水利電子沙盤研究與應(yīng)用

姜仁貴, 于翔， 解建倉， 梁驥超

(西安理工大學(xué) 陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

水利電子沙盤研究與應(yīng)用

姜仁貴, 于翔， 解建倉， 梁驥超

(西安理工大學(xué) 陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

針對(duì)水利工程領(lǐng)域中存在的多源數(shù)據(jù)資源難以有效融合和應(yīng)用系統(tǒng)可視化效果欠佳等問題，將沙盤引入到水利工程領(lǐng)域，構(gòu)建水利電子沙盤(Hydro-EST)，基于水利電子沙盤開發(fā)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用,為決策服務(wù)。首先，提出了水利電子沙盤的概念，設(shè)計(jì)了Hydro-EST的開發(fā)流程和5層體系結(jié)構(gòu)。其次，基于Hydro-EST開發(fā)了防汛預(yù)警監(jiān)視、水庫移民可視化仿真、突發(fā)水污染事件模擬和最嚴(yán)格水資源管理等水利主題服務(wù)。結(jié)果表明：Hydro-EST在保留傳統(tǒng)沙盤較好可視化效果的同時(shí)，解決了水利業(yè)務(wù)應(yīng)用中多源數(shù)據(jù)資源融合、業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)復(fù)雜等問題，組件化開發(fā)避免了系統(tǒng)異構(gòu)和重復(fù)開發(fā)的弊端，體現(xiàn)了綠色發(fā)展的主旨。

工程管理信息化;電子沙盤;組件化開發(fā);三維可視化

《辭?！分袑⑸潮P定義為“根據(jù)地形圖、航空像片、實(shí)地地形，按比例尺用泥沙或其他材料及兵棋制作的一種顯示地形和地面目標(biāo)的模型”，最早用于軍事領(lǐng)域來研究作戰(zhàn)計(jì)劃。我國史書記載的最早關(guān)于沙盤的論述始于公元32年，《后漢書·馬援列轉(zhuǎn)》中記載，光武帝西征，馬媛“于帝前聚米為山谷，指畫形勢(shì)”，最終達(dá)到“虜在吾目中矣”的效果，隨后，沙盤在不同領(lǐng)域中均得到廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)沙盤占地面積大、不便于攜帶以及可視化效果欠佳等問題凸顯，由此衍生出電子沙盤，即：將3S技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)和互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)應(yīng)用到沙盤中，構(gòu)建一個(gè)地形地貌可視、沉浸式人機(jī)交互與實(shí)時(shí)可視可信的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境[1-2]。

水利是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是信息和技術(shù)密集型的傳統(tǒng)行業(yè)。近年來，圍繞防汛抗旱、最嚴(yán)格水資源管理和水生態(tài)文明建設(shè)等開展了大量工作，以信息技術(shù)的應(yīng)用、水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)為代表的水利信息化研究得到不斷深入。但仍存在著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)難以共享、規(guī)范化程度低、系統(tǒng)建設(shè)分散導(dǎo)致的異構(gòu)與重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重、缺乏頂層設(shè)計(jì)等問題，尤其是在水利應(yīng)用的可視化仿真與集成上研究較少。本文結(jié)合水利工程領(lǐng)域多源數(shù)據(jù)融合與信息可視化的實(shí)際需求，將沙盤應(yīng)用到水利領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了面向水利工程領(lǐng)域的水利電子沙盤(Hydrologic Electronic Sand Table，Hydro-EST)，針對(duì)不同水利應(yīng)用設(shè)定不同的主題，基于Hydro-EST開發(fā)防汛預(yù)警監(jiān)視、水庫移民可視化仿真、突發(fā)性水污染事件模擬、國家水資源監(jiān)控、最嚴(yán)格水資源管理、城市內(nèi)澇應(yīng)急管理和生態(tài)文明建設(shè)等水利主題服務(wù)，為用戶提供較好的三維可視化效果和決策支持服務(wù)。

1 水利電子沙盤設(shè)計(jì)

