū)域進行離散，其計算結果具有自身特有的數(shù)據(jù)結構和存儲方式，而WebGIS以GIS技術為理論基礎，不能直接兼容水動力數(shù)學模型的計算結果,將水動力數(shù)學模型計算結果轉換為GIS支持的數(shù)據(jù)格式需要完成大量的前處理工作。轉換方法主要有兩類：利用自定義算法將水深、流速、淹沒范圍等數(shù)據(jù)轉換為GIS支持的通用的數(shù)據(jù)格式，如shapefile、MapInfo等;直接將水深、流速和淹沒范圍等信息轉換為靜態(tài)圖片，再加載到WebGIS系統(tǒng)中。但兩種轉換方法在工作效率和圖形渲染效果方面都存在不足。首先，從工作效率來看，洪水風險圖的計算方案通常按風險等級分為10 a、20 a、50 a、100 a或典型場次洪水進行編制[5]，每場次洪水還需要顯示洪水淹沒范圍、水深、流速和洪水到達時間等信息。其次，從圖形渲染效果來看，洪水淹沒范圍、水深、流速和達到時間等信息必須轉換為點、線、面等GIS支持的圖層。因此，不論是矢量的流速數(shù)據(jù)，還是標量的淹沒范圍、水深等數(shù)據(jù)，在轉換為圖像的過程中都會有流場屬性信息的損失。

本文聚焦在水動力數(shù)學模型流速場的網(wǎng)絡可視化方面，在ArcGIS Server 9.2 for .NET環(huán)境中，擴展了部分ArcObjects組件，實現(xiàn)了流速場的網(wǎng)絡可視化，并應用于山東省東平湖蓄滯洪區(qū)洪水風險圖展示系統(tǒng)。

1 流速場網(wǎng)絡可視化原理

1.1 系統(tǒng)結構設計

基于ArcGIS Server的流速場網(wǎng)絡可視化平臺包括數(shù)據(jù)層、服務層和客戶端層3個方面（如圖1）。

數(shù)據(jù)層包括模型計算結果、基礎地理信息等，按不同的存儲方式進行保存，以SQL Server2005數(shù)據(jù)庫管理。其中模型計算結果數(shù)據(jù)按時間序列數(shù)據(jù)進行保存，一個網(wǎng)格計算節(jié)點保存多個時刻的流速場數(shù)據(jù)；基礎地理信息數(shù)據(jù)保存在空間數(shù)據(jù)庫中。

圖1 流速場數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡可視化設計

服務器層包括ArcGIS地圖服務器和Web服務器。ArcGIS地圖服務負責GIS應用處理過程,提供地圖的疊加顯示，將DEM數(shù)據(jù)與模型計算結果數(shù)據(jù)進行耦合,是整個WebGIS的核心服務。DEM數(shù)據(jù)和流速場數(shù)據(jù)分布在不同的SMC（服務對象容器）中，通過ArcGIS Server統(tǒng)一的SOM（服務對象管理器）進行管理調用。Web服務器耦合各類服務組件，報告地圖服務、文件管理服務、數(shù)據(jù)渲染服務等，接受用戶請求,并把應用處理結果返回給用戶。

客戶端瀏覽器可以直接鏈接到服務器，向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)請求并顯示所請求的數(shù)據(jù)。支持各類數(shù)據(jù)和信息的顯示并可與服務器進行通信。所有的管理功能都可在客戶端完成,不同級別的用戶通過使用不同功能組件的客戶端程中地圖服務組件，流速場可視化組件等，在任意一臺鏈接網(wǎng)絡的計算機上完成模型數(shù)據(jù)的后處理，實現(xiàn)數(shù)學模型計算流速場的分布式應用。

1.2 流速場數(shù)據(jù)

洪水水位、流速等數(shù)據(jù)采用黃河水利科學研究院開發(fā)的二維水動力數(shù)學模型進行計算。該模型基于淺水流動假設下水流運動的質量守恒和動量守恒原理[6]，其中質量守恒方程為：

式中，h為平均水深；t為時間；u和v分別為x和y方向的流速。動量守恒方程為：

式中，g為重力加速度；Sox、Soy分別為x、y方向河床比降；Sfx、Sfy分別為x、y方向摩阻坡度。

模型采用有限體積方法[7]進行求解，基本思想是將計算區(qū)域劃分為若干規(guī)則或不規(guī)則形狀的單元或控制體，在計算出通過每一控制體邊界法向輸入（出）的質量和動量通量后，對每一控制體分別進行水量和動量平衡計算，可得到計算時段末各控制體平均水深和流速。

1.3 ArcGIS Server組件的擴展

ArcGIS Server能支持的數(shù)據(jù)格式主要有以shapefile為代表的矢量數(shù)據(jù)和以DEM為代表的柵格數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡端發(fā)布時，ArcGIS Server可將這些數(shù)據(jù)發(fā)布為WMS、Mobile、KML等服務形式。然而，流速場數(shù)據(jù)作為水動力數(shù)學模型中的一種特殊數(shù)據(jù)格式，同時包含了水平方向和垂直方向的流速，且流速值隨時間不斷發(fā)生變化。在現(xiàn)有功能中，ArcGIS Server不支持該流速場數(shù)據(jù)，需要擴展ArcGIS Server的相關功能。

