新安江模型與GIS集成框架和方法研究

毛 星，余其鵬(.河海大學(xué)地理信息科學(xué)與工程研究所，南京 0098；.鎮(zhèn)江市規(guī)劃信息中心，江蘇 鎮(zhèn)江 000)

0 引 言

早在20世紀(jì)90年代初期基于GIS技術(shù)的建模集成框架就已經(jīng)在水文研究中得到使用[1]，隨著水文模型在涉水行業(yè)和水科學(xué)研究中的作用越來越顯著，涉水?dāng)?shù)據(jù)模型與模擬模型的集成逐漸成為一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)的問題[2]。目前有許多將GIS與這些水文模型結(jié)合的典型案例，例如將水文模型與GIS的經(jīng)典軟件ArcGIS集成的經(jīng)典模型，ArcHydro模型、ArcSWAT模型等[3,4]。由于水文過程的復(fù)雜性和多變性，這些水文模型在各種參數(shù)和輸入條件盡量簡化了的情況下，只能盡可能真實(shí)的模擬水文循環(huán)過程而不能完全的替代[5]，如何高效無縫的集成GIS與水文過程模型是研究的一個(gè)重要方向。

本研究使用Model builder工具和跨平臺(tái)編程語言Python構(gòu)建水文模擬模塊。將新安江模型劃分為河網(wǎng)提取、流域劃分、產(chǎn)匯流模擬等水文模擬過程，借助Add In開發(fā)方式最終將模塊集成到模擬系統(tǒng)。

1 新安江模型簡介

新安江模型是由河海大學(xué)趙人俊教授于20世紀(jì)80年代提出的[6]，是在對(duì)新安江水庫工作入庫流量預(yù)報(bào)工作中提出來的模型，是一個(gè)完整的降雨徑流流域水文模型，它可以用于濕潤、半濕潤地區(qū)[7]。新安江模型將流域分成多塊單元流域，然后在每個(gè)流域單元內(nèi)計(jì)算產(chǎn)匯流，得到每個(gè)單元的出口流量過程。再經(jīng)過出口以下河道洪水計(jì)算，得出流域出口流量過程。最后通過每個(gè)單元流域出流過程疊加，得到流域出口總的出流過程[8,9]。新安江模型的研究階段分為二水源新安江模型、三水源新安江模型和新安江模型改進(jìn)研究3個(gè)階段[10]。

新安江模型的計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)可以分為4大部分[11]，分別是蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流量計(jì)算、分水源計(jì)算和匯流計(jì)算。

2 新安江模型集成框架

2.1 模型集成實(shí)現(xiàn)方式

系統(tǒng)的集成過程通過以下3個(gè)具體步驟完成：

(1)Model builder建模。Model builder即模型構(gòu)建器，它是創(chuàng)建模型和工具的一種方式，它是ArcGIS、ERDAS、ENVI等專業(yè)軟件中自包含的、模型化的模型構(gòu)建器。它使用模型定制工具，對(duì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行定制，以描述模型的發(fā)生、發(fā)展、完成過程，并實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)地理處理過程的監(jiān)控。模型應(yīng)用構(gòu)件可以使得模型的建立、修改、管理、查詢等更規(guī)范、更便捷。Model builder除了有助于構(gòu)造和執(zhí)行簡單工作流外，還能通過創(chuàng)建模型并將其共享為工具來提供擴(kuò)展 ArcGIS 功能的高級(jí)方法。模型構(gòu)建器甚至還可用于將 ArcGIS 與其他應(yīng)用程序進(jìn)行集成。本研究將在Model builder中構(gòu)建地理處理工作流程。

(2)Python關(guān)鍵模塊編寫。Python語言是一種不受局限、跨平臺(tái)的開源編程語言，它的功能強(qiáng)大易學(xué)。ESRI已將Python完全納入ArcGIS中，水文循環(huán)過程中的蒸散發(fā)模塊、水源劃分模塊、產(chǎn)匯流模塊核心模塊均需要借助Python通過調(diào)用ArcPy站點(diǎn)包和編寫計(jì)算程序，實(shí)用高效的執(zhí)行地理數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理和地圖自動(dòng)化創(chuàng)建。

(3)桌面擴(kuò)展--Add-In開發(fā)方式。將前兩部分完成的地理處理的工作流程采用Python Add-in即Python加載項(xiàng)的方式集成到ArcGIS10.1桌面系統(tǒng)擴(kuò)展中。Add-in是一種自定義項(xiàng)，它可以插入到ArcGIS for Desktop應(yīng)用程序(ArcMap、ArcMap、ArcCatalog、ArcGlobe 和 ArcScene)中，開發(fā)出類似ArcHydro、ArcSWAT等行業(yè)模型工具集。

2.2 地形預(yù)處理模塊

流域地形處理模塊主要功能是通過調(diào)用水文分析工具在Model builder中設(shè)計(jì)河網(wǎng)提取模型，根據(jù)流域?qū)α饔駾EM自動(dòng)校正和河網(wǎng)提取，主要分為5個(gè)步驟如圖1所示。

