韓江-榕江-練江三江水系連通工程調(diào)水水流可視化技術(shù)研究及應(yīng)用

李嘉盛，陳龍贊，李 進(jìn)，江雨田，薛曉鵬

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院信息化院，廣東 廣州 510635；2.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315000；3.廣東省粵東三江連通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510635)

三江連通工程(圖1)是優(yōu)化韓江、榕江、練江水資源配置，改善榕江(楓江)、練江流域水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞等問題的引調(diào)水項(xiàng)目。在三江水系連通調(diào)水工程上，充分運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，將水利數(shù)據(jù)處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁繪圖技術(shù)[1]相結(jié)合，研究水流要素的可視化展示技術(shù)和展示模式，做到調(diào)水過程中水流要素的變化與演進(jìn)全局可視化，對(duì)整體把握三江連通工程調(diào)水情況有重要意義[2]，值得深入研究。

圖1 韓江-榕江-練江三江水系連通工程

自20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與水利行業(yè)結(jié)合得愈發(fā)緊密。國內(nèi)大量學(xué)者對(duì)水流可視化技術(shù)及可視化系統(tǒng)[3]構(gòu)建開展了廣泛的研究。茅麗華等[4]以珠江水位線為研究對(duì)象，以數(shù)字化的手段進(jìn)行了河道中斷面水沙特性的研究，簡化了河網(wǎng)水沙數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果分析步驟；楊旭等[5]利用GIS的空間分析功能及其可視化表達(dá)能力,在研究地區(qū)承壓水流的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了地下水流模擬過程的可視化，地下水資源的科學(xué)管理提供了空間輔助決策支持；常靜[6]構(gòu)建了基于WebGIS的洪水淹沒三維可視化系統(tǒng)，為洪水模擬、洪水管理和決策提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

國內(nèi)對(duì)于水流可視化的研究大都借助于GIS、MIKE等專業(yè)工具或建模軟件[7]。專業(yè)工具和建模軟件在提供便利的同時(shí)也帶來了構(gòu)建過程復(fù)雜、數(shù)據(jù)冗余、展示效果與內(nèi)容不夠生動(dòng)美觀等問題[8]，無法滿足三江水系連通工程對(duì)水流可視化的定制化需求。本文以計(jì)算機(jī)前端繪圖技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化組織、水流展示技術(shù)以及水流展示模式研究，為三江連通工程構(gòu)建簡便、易用、美觀的水流可視化系統(tǒng)。

1 水流可視化技術(shù)研究

1.1 水流數(shù)據(jù)處理技術(shù)

水流數(shù)據(jù)一般來自于實(shí)測與預(yù)報(bào)2種途徑[9]，由于實(shí)測系統(tǒng)可能存在的一系列軟硬件問題，實(shí)測水流數(shù)據(jù)可能存在數(shù)據(jù)缺失、數(shù)值異常的情況；預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)雖然在結(jié)構(gòu)上較實(shí)測數(shù)據(jù)更為完整，但是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)組織方式不能很好地支撐水流可視化展示，故需要對(duì)水流數(shù)據(jù)做出預(yù)先處理。在本次研究中數(shù)據(jù)處理分為3個(gè)步驟。①數(shù)據(jù)清洗。針對(duì)原始數(shù)據(jù)中可能存在的數(shù)據(jù)缺失、數(shù)值異常等問題，通過刪除、替換、插補(bǔ)等方法進(jìn)行處理，最終得到完整、可用的數(shù)據(jù)序列[10]。②標(biāo)準(zhǔn)入庫。水位、流量、水質(zhì)等水文數(shù)據(jù)同時(shí)具有結(jié)構(gòu)性、時(shí)序性、稀疏性[11]。將經(jīng)過清洗的數(shù)據(jù)存入標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中，水流要素信息可用二維表結(jié)構(gòu)來表達(dá)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)。表結(jié)構(gòu)的每一行是一條數(shù)據(jù)記錄，每一列是一種屬性。同一屬性的一列數(shù)據(jù)具有相同的數(shù)據(jù)類型。③結(jié)構(gòu)化組織。本研究中使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁繪圖技術(shù)(canvas)來繪制水流動(dòng)態(tài)效果，所以選擇使用與計(jì)算機(jī)前端技術(shù)較為匹配的JSON格式來組織水流數(shù)據(jù)(圖2)。

