可視化技術(shù)在灌區(qū)信息系統(tǒng)中的應用

梁啟斌 陳武奮 江顯群

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510610)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及以及大數(shù)據(jù)時代的到來，信息化與數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)融入包涵水利工程在內(nèi)的社會生活的方方面面。灌區(qū)工程作為全國水利工程的重要組成部分，可以預見，未來全國灌區(qū)信息化、數(shù)字化建設會越來越快[1]，運用的技術(shù)和手段也越來越多，可視化技術(shù)就是其中之一?？梢暬夹g(shù)和工具眾多，在水利工程建設中應用廣泛，李陽等[2]在水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)精準安裝中運用了BIM技術(shù)進行三維實體建模，模擬金屬結(jié)構(gòu)裝配過程；佘根堅等[3]以GIS為平臺，建設灌區(qū)農(nóng)水綜合改革管理信息系統(tǒng)。本文以錦江灌區(qū)為例，論述了灌區(qū)渠系概化圖、灌區(qū)WebGIS的制作和灌區(qū)數(shù)據(jù)展示圖表制作等可視化技術(shù)在灌區(qū)信息化系統(tǒng)中的應用。

1 可視化技術(shù)簡述

可視化是實現(xiàn)數(shù)據(jù)與人交互的窗口和工具，缺少可視化技術(shù)，存儲在計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)沒有任何意義?？梢暬暮诵脑谟趯?shù)據(jù)清晰地敘述和藝術(shù)化地呈現(xiàn)，最終達到幫助用戶理解數(shù)據(jù)和作出決策的目標。目前，可視化技術(shù)包括數(shù)據(jù)可視化、科學計算可視化、信息可視化和知識可視化等[4]。

數(shù)據(jù)可視化是運用計算機數(shù)學算法和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維或三維的圖像在屏幕上顯示出來，搭建人與數(shù)據(jù)之間交互橋梁的技術(shù)。

科學計算可視化是運用計算機數(shù)學算法和圖像處理技術(shù)，把生產(chǎn)建設活動、科研過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維或三維的圖像在屏幕上顯示出來，搭建人與數(shù)據(jù)之間交互橋梁的技術(shù)。

信息可視化就是運用計算機數(shù)學算法對信息(如文字、圖像、語音和視頻等)在不同場景應用下，建立不同的數(shù)學模型，來強化人們對抽象信息的認知。

知識可視化是在上述三種可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了更好地利用人類社會日益豐富的信息而發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域，應用計算機數(shù)學算法和圖像處理技術(shù)并結(jié)合人類認知心理學，對信息的重點要點進行具象處理，使信息更容易被人們理解和記憶，從而促進群體知識的傳播和創(chuàng)新。

2 可視化技術(shù)應用現(xiàn)狀

目前，數(shù)據(jù)可視化、科學計算可視化、信息可視化這三類可視化技術(shù)在水利行業(yè)中的防洪減災、水利工程建設、城市內(nèi)澇等領(lǐng)域應用較為廣泛，主要涉及的技術(shù)和工具有EchartChart、HTML、GIS、BIM等。例如運用GIS技術(shù)建設洪水預報調(diào)度系統(tǒng)[5]，運用BIM技術(shù)對水利水電工程進行可視化仿真等[6]。

目前，把可視化技術(shù)運用在灌區(qū)信息化上的案例比較少，大部分的灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)還是以簡單的圖片和報表形式來展示數(shù)據(jù)。此外，也有一些大型灌區(qū)采用了GIS技術(shù)、RS遙感技術(shù)等，建設了基于三維的可視化信息管理系統(tǒng)[7]。不過這種建設方案投入的資金較大，不適合一些中小型灌區(qū)。對此，本文結(jié)合幾種常見的可視化技術(shù)和工具，為中小型灌區(qū)的信息化系統(tǒng)建設提供一個投入相對較低、使用高效、設計美觀的解決方案，為其他灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)的開發(fā)提供借鑒。

3 錦江灌區(qū)工程概況

錦江灌區(qū)工程位于恩平市大田鎮(zhèn)境內(nèi)，設計灌溉面積為20.20萬畝，是恩平市境內(nèi)最大的灌溉工程。錦江灌區(qū)灌溉水源主要以錦江水庫供水、干渠攔截坡面徑流、鳳子山水庫供水為主，結(jié)合渠道沿線各小水庫、小山塘，組成一個“長藤結(jié)瓜”式灌溉工程。錦江灌區(qū)以錦江河為界分為兩部分，錦江河右岸為江南灌區(qū)(又稱河排灌區(qū))，錦江河左岸為江北灌區(qū)(又稱錦北灌區(qū))。

