分布式水文模型與網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)集成的研究

陳文龍，張 煜，曹 波，沈定濤，葉 松

(長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

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分布式水文模型與網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)集成的研究

陳文龍，張 煜，曹 波，沈定濤，葉 松

(長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

分布式水文模型是目前流域模型方面的研究熱點。為此，將分布式水文模型與網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)相集成，探討了分布式水文模型在網(wǎng)絡(luò)GIS框架下的數(shù)據(jù)存儲、物理實現(xiàn)和消息通信方式，設(shè)計了完整的分布式水文模型與網(wǎng)絡(luò)GIS框架集成方案，并根據(jù)集成方案實現(xiàn)了CREST模型的網(wǎng)絡(luò)計算服務(wù)實例。實例結(jié)果表明，分布式水文模型與網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)集成具有良好的應(yīng)用效果，能夠拓展分布式水文模型的應(yīng)用范圍。

分布式水文模型；網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)；框架集成；網(wǎng)絡(luò)計算服務(wù)；CREST

1 研究背景

流域水文模型是對流域上的水文過程進行模擬所建立的數(shù)值計算模型，其本質(zhì)是利用一定的數(shù)學(xué)方法對自然界復(fù)雜的水文循環(huán)過程近似模擬的概化工具[1]，按照模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的物理完善性，現(xiàn)有的水文模型可分為概念性模型和分布式模型[2]，分布式水文模型由于考慮到流域表面水力學(xué)特征的非均勻性，能夠較為準確地反映出下墊面因子空間分布對降雨徑流的影響，所以已經(jīng)成為了現(xiàn)在流域模型方面的研究和應(yīng)用的熱點[3-5]。與集中式水文模型相比，分布式水文模型將要分析的流域范圍劃分為相當多的計算單元，計算量相對較大，而且分布式模型一般參數(shù)眾多，算法復(fù)雜[6]，這在一定程度上增加了分布式模型的計算復(fù)雜度和運行時間，阻礙了分布式水文模型的應(yīng)用和推廣。

地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的發(fā)展為分布式水文模型的發(fā)展提供了新的契機，GIS強大的空間數(shù)據(jù)管理能力可以為分布式模型的數(shù)據(jù)管理和處理提供技術(shù)支撐，所以將GIS技術(shù)與分布式水文模型結(jié)合起來，以GIS技術(shù)為框架支撐，在此基礎(chǔ)上融合入分布式水文模型作為功能邏輯，已經(jīng)成為了許多研究者的重點研究方向[7-11]。但是分布式水文模型和GIS技術(shù)側(cè)重點各有不同，將兩者有機結(jié)合起來是個不小的挑戰(zhàn)，而且對于試圖充分利用其優(yōu)點的研究者都需要自己構(gòu)建相應(yīng)的軟硬件平臺，這也是對資源的重復(fù)浪費。流域水文模型的計算過程其實可以看作是一個“服務(wù)”過程，用戶提供模型所需的參數(shù)，模型經(jīng)過計算后返回用戶計算結(jié)果，最終用戶往往并不關(guān)心模型結(jié)果的計算方式和獲取方式，這和網(wǎng)絡(luò)GIS計算服務(wù)[12]的內(nèi)涵是基本一致的。

本文旨在充分利用網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)的優(yōu)勢，將其與分布式水文模型集合，構(gòu)建分布式水文模型計算網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，挖掘分布式水文模型的應(yīng)用潛力。

2 分布式水文模型的特點

分布式水文模型利用水循環(huán)的動力學(xué)機制來模擬研究流域的水文過程。不同于集中式水文模型，分布式水文模型將下墊面和氣候因子的空間分布不均勻性作為模型的一個重要考慮因素，同時分布式水文模型一般有著更加明確的物理意義，所以可以使用嚴格的數(shù)學(xué)物理方程描述模型的各個狀態(tài)過程，總的來說分布式水文模型有如下幾個突出特點：

(1) 流域根據(jù)實際需要被離散劃分為多個獨立的計算單元，每個計算單位內(nèi)的性質(zhì)差別相對較小，離散的計算單元越多，模型計算的精度相對越大，計算量也相應(yīng)增加。

(2) 分布式水文模型結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜，通常被劃分為諸多功能相對獨立的子模塊，所以模型所需的輸入數(shù)據(jù)及過程參數(shù)種類和數(shù)量都較為繁雜，輸入和過程數(shù)據(jù)的管理是模型使用的一項重要內(nèi)容。