1.1 Hydro-EST概念

Hydro-EST指基于電子沙盤的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境為水利提供主題服務(wù)，采用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源水利數(shù)據(jù)集成與融合處理，采用組件方式整合分散在不同服務(wù)器或異構(gòu)的水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用。數(shù)據(jù)層面上，對(duì)電子沙盤和水利業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行高效組織與管理，提出多源數(shù)據(jù)集成方案，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的集成與融合；功能層面上，采用組件技術(shù)開發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用，采用框架進(jìn)行封裝，通過開放應(yīng)用接口實(shí)現(xiàn)組件與電子沙盤的集成，不同業(yè)務(wù)應(yīng)用邏輯上相對(duì)獨(dú)立；應(yīng)用層面上，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用單一和表現(xiàn)力不足的缺陷，采用電子沙盤作為基礎(chǔ)平臺(tái)，具有較好的表現(xiàn)力。

1.2 Hydro-EST設(shè)計(jì)目標(biāo)

Hydro-EST采用組件和框架技術(shù)，遵循統(tǒng)一規(guī)范，根據(jù)電子沙盤提供的開放應(yīng)用接口進(jìn)行不同水利業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)，并封裝成組件，實(shí)現(xiàn)與Hydro-EST的集成。通過多源數(shù)據(jù)集成方案，實(shí)現(xiàn)電子沙盤三維可視化場(chǎng)景建模以及多源水利數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和融合處理，不同用戶可以在Hydro-EST上進(jìn)行個(gè)性化開發(fā)，并通過統(tǒng)一的應(yīng)用界面進(jìn)行交互。Hydro-EST整體上要實(shí)現(xiàn)海量多源數(shù)據(jù)與水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的處理、開發(fā)、集成與可視化展現(xiàn)，為用戶提供決策支持服務(wù)。根據(jù)上述目標(biāo)，在Hydro-EST開發(fā)中，應(yīng)遵循實(shí)用性、數(shù)據(jù)一致性、可擴(kuò)展性、集成性、安全性、界面友好、與用戶交互及較好三維表現(xiàn)力等原則。

1.3 Hydro-EST開發(fā)流程

Hydro-EST遵循“多源數(shù)據(jù)集成→電子沙盤開發(fā)→水利主題服務(wù)→用戶界面集成”的開發(fā)流程，通過底層的多源數(shù)據(jù)集成提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)，建立水利電子沙盤三維可視化環(huán)境，通過框架技術(shù)實(shí)現(xiàn)與水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的集成，最后根據(jù)用戶需求對(duì)不同的應(yīng)用界面進(jìn)行集成。

①多源數(shù)據(jù)集成。它是電子沙盤與應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)，是Hydro-EST的最底層但又是不可或缺的重要組成部分。②電子沙盤開發(fā)。采用三維地理信息系統(tǒng)組件作為Hydro-EST的基礎(chǔ)平臺(tái)，根據(jù)組件提供的球體模型、事件監(jiān)聽機(jī)制、應(yīng)用模式和部署方案，遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，采用框架技術(shù)、數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)及可視化技術(shù)等實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的融合與組件開發(fā)。③水利工程業(yè)務(wù)應(yīng)用集成。在多源數(shù)據(jù)集成和電子沙盤開發(fā)基礎(chǔ)上，結(jié)合水利工程領(lǐng)域的特點(diǎn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用需求確定主題服務(wù)，進(jìn)行水利工程業(yè)務(wù)應(yīng)用的開發(fā)與集成。④用戶界面集成。不同的水利工程業(yè)務(wù)應(yīng)用可采用多種人機(jī)交互方式，不同的用戶界面最終在Hydro-EST客戶層進(jìn)行集成。

1.4 Hydro-EST體系結(jié)構(gòu)

對(duì)應(yīng)Hydro-EST開發(fā)流程，設(shè)計(jì)了Hydro-EST數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、接口層和客戶層5層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 Hydro-EST 5層體系結(jié)構(gòu)

1)數(shù)據(jù)層通過多源數(shù)據(jù)集成方案對(duì)電子沙盤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和融合處理，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、半結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的整編與處理。