各水流要素的數(shù)據(jù)在同化為JSON格式時(shí)有2種方法：時(shí)間主序與要素主序。對(duì)于某一要素在一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)應(yīng)采用時(shí)間主序，對(duì)應(yīng)的JSON內(nèi)容，要素為主屬性，時(shí)間為次屬性，要素值為屬性值；對(duì)于某一時(shí)刻的所有要素的數(shù)據(jù)應(yīng)采用要素主序，對(duì)應(yīng)的JSON內(nèi)容，時(shí)間為主屬性，要素為次屬性，要素值為屬性值。時(shí)間主序?qū)?yīng)的JSON內(nèi)容與要素隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)展示相適應(yīng)，要素主序?qū)?yīng)的JSON內(nèi)容與三江水系某時(shí)刻全要素的數(shù)據(jù)展示相適應(yīng)。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

1.2 水流可視化展示技術(shù)

水流可視化展示技術(shù)的主要研究對(duì)象為各水流相關(guān)要素，按水流相關(guān)要素的類型不同可以將其劃分為標(biāo)量要素與矢量要素[12]。標(biāo)量要素僅具有值這一種屬性，如水位、水質(zhì)等，矢量要素同時(shí)具有值和方向2種屬性，如流速、流量等。從要素屬性的角度考慮，含有值屬性的要素適用于場域展示[13]，含有方向?qū)傩缘囊馗m用于軌跡展示。

a)場域展示。場域展示的重點(diǎn)在于同時(shí)展現(xiàn)某點(diǎn)的位置以及該位置的要素值。在空間中，位置可以表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)的要素值可以使用顏色來表現(xiàn)，將水流要素?cái)?shù)值W映射到預(yù)定色階[14]區(qū)間CI當(dāng)中，構(gòu)成要素?cái)?shù)值與色彩數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中f一般為線性映射關(guān)系，INT為取整操作，色階取得越密集，場域變化效果越細(xì)膩。所得結(jié)果示意見圖3。圖3中，A、B、C3個(gè)圓及其顏色分別代表了要素的位置及要素值。在整個(gè)場域渲染完成后，水流要素會(huì)表現(xiàn)為一個(gè)完整的以色彩的空間變化來展示要素?cái)?shù)值變化的空間分布，在場域展示中加入時(shí)間維度，空間的色彩會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，圖3a、3b最后會(huì)形成較為完整的水流要素演進(jìn)展示模式。

圖3 場域展示示意

b)軌跡展示。軌跡展示的重點(diǎn)在于同時(shí)展現(xiàn)某點(diǎn)的位置以及該位置的要素矢量[15]。在空間中，位置可以表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)，但是要素矢量直接繪制很難有視覺上的直觀感受，所以采用點(diǎn)的位移來展示[16]。對(duì)于固定時(shí)刻，可以確定該時(shí)刻的任意位置的矢量要素V。使用矢量要素V來描述點(diǎn)的空間位移，公式如下：

(1)

式中，Pi+1表示i處水流在矢量要素V的作用下，下一個(gè)時(shí)刻應(yīng)該出現(xiàn)的位置。

圖4中A、B位置的水流在當(dāng)前位置的矢量要素的作用下最終形成的由空心A、B到實(shí)心A、B變化的軌跡展示。在時(shí)間不變的情況下，矢量要素場也不會(huì)變化，水流位置的變化幅度與方向則可以表示矢量要素的性質(zhì)。在軌跡展示中加入時(shí)間維度的本質(zhì)是在隨時(shí)間改變矢量要素場的內(nèi)容，從而影響到水流在要素場內(nèi)的變化情況，最終形成對(duì)水流矢量要素的可視化表達(dá)。

圖4 軌跡展示示意

2 水流可視化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

選用三江連通工程的某次模擬調(diào)水過程作為本研究的應(yīng)用實(shí)例。模擬河段自榕江塭嘴水閘處開始，包含榕江北河支流在內(nèi)，全長約35.5 km。原始數(shù)據(jù)包括模型以0.5 h為間隔模擬的1 440時(shí)段，5 358個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位、流速和水深數(shù)據(jù)。在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，對(duì)水位數(shù)據(jù)與流速數(shù)據(jù)分別進(jìn)行場域展示和軌跡展示。

a)數(shù)據(jù)處理。由于本次使用的是模型模擬的調(diào)水過程數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)序列中不存在缺失值或異常值的情況，原始數(shù)據(jù)可以直接標(biāo)準(zhǔn)化入庫，再經(jīng)由結(jié)構(gòu)化組織形成JSON格式的數(shù)據(jù)。限于文章篇幅，本次僅展示節(jié)點(diǎn)水位數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容見表1。對(duì)比表1、2中的數(shù)據(jù)內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，JSON格式的數(shù)據(jù)層級(jí)明確，格式自由，易于存儲(chǔ)和組織更多的信息，更為重要的是JSON格式數(shù)據(jù)與JavaScript語言天生兼容，訪問某一節(jié)點(diǎn)信息和數(shù)據(jù)時(shí)通過鍵值對(duì)的映射進(jìn)行數(shù)據(jù)查找，較數(shù)據(jù)庫循環(huán)訪問效率更高，耗時(shí)更短。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化入庫數(shù)據(jù)示例