(3) 分布式水文模型采用可推導(dǎo)的數(shù)學(xué)公式來數(shù)值模擬水文循環(huán)中的各個物理過程，同時也考慮這些水文過程之間的相互作用和水量傳導(dǎo)，所以模型使用了大量復(fù)雜的偏微分方程或者其他數(shù)學(xué)方程來進行計算，以求得到確定的數(shù)值解，這使得分布式水文模型的計算過程涉及到相當大的計算量，對水文模型的迅速響應(yīng)構(gòu)成阻礙。

由以上分布式水文模型的特點可見，分布式水文模型的應(yīng)用涉及大規(guī)模多類型數(shù)據(jù)管理、計算參數(shù)和結(jié)果轉(zhuǎn)換，以及計算過程的較快速運行，這些都是分布式水文模型與其他框架平臺集成的關(guān)鍵結(jié)合點和突破點。

3 網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)技術(shù)

GIS是以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合分析計算模型，對各種地理信息執(zhí)行存儲管理、分析處理和輸出表達等一系列功能，是一種在計算機軟硬件支持下為空間分析和地理決策服務(wù)的空間信息系統(tǒng)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(Web GIS)是將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GIS相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為各種應(yīng)用提供GIS的分析和表達功能，其本質(zhì)是一個基于網(wǎng)絡(luò)的分布式空間信息管理和服務(wù)系統(tǒng)，能夠?qū)⒃瓉韱为氂嬎銠C的GIS服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持，提供給任意用戶使用[13]。網(wǎng)絡(luò)GIS不但擁有傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)強大的空間分析功能，還有一些在網(wǎng)絡(luò)條件支持下的獨有特點：

幾聲長音過去。靜了片刻，風(fēng)中便傳來飄渺空靈、凄清孤高的曲調(diào)。寒風(fēng)在窗外呼呼作響，西風(fēng)再凜冽，此刻也只能當簫音的陪襯。

(1) 數(shù)據(jù)存儲和分析應(yīng)用工具都可以是分布式的管理，并不一定存放在同一個服務(wù)器上，用戶直接通過網(wǎng)絡(luò)即可訪問所有的數(shù)據(jù)和分析工具，服務(wù)端的結(jié)構(gòu)和處理方式對于客戶端是完全透明的。

(2) 客戶端與服務(wù)端通過規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸和請求通信，其基本過程是客戶端通過網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)端收到特定請求后進行數(shù)據(jù)的處理和分析，然后將分析和結(jié)果返回給用戶。

(3) 客戶端與服務(wù)端具有各自的平臺獨立性，客戶端可以采用任意的操作系統(tǒng)，只要安裝有瀏覽器即可，服務(wù)器和客戶端之間沒有任何的硬件關(guān)聯(lián)，只需要滿足特定的通信協(xié)議和接口。

網(wǎng)絡(luò)GIS以上這些特點使得分布式水文模型的具體實現(xiàn)必須滿足一定的條件才能集成至網(wǎng)絡(luò)GIS平臺框架上面，水文模型的服務(wù)端實現(xiàn)必須滿足網(wǎng)絡(luò)GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織、服務(wù)調(diào)用響應(yīng)、計算結(jié)果返回等一系列要求。

4 分布式水文模型與網(wǎng)絡(luò)GIS的集成

4.1 分布式水文模型的數(shù)據(jù)組織管理

分布式水文模型的輸入?yún)?shù)和過程參數(shù)不但類型較多，數(shù)據(jù)量也普遍較大，單純數(shù)據(jù)存儲文件的形式對于網(wǎng)絡(luò)GIS多任務(wù)處理的要求是很難滿足的。分布式水文模型計算所要求的數(shù)據(jù)類型主要包括柵格數(shù)據(jù)和單獨的數(shù)值參數(shù)，針對這2種數(shù)據(jù)類型的特點，可以采用數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)文件相結(jié)合的形式，統(tǒng)一進行管理和使用(圖1)。

圖1 數(shù)據(jù)組織管理示意圖

對于柵格數(shù)據(jù)集，將其以特定的柵格文件格式在服務(wù)器上數(shù)據(jù)存儲，同時在數(shù)據(jù)庫中建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)集索引，實現(xiàn)邏輯上的層次結(jié)構(gòu)管理，物理上的任意位置存儲，而對于單獨的數(shù)值參數(shù)，則根據(jù)分布式水文模型的所需參數(shù)的特點，在數(shù)據(jù)庫中設(shè)計相應(yīng)的表結(jié)構(gòu)直接存儲數(shù)值。

4.2 分布式水文模型的物理實現(xiàn)

圖2 分布式水文模型管理框架示意圖Fig.2 Diagram of management framework of distributed hydrologic model