錦江水庫位于錦江河上游山區(qū)，錦江水庫下游4.5km處為江南干渠引水樞紐，攔河建筑物為水占陂，江南干渠進水閘位于水占陂上游右岸45m處，設計引水流量為35m3/s。水占陂下游5.9km處為江北干渠引水樞紐，攔河建筑物由江北陂和江北水閘組成，江北干渠進水閘位于江北水閘上游左岸300m處，設計引水流量為6.5m3/s。

目前，整個灌區(qū)共設置了34個水位流量監(jiān)測站、2個水位監(jiān)測站和1個圖像監(jiān)測站，分布于干渠渠首和重要支渠的分水口。

4 錦江灌區(qū)工程可視化技術(shù)設計及應用分析

錦江灌區(qū)信息系統(tǒng)涵蓋灌區(qū)水位測量、水量計量、用水調(diào)度、水務管理、統(tǒng)計分析等應用子系統(tǒng)，對采集的空間地理數(shù)據(jù)、水利水文數(shù)據(jù)、水工建筑物數(shù)據(jù)進行分析處理，然后運用可視化技術(shù)，把數(shù)據(jù)結(jié)果直觀、簡潔地呈現(xiàn)給用戶。

4.1 灌區(qū)信息系統(tǒng)WebGIS的可視化

灌區(qū)信息系統(tǒng)WebGIS采用OpenLayers技術(shù)進行開發(fā)。OpenLayers按照OGC(開放地理空間信息聯(lián)盟，Open Geospatial Consortium)的規(guī)范封裝了訪問WMS及其他OCG服務的接口，是一個用于開發(fā)WebGIS客戶端的JavaScript包[8]。其支持的地圖來源包括Google Maps、百度地圖、Yahoo、微軟Virtual Earth等，甚至還可以用簡單的圖片地圖作為背景圖，與其他圖層在OpenLayers中進行疊加。本案例使用new ol.layer.Tile設置地圖來源為Google Maps，用Ajax發(fā)送網(wǎng)絡請求從數(shù)據(jù)庫獲取監(jiān)測站點、渠道等地理信息數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)化為json格式的數(shù)據(jù)源，因此采用地理數(shù)據(jù)解析接口(new ol.format.GeoJSON)作為數(shù)據(jù)的解讀器，通過矢量數(shù)據(jù)配置接口(new ol.source.Vector)設置矢量數(shù)據(jù)。最后，運用ol.Map的layers方法設置圖層加載，例如瓦片底圖、矢量圖等，添加相應的圖層，監(jiān)控站圖層見圖1。

圖1 WebGIS地圖監(jiān)控站圖層

利用OpenLayers中已封裝的控件和函數(shù)，可以配置地圖上的比例尺(ol.control.ScaleLine)、圖例、坐標(ol.control.MousePosition)、渠道邊界(ol.layer.Vector)以及操作響應事件，常見的應用有：在地圖上移動鼠標時，在地圖左下角顯示鼠標所在的經(jīng)緯度，可調(diào)用鼠標方法(new ol.control.MousePosition)方法進行配置，然后用控件添加方法(map.addControl)將方法與地圖綁定即可；可在單擊執(zhí)行方法內(nèi)編寫執(zhí)行代碼，實現(xiàn)在地圖上單擊元素時，彈出小窗口，例如：單擊地圖上的圖標，彈出信息展示窗口，用于用戶與地圖進行動態(tài)交互，見圖2。

通過WebGIS技術(shù)，把晦澀難懂的渠道、水源地、渠系建筑物、監(jiān)測站點等地理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成通俗易懂的圖形和線條，在數(shù)字地圖上直觀地呈現(xiàn)給用戶，提高用戶的交互體驗，從而實現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)各種信息的統(tǒng)一管理，全面提升灌區(qū)信息化管理的水平，實現(xiàn)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置、高效利用。

4.2 灌區(qū)渠系概化圖的可視化

灌區(qū)系統(tǒng)WebGIS上顯示的信息繁復，內(nèi)容抽象，無法以便捷的方式有效地把用戶關(guān)注的特別信息，如干渠與支渠的關(guān)系、各渠段的用水量和渠段水利用系數(shù)等，直觀地展示出來，不能滿足灌區(qū)用水配水的決策需求。因此，有必要對灌區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行集成，使其圖形化、可視化，最終形成灌區(qū)渠系概化圖[9]。