表2 JSON格式數(shù)據(jù)示例

b)場域展示。將模擬調(diào)水過程中的水位數(shù)據(jù)通過場域展示技術(shù)逐節(jié)點(diǎn)逐時(shí)段繪制到canvas中并通過前端控件做到時(shí)段控制，結(jié)果見圖5。在空間維度上，圖片中清晰地展示出了某時(shí)刻模擬調(diào)水水位的空間分布情況，從河道中心到岸邊，從上游到下游的水位變化一目了然；在時(shí)間維度上，不同時(shí)段的水位空間分布也可以被場域展示技術(shù)很好地展示出來，在播放控件的控制下可以對(duì)比不同時(shí)段的水位分布情況，也方便做出逐時(shí)段播放效果。

圖5 三江某河段模擬調(diào)水水位場域展示

c)軌跡展示。將模擬調(diào)水過程中的流速數(shù)據(jù)通過軌跡展示技術(shù)逐節(jié)點(diǎn)逐時(shí)段繪制到canvas中，結(jié)果見圖6。在空間中以水流粒子的形式代表水流單元，圖6a展示了單個(gè)水流粒子在某時(shí)刻的流速矢量場作用下的運(yùn)動(dòng)過程，圖6b展示了多個(gè)水流粒子在某時(shí)刻的流速矢量場作用下的運(yùn)動(dòng)過程。在實(shí)際的展示中，流速矢量場內(nèi)，區(qū)域的流速數(shù)值越大則粒子運(yùn)動(dòng)速度越快，區(qū)域的流速方向決定了粒子的運(yùn)動(dòng)方向。通過水流粒子運(yùn)動(dòng)的速度和方向可以較為準(zhǔn)確、直觀地反映出模擬調(diào)水過程中當(dāng)前時(shí)刻的空間內(nèi)流速分布情況。如果隨時(shí)間調(diào)整流速矢量場的數(shù)據(jù)，則可以較為完整地演示模擬調(diào)水過程中流速隨時(shí)間的變化情況。圖6b多粒子軌跡使用粒子個(gè)數(shù)為 5 000±500，基本粒子數(shù)為5 000，為防止粒子假死，每幀會(huì)有部分粒子消亡和新生。在本次研究中，對(duì)水利要素?cái)?shù)據(jù)開始加載到渲染出第一幀內(nèi)容的時(shí)間進(jìn)行多次試驗(yàn)(100次)并記錄，內(nèi)容見圖7。100次渲染耗時(shí)的平均值495.53 ms，整體渲染速度較快。在第一幀渲染完成之后，由圖6b右上角渲染幀率展示圖框可知，在多粒子軌跡展示模式情況下，可視化的繪制幀率達(dá)到每秒60幀(平臺(tái)限制最高為每秒60幀，實(shí)時(shí)渲染時(shí)可以達(dá)到每秒100幀)，可以滿足高速流暢展示的需求，其他展示模式的資源(計(jì)算和存儲(chǔ)資源)消耗均明顯低于多粒子展示模式，渲染速度更快，質(zhì)量更高，限于篇幅，不再詳細(xì)討論。

a) 單粒子軌跡

b) 多粒子軌跡圖6 三江某河段模擬調(diào)水流速軌跡

圖7 渲染耗時(shí)測試

3 結(jié)語

本文通過對(duì)水流數(shù)據(jù)處理、水流演進(jìn)展示技術(shù)以及應(yīng)用實(shí)例的研究可以得出如下結(jié)論。

a)以數(shù)據(jù)清洗、標(biāo)準(zhǔn)入庫以及結(jié)構(gòu)化組織為主要內(nèi)容的數(shù)據(jù)處理過程為水流數(shù)據(jù)可視化展示提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，對(duì)后續(xù)的水流演進(jìn)技術(shù)及展示模式的研究與實(shí)踐具有重要作用。

b)以水流要素的標(biāo)量和矢量類型的不同分別確定的場域展示方式和軌跡展示方式以簡潔、直觀的形式展現(xiàn)了標(biāo)量和矢量水流要素的變化過程，適用于多要素的水流演進(jìn)展示。

c)實(shí)例應(yīng)用以模擬調(diào)水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)了場域展示和軌跡展示在實(shí)際案例中的應(yīng)用，完成了水流展示從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的演變，渲染速度快，整體觀感更為真實(shí)，為三江水系連通工程管理人員和技術(shù)人員開展調(diào)水效果評(píng)估和決策分析提供可視化支撐。