2)服務(wù)層對(duì)應(yīng)開發(fā)流程中的電子沙盤開發(fā)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的部署，Web應(yīng)用服務(wù)器搭建，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化互操作規(guī)范制定以及水利業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)與開發(fā)。

3)應(yīng)用層指基于水利電子沙盤開發(fā)的具體水利主題服務(wù)，目前已實(shí)現(xiàn)國家水資源監(jiān)控、最嚴(yán)格水資源管理、城市內(nèi)澇應(yīng)急、生態(tài)環(huán)境監(jiān)視、防汛預(yù)警監(jiān)視、水庫移民可視化等10多個(gè)主題服務(wù)，每個(gè)主題服務(wù)根據(jù)具體內(nèi)容包括多個(gè)功能模塊。

4)接口層連接應(yīng)用層和客戶層，為分級(jí)用戶提供人機(jī)交互的用戶接口，主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)、電子沙盤、業(yè)務(wù)應(yīng)用和決策支持4類用戶接口。

5)客戶層對(duì)應(yīng)開發(fā)流程中的用戶界面集成，目前用戶可通過三維客戶瀏覽器、LED高清顯示屏、知識(shí)可視化平臺(tái)以及移動(dòng)APP等方式為用戶提供人機(jī)交互和三維可視化操作環(huán)境[3]。

2 應(yīng)用實(shí)例

文中設(shè)計(jì)的水利電子沙盤已應(yīng)用于防汛預(yù)警監(jiān)視、水庫移民可視化仿真、突發(fā)水污染事件模擬、最嚴(yán)格水資源管理、城市內(nèi)澇應(yīng)急、國家水資源監(jiān)控等水利業(yè)務(wù)中，鑒于篇幅限制，僅闡述在前4項(xiàng)水利業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。

2.1 防汛預(yù)警監(jiān)視主題服務(wù)

受全球氣候變化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快的雙重影響，傳統(tǒng)的流域洪水災(zāi)害向城市內(nèi)澇和山洪災(zāi)害等延伸，次生、衍生問題嚴(yán)重，災(zāi)害巨大。據(jù)中國水旱災(zāi)害公報(bào)統(tǒng)計(jì)，2014年，全國28個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)的1 621個(gè)縣(市、區(qū))遭受洪澇災(zāi)害，因?yàn)?zāi)死亡486人，125座城市受澇，造成直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1 573.55億元。以陜西省為例，2014年全年因洪澇災(zāi)害而受災(zāi)的人口達(dá)到105.18萬人，農(nóng)作物受災(zāi)面積6.637×104hm2，絕收面積1.099×104hm2，造成直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)17.18億元[4]。防汛信息化是水利信息化的重要組成部分，當(dāng)前已建成的一些防汛信息系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)視及空間分析研究較少，在一定程度上制約著防汛的科學(xué)決策。

筆者在Hydro-EST基礎(chǔ)上開發(fā)了面向陜西防汛預(yù)警監(jiān)視的主題服務(wù)，在Hydro-EST上實(shí)現(xiàn)了預(yù)警監(jiān)視、實(shí)時(shí)雨水情分析、洪水淹沒分析、洪水預(yù)報(bào)、移動(dòng)服務(wù)、防汛指揮和應(yīng)急響應(yīng)等功能，彌補(bǔ)了當(dāng)前防汛信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)集成與空間展示、三維可視化仿真以及實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)視上的不足，圖2為基于Hydro-EST的防汛預(yù)警監(jiān)視主題服務(wù)界面。

圖2 基于Hydro-EST的防汛預(yù)警監(jiān)視主題服務(wù)

2.2 水庫移民可視化仿真主題服務(wù)