圖1 河網(wǎng)提取處理流程Fig.1 River network extraction process

(1)洼地填平，DEM洼地(水流積聚地)有真實(shí)洼地和數(shù)據(jù)精度不夠高所造成的洼地。洼地填平的主要作用是避免DEM的精度不夠高所產(chǎn)生的(假的)水流積聚地。洼地填平使用的是Fill工具。

(2)水流方向計(jì)算，使用上一步所生成的DEM為源數(shù)據(jù)了(如果使用未經(jīng)洼地填平處理的數(shù)據(jù)，可能會(huì)造成精度下降)。這里主要使用Flow Direction工具。輸入的DEM采用第一步的結(jié)果數(shù)據(jù)。

(3)水流積聚計(jì)算，使用Flow Accumulation工具流向。柵格數(shù)據(jù)就是第二步所獲得的數(shù)據(jù)。這時(shí)生成的水流積聚柵格已經(jīng)可以看到所產(chǎn)生的河網(wǎng)。通過產(chǎn)生的河網(wǎng)的支流的像素值作為閥值來提取河網(wǎng)柵格。

(4)提取河網(wǎng)柵格，使用Spatial Analyst中的柵格計(jì)算器，將所有大于河網(wǎng)柵格閥值的像素全部提取出來。至于這個(gè)閥值是多少因具體情況而定。通常是要大于積聚計(jì)算后得到柵格的最低河流像素值。這里采用的是1000。最后生成只有0、1值的柵格數(shù)據(jù)。其中1表示是河網(wǎng)，0是非河網(wǎng)。

(5)生成河網(wǎng)矢量，使用Stream to Feature工具。輸入值為第四步只有0、1值的河網(wǎng)柵格。流向柵格使用第二步所生成的柵格數(shù)據(jù)。

2.3 水雨情監(jiān)測模塊

水雨情監(jiān)測模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史水雨情的空間檢索、查詢、統(tǒng)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，并以多種方式顯示、表達(dá)和輸出，使水情、預(yù)測預(yù)報(bào)可以更方便和快捷，為決策者提供分析決策的依據(jù)。流域數(shù)據(jù)庫中涉及到的水文站、雨量站站點(diǎn)信息和觀測信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，并且將歷史查詢結(jié)果和傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做比較分析，為決策者提供數(shù)據(jù)支持過程如圖2所示，總共分為5個(gè)小部分。

(1)首先通過輸入站點(diǎn)和時(shí)間信息，通過①、②在數(shù)據(jù)庫查詢語言在數(shù)據(jù)庫中檢索站點(diǎn)的降雨和流量數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)通過③、④以表和圖的形式輸出。

(2)通過⑤綜合分析降雨和流量數(shù)據(jù)，和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，劃分預(yù)警等級(jí)為決策提供依據(jù)。

圖2 水雨情查詢處理流程Fig.2 Water and rain query processing

2.4 水文模擬模塊

水文中模擬模塊是整個(gè)模型的核心。模塊采用地理處理工作流定制方法，使用Model builder建模和python關(guān)鍵模塊編寫相結(jié)合的方法，即在模型中嵌套子模型，這樣做的好處是不僅能使整個(gè)模型的進(jìn)程清楚，而且可以單獨(dú)調(diào)用某個(gè)子模型以得到想要的結(jié)果，也可以將子模型提取出來集成到其他的水文模型中，提高了共享的能力。對(duì)于整個(gè)模型來說更方便修改和管理，如果模型需要修改和調(diào)整只需要修改某個(gè)子模型而無需對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行調(diào)整，提高了工作效率。

圖3為模型的核心模塊，是基于新安江模型的地理處理工作流程，由圖可以看出將整個(gè)模擬模型分為了4個(gè)子模塊，分別是產(chǎn)流模塊、匯流模塊、蒸散發(fā)模塊、水源劃分模塊。

圖3 水文模擬計(jì)算處理工作流Fig.3 Hydrological simulation processing workflow

3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

在建立好上述集成模型框架的基礎(chǔ)上，研究選取河南省汝河流域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)，取新蔡站2005、2006兩年的模擬值與實(shí)測值進(jìn)行驗(yàn)證，模擬結(jié)果如圖4所示，由模擬結(jié)果可以看模擬值與實(shí)測值變化趨勢基本吻合，這兩年的模擬值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.872 5和0.875 2，相關(guān)性均較高，說明模擬效果良好。

4 結(jié) 語

研究采用可視化的建模工具M(jìn)odel builder將水文模擬模

圖4 水文模擬模塊的新蔡站模擬結(jié)果圖Fig.4 Result of Hydrological simulation module in XinCai

型細(xì)化為4個(gè)子模塊(蒸散發(fā)子模塊、產(chǎn)流子模塊、匯流子模塊、水源劃分子模塊)。將模擬模型打包以Python Add-In方式擴(kuò)展到GIS專業(yè)軟件中，提高了模型的可操作性為水文過程模型與GIS的集成提供了新的方法。對(duì)汝河流域新蔡站的應(yīng)用研究表明，集成系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理、操作方式、結(jié)果可視化方面都具有明顯的優(yōu)勢，提高了新安江模型的應(yīng)用效率，使新安江模型在實(shí)際應(yīng)用中更加方便。

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