對ArcGIS Server組件進行擴展，需要重新實現(xiàn)如下組件：GISDataSource、MapFunctionality、MapInformation、MapRouces、MapTocFunctionality和QueryFunctionality。其中，GISDataSource組件定義了數(shù)據(jù)源，一個數(shù)據(jù)源可以有若干個功能。MapFunctionality是實現(xiàn)地圖功能的組件。MapInformation組件定義了地圖的空間參考、全局范圍、默認范圍、緩存等信息。MapRouces組件定義和實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)源的解析。流速場數(shù)據(jù)的節(jié)點坐標以及流速等信息保存為XML文件，利用MapRouces組件解析XML文件，提取節(jié)點坐標、水平方向和垂直方向流速值，并最終繪制在網(wǎng)絡客戶端。MapTocFunctionality組件實現(xiàn)了自定義數(shù)據(jù)的圖層管理。QueryFunctionality組件實現(xiàn)了自定義數(shù)據(jù)的查詢定位等功能。

圖2是保存流速場結果的XML文件，該文件記錄了流速場數(shù)據(jù)的渲染和坐標信息。渲染信息記錄了流速矢量線的顏色（Color，如RGB值等）、線型（Type，如虛線實線等）、線寬（Width）；坐標信息記錄了每個計算節(jié)點的x、y空間坐標以及其水平方向的流速（H）和垂直方向的流速（V）。

1.4 網(wǎng)絡端的數(shù)據(jù)復現(xiàn)

圖2 保存流速場數(shù)據(jù)的XML文件格式

圖3 表示流速的矢量箭頭

在網(wǎng)絡客戶端，利用MapRouces組件解析XML文件，同時將數(shù)據(jù)繪制在瀏覽器中。流速用矢量箭頭來表示（圖3），箭頭的大小和方向由水平、垂直方向的流速值決定，分別對應式（1）～（3）中的u和v。箭頭的頭部約占整個箭身的1/4，箭頭和箭身的夾角為15°。為了減少計算量，只在箭頭一側繪制箭頭頭部。

2 測試結果分析

將本文設計的流速場網(wǎng)絡可視化繪制方法應用于山東省東平湖蓄滯洪區(qū)的洪水風險圖展示系統(tǒng)。東平湖是山東省第二大淡水湖泊，湖區(qū)位于黃河下游魯中山區(qū)與魯西南平原交界地帶，黃河寬窄河道過渡段右岸，屬黃河與汶河沖積平原相交的洼地。承擔著分滯黃河洪水和接納汶河來水的任務，是黃河下游的重要蓄滯洪工程。東平湖分為新、老兩個湖區(qū)，當黃河發(fā)生大洪水時，需經(jīng)東平湖分洪，控制黃河艾山站下泄流量不超過10 000 m3/s。

圖4 東平湖蓄滯洪區(qū)流速場的網(wǎng)絡可視化

圖4顯示了東平湖千年一遇洪水最大淹沒范圍時的流速場分布情況，底圖為東平湖DEM，為更好顯示流場，用戶可對流速場矢量箭頭的顏色和箭寬作相應調整。可以看出，流速場可以疊加到DEM地形上，且流速場的方向和大小都能清楚地顯示出來。

3 結 語

本文在ArcGIS Server的基礎上構建了水動力數(shù)學模型的流速場網(wǎng)絡可視化方法，并將該方法應用于山東省東平湖蓄滯洪區(qū)洪水風險圖。結果表明，該方法不需將水動力數(shù)學模型計算結果轉換為GIS支持的圖層，從而減少了可視化前處理的工作量。同時，利用XML傳輸流速場信息，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男什⒖勺远x流速場矢量箭頭的大小。

當然，本文介紹了流速場網(wǎng)絡可視化方法還只能對一個時刻的流速場進行可視化，下一步的工作將擴展到流速場時態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)流速場的網(wǎng)絡可視化動畫效果。

[1] 向立云,徐憲彪.洪水風險圖編制規(guī)劃方法探討[J].中國防汛抗旱,2010(3): 56-59

[2] 左進府,洪金益,黃丙湖.基于ArcGIS Server的實時水情發(fā)布系統(tǒng)開發(fā)[J].地理空間信息,2011,9(1): 121-123

[3] 張宏偉,魏鋒,佘遠見.基于Flex和ArcGIS Server的城市防汛指揮系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].地理空間信息,2011,9(6): 34-39 [4] 余麗華,佘亮亮,劉鐵錘.基于WebGIS的寧波鄞東南地區(qū)動態(tài)洪水風險圖編制研究[J].人民珠江,2014(4):102-104

[5] SL486-2010.洪水風險圖編制導則[S].

[6] Ferziger J H. Computational Methods for Fluid Dynamics[M]. Berlin: Springer,2002

[7] Versteeg H K. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: the Finite Volume Method[M].Harlow: Pearson Education Ltd,2007

P208

B

1672-4623（2016）03-0042-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.014

王敏，高級工程師，主要從事水沙動力數(shù)學模型并行計算、科學計算可視化等研究。

2015-03-10。

項目來源：中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金資助項目（HKY-JBYW-2012-5、HKY-JBYW-2013-15）。