大型調(diào)水工程的建設(shè)往往伴隨著移民的產(chǎn)生，長期以工程為重的思想使得在移民數(shù)據(jù)的管理、分析與應(yīng)用中存在一些問題。當(dāng)前已經(jīng)開發(fā)的部分移民信息系統(tǒng)主要集中在對(duì)移民數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析上，較少考慮移民數(shù)據(jù)的空間屬性，表現(xiàn)力不足，難以支持復(fù)雜的決策分析。陜西省引漢濟(jì)渭調(diào)水工程屬于陜西省省內(nèi)跨流域Ⅰ等骨干調(diào)水工程，包括六大單位工程。在三河口水庫和黃金峽水庫建設(shè)中，由于庫區(qū)蓄水淹沒以及工程建設(shè)占地產(chǎn)生了水庫移民安置問題。據(jù)實(shí)物指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，庫區(qū)淹沒與影響區(qū)涉及漢中市和安康市2個(gè)市的3個(gè)縣，共計(jì)15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、60多個(gè)村，需要移民8 000余人[5]。

筆者在Hydro-EST基礎(chǔ)上開發(fā)調(diào)水工程水庫移民可視化仿真主題服務(wù)，將采集的水庫移民實(shí)物指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存儲(chǔ)到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫中，在Hydro-EST上實(shí)現(xiàn)移民實(shí)物指標(biāo)的管理、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析、可視化查詢、水庫淹沒分析、虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽、移民安置分析等功能，為水庫移民提供決策支持。圖3為基于Hydro-EST的移民庫區(qū)淹沒與移民戶可視化仿真主題服務(wù)界面。

圖3 基于Hydro-EST的水庫移民可視化仿真主題服務(wù)

2.3 突發(fā)水污染事件模擬主題服務(wù)

當(dāng)前針對(duì)水污染的研究主要集中在水質(zhì)模型上，通常的做法是通過數(shù)學(xué)模型對(duì)水質(zhì)狀況以及污染物運(yùn)移時(shí)態(tài)特征進(jìn)行分析，以一維或者二維為主將河流視為線元素進(jìn)行模擬，而對(duì)突發(fā)水污染事件模擬的較少。松花江流域是我國七大流域之一，途經(jīng)多個(gè)大中城市，是我國重要的能源、工農(nóng)業(yè)基地與重要的飲用水來源。2005年11月13日下午，位于吉林省吉林市的中國石油吉林石化公司雙苯廠發(fā)生爆炸，造成苯類污染物流入廠區(qū)附近的第二松花江，導(dǎo)致嚴(yán)重的江體污染[6]。類似這樣的水污染事件均具有突發(fā)性和地理位置的特殊性，有必要在三維空間上實(shí)現(xiàn)流域基本信息的展示、污染物運(yùn)移和可視化仿真，為水污染事件應(yīng)急預(yù)案的制定與科學(xué)調(diào)度提供參考。

筆者在Hydro-EST基礎(chǔ)上開發(fā)了突發(fā)水污染事件模擬主題服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了水污染信息三維可視化展示，水污染事件空間關(guān)聯(lián)分析以及污染物動(dòng)態(tài)運(yùn)移仿真，可及時(shí)、有效地對(duì)突發(fā)性水污染事件進(jìn)行決策及科學(xué)研究。圖4為基于Hydro-EST的突發(fā)水污染事件模擬主題服務(wù)界面。

圖4 基于Hydro-EST的突發(fā)水污染事件模擬主題服務(wù)

2.4 最嚴(yán)格水資源管理主題服務(wù)

自從2012年1月國務(wù)院頒布了《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理成為國家戰(zhàn)略[7-8]。最嚴(yán)格水資源管理制度的“三條紅線”需要大量第一手資料的支撐，基于Hydro-EST開發(fā)最嚴(yán)格水資源管理主題服務(wù)，整合區(qū)域空間地理信息、高清影像信息、數(shù)字高程模型、氣象水文數(shù)據(jù)、水利普查數(shù)據(jù)、工情數(shù)據(jù)、水資源管理考核、應(yīng)急管理以及與之相關(guān)的多源信息，構(gòu)建區(qū)域三維可視化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域供水、用水、耗水和排水的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為區(qū)域水資源管理提供信息服務(wù)、監(jiān)視模擬服務(wù)、嚴(yán)格管理考核服務(wù)和應(yīng)急服務(wù)，并輔之空間分析和三維空間操作功能，可為之提供決策支持服務(wù)。圖5為基于Hydro-EST的最嚴(yán)格水資源管理主題服務(wù)界面。