首先，利用Photoshop軟件，根據(jù)灌區(qū)實際的渠系分布情況，把渠系的分布特點提取出來，如干渠與各支渠的關(guān)系、各支渠上下游位置關(guān)系、各個水量站所在渠道位置等，使用對比強烈的色彩(紅藍兩色)，運用簡單的線條、點和圖形(水庫、水量站、干渠、支渠)畫出靜態(tài)的灌區(qū)渠系概化圖。

然后，通過HTML5技術(shù)，對灌區(qū)渠系概化進行下一步的加工，例如加上文字說明窗口、用戶交互按鈕等。最后，通過JavaScript中的Ajax方法調(diào)用數(shù)據(jù)接口，從數(shù)據(jù)庫獲取灌區(qū)的水量、渠道數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在Web系統(tǒng)上動態(tài)展示的功能，見圖3。

圖3 灌區(qū)渠系概化

運用渠系概化圖，能直觀清晰地了解到整個灌區(qū)的來水和用水情況，提高灌區(qū)用水管理的效率，實現(xiàn)灌區(qū)各級管理部門根據(jù)采集的水資源數(shù)據(jù)進行總量掌握和各分量控制，實現(xiàn)對各級渠系水位流量的自動監(jiān)測和調(diào)控，達到節(jié)約用水、合理配置水資源的目的，為灌區(qū)管理員制定用水計劃提供數(shù)據(jù)支撐。

4.3 采集數(shù)據(jù)的可視化

灌區(qū)信息化系統(tǒng)中，運用EchartChart可視化工具，可使數(shù)據(jù)表達更加簡潔美觀。EchartChart是一個純JavaScript的圖表庫[10]，能夠在電腦及移動設備上穩(wěn)定運行，且對目前大部分瀏覽器都具有良好的兼容性，其底層由輕量級Canvas類庫ZRender構(gòu)成，與傳統(tǒng)的報表相比，能提供直觀、生動、可交互、可高度個性化定制的數(shù)據(jù)可視化圖表。常用的圖表包括折線圖、柱狀圖、餅圖、散點圖、熱力圖等，案例中主要使用到折線圖和柱狀圖。選用合適的圖表類型，能把數(shù)據(jù)中隱含的重要信息直觀地展示給用戶，無須數(shù)據(jù)篩選等手段就能獲取有用數(shù)據(jù)。在圖4中，折線圖和柱狀圖顯示一段時間內(nèi)水深和流量的變化趨勢，并且標識了水深的最大值和最小值，而兩者的結(jié)合，體現(xiàn)了水位和流量之間存在著正相關(guān)的關(guān)系，水深越高，流量越大，使用戶能直觀地了解到該監(jiān)測站點的大致情況。

圖4 監(jiān)測站點水深-流量關(guān)系圖

當圖表切換為水深-流速關(guān)系圖時，兩者都采用了折線圖來展示數(shù)據(jù)變化的趨勢，見圖5。通過兩者之間的對比，能看出流速隨著水深的變化而變化，水越深，流速越快。在時間上，流速的變化相對于水深的變化要慢一些，往往是水先變深，然后流速再變大；水先變淺，流速再變小。

圖5 監(jiān)測站點水深-流速關(guān)系圖

此外，對灌區(qū)雨量數(shù)據(jù)可選用熱力圖來制作雨量等值線圖，從而分析降雨分布對灌區(qū)的影響；散點圖可以分析監(jiān)測站點的水位流速流量關(guān)系；盒形圖(也叫箱形圖)可用于對灌區(qū)用水量進行分析，能顯示一組數(shù)據(jù)的最大值、最小值、中位數(shù)及上下四分位數(shù)，為用水配水提供數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié) 語

可視化技術(shù)運用到灌區(qū)信息化系統(tǒng)中，不僅提高了系統(tǒng)的可用性和交互性，而且提高了灌區(qū)管理人員的工作效率和整個灌區(qū)的管理水平，實現(xiàn)科學、及時、準確地調(diào)配灌溉用水，達到節(jié)約用水，高產(chǎn)、高效的目的。為了對灌區(qū)進行更有效的管理和監(jiān)控，未來可以使用BIM技術(shù)對灌區(qū)內(nèi)所有的水工設施、建筑物和渠道進行建模，實現(xiàn)灌區(qū)數(shù)字化管理及對灌區(qū)進行智能化監(jiān)控，通過屏幕就能掌控灌區(qū)的整體運行狀況，為智慧灌區(qū)健康發(fā)展提供支撐。