圖5 基于Hydro-EST的最嚴(yán)格水資源管理主題服務(wù)

3 結(jié)語

1)筆者將沙盤引入到水利工程領(lǐng)域，提出了建設(shè)水利電子沙盤的思路，解決了傳統(tǒng)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中普遍存在的數(shù)據(jù)共享性差、系統(tǒng)異構(gòu)以及三維表現(xiàn)力不足的問題。

2)采用組件化軟件技術(shù)對(duì)Hydro-EST進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循“多源數(shù)據(jù)集成→電子沙盤開發(fā)→水利主題服務(wù)→用戶界面集成”的開發(fā)流程開發(fā)了Hydro-EST，并將其應(yīng)用到防汛預(yù)警監(jiān)視、水庫移民可視化仿真、突發(fā)水污染事件模擬和最嚴(yán)格水資源管理等主題服務(wù)中。

3)應(yīng)用結(jié)果表明，基于Hydro-EST開發(fā)的水利主題服務(wù)具有較好的可擴(kuò)展性和三維表現(xiàn)力等特點(diǎn)，以組件的方式實(shí)現(xiàn)了不同主題服務(wù)在Hydro-EST上的集成，在一定程度上避免了不同應(yīng)用系統(tǒng)帶來的異構(gòu)和重復(fù)建設(shè)問題，促進(jìn)了水利信息化水平的提高，體現(xiàn)了綠色發(fā)展的主旨，在水利工程領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

[1]楊宇航,李會(huì)杰,馮允成.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電子沙盤仿真系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2003,20(1):65-69.

[2]楊紅衛(wèi),劉勇,許民.沙盤模型設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].地理空間信息,2010,8(6):95-97.

[3]姜仁貴,解建倉,李建勛.面向防汛的三維預(yù)警監(jiān)視平臺(tái)研究與應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2012,43(6):749-755.

[4]國家防汛抗旱總指揮部.2014年中國水旱災(zāi)害公報(bào)[M].北京:中國水利水電出版社,2015:2-3.

[5]姜仁貴,解建倉,李建勛,等.基于World Wind的移民信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2011,31(7):2001-2003.

[6]于達(dá),劉萍,史峻平,等.松花江水污染模型研究[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí),2009,39(11):104-108.

[7]陳雷.全面落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)平穩(wěn)較快發(fā)展[J].中國水利,2012(10):1-6.

[8]左其亭.最嚴(yán)格水資源管理保障體系的構(gòu)建及研究展望[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,37(4):7-11.

(責(zé)任編輯：?jiǎn)檀淦?

Research and Application of Hydrologic Electronic Sand Table

JIANG Rengui, YU Xiang, XIE Jiancang, LIANG Jichao

(State Key Laboratory of Eco-hydrologic Engineering in Northwest in the Arid Area,Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, China)

To resolve the problems of multi-source data hard to integration and poor visual effect of application system, the sand table was applied into the water resources project subject to establish the hydrologic electronic sand table (Hydro-EST). The hydrologic business applications were developed based on the Hydro-EST to provide decision support for users. The concept of Hydro-EST was proposed and the development process and five-layer architecture were designed. Based on Hydro-EST, water conservancy theme service such as flood prevention and early-warning monitoring, reservoir emigration visualization simulation, sudden water pollution event simulation and strict water resource management were developed. The results show that Hydro-EST can solve the problem of multi-source data fusion and complex business application in the application of water conservancy, while maintaining the better visualization effect of traditional sand table. The component-based development avoids the drawbacks of system heterogeneity and repetitive development, and embodies the theme of green development.

project management informatization; electronic sand table; component-based development; three-dimension visualization

2016-11-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51509201,51679188);國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0401409);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M590964);陜西省高校科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃項(xiàng)目(20160217)。

姜仁貴(1985—),男,江西玉山人,副教授,博士,從事工程管理信息化與減災(zāi)應(yīng)急管理方面的研究。E-mail:jrengui@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.003

TV213;TP39

A

1002-5634(2017)01-0013-05