針對這些對分布式水文模型與網(wǎng)絡(luò)GIS框架集成的要求，在對分布式水文模型進行具體的計算機物理實現(xiàn)時，設(shè)計一套負責(zé)具體調(diào)用和管理水文模型的模型管理框架(見圖2)。對水文模型的計算調(diào)用通過這個管理框架來實現(xiàn)，水文模型的計算結(jié)果也由管理框架進行相應(yīng)的返回輸出，總的來說，模型管理框架的主要作用為：

(1) 接受所有的模型計算請求，為計算請求調(diào)用相應(yīng)的分布式水文模型，并分配計算機線程和內(nèi)存資源，將每個模型計算任務(wù)加入框架的任務(wù)列表。

(2) 對于多個模型任務(wù)競爭使用的數(shù)據(jù)等資源，管理框架將競爭的計算任務(wù)維護為有序隊列，確保資源的任務(wù)唯一占有，并將使用完資源的任務(wù)移出隊列。

(3) 接受來自網(wǎng)絡(luò)GIS框架的參數(shù)數(shù)據(jù)并傳遞給計算模型，同樣將模型計算的結(jié)果返回至網(wǎng)絡(luò)GIS框架平臺，對于已經(jīng)完成的分布式水文模型計算，回收相應(yīng)的內(nèi)存和數(shù)據(jù)資源。

4.3 分布式水文模型在網(wǎng)絡(luò)GIS平臺下的集成與交互

用戶的數(shù)據(jù)瀏覽和模型計算請求都是提交給服務(wù)端上的網(wǎng)絡(luò)GIS平臺，分析處理后的結(jié)果也是通過網(wǎng)絡(luò)GIS平臺返回給請求用戶。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，用戶直接面向的對象是網(wǎng)絡(luò)GIS平臺，而不是單獨的分布式水文模型，所以在構(gòu)建出模型管理框架的基礎(chǔ)上，還要考慮網(wǎng)絡(luò)GIS平臺與模型的指令交互問題，以及將模型計算結(jié)果提取至網(wǎng)絡(luò)GIS平臺，經(jīng)服務(wù)端處理成適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再呈現(xiàn)給用戶。

本文采用的解決方式是利用網(wǎng)絡(luò)GIS平臺自有的運行組件和程序構(gòu)建語言，在網(wǎng)絡(luò)GIS平臺和模型管理框架之間建立一個通信的中間層，中間層滿足網(wǎng)絡(luò)GIS平臺功能組件的所有接口，同時將GIS平臺的調(diào)用指令轉(zhuǎn)換為模型管理框架可以接受的形式進行傳遞，這樣網(wǎng)絡(luò)GIS就通過接口調(diào)用中間層間接使用分布式水文模型的所有計算功能。對于模型計算的結(jié)果，中間層將其轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)GIS平臺可以接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以供GIS平臺進一步處理。盡管分布式水文模型與GIS平臺之間的計算機實現(xiàn)語言和運行方式可能不同，但是通過這個通信中間層，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)GIS平臺與分布式水文模型的緊密集成與方便交互。

5 應(yīng)用實例

根據(jù)本文對分布式水文模型與網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)集成的設(shè)計方案，將CREST水文模型與網(wǎng)絡(luò)GIS平臺結(jié)合，實現(xiàn)CREST模型計算的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，以及與GIS其他地圖服務(wù)的相互融合。

CREST(Coupled Routing and Excess Storage)水文模型是一個基于流域的河道匯流和蓄滿產(chǎn)流原理的分布式水文模型[14]，目前已經(jīng)得到比較廣泛的應(yīng)用。CREST與ArcGIS Server集成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 CREST與ArcGIS Server集成結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the integration of CREST and ArcGIS Server

在本實例中使用C++程序語言將模型管理框架和CREST模型編寫為動態(tài)鏈接庫程序，以供通信中間層調(diào)用。網(wǎng)絡(luò)GIS平臺使用ArcGIS Server平臺，ArcGIS Server是目前功能最為強大的網(wǎng)絡(luò)GIS平臺，提供了在分布式環(huán)境下進行地理數(shù)據(jù)管理、瀏覽、地理處理和分析等GIS功能[15]。ArcGIS Server除了提供已有的功能外，還能利用其自有的ArcObject組件擴展更多的功能。這里使用ArcObject .Net進行通信中間件的編寫，實現(xiàn)CREST模型與ArcGIS Server的調(diào)用通信和數(shù)據(jù)傳輸，ArcGIS Server將CREST計算發(fā)布為REST類型[16]的網(wǎng)絡(luò)Geoprocessing服務(wù)(GP服務(wù))，凡是能夠連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的客戶端應(yīng)用，只需根據(jù)CREST模型GP服務(wù)的URL(網(wǎng)絡(luò)地址)即可調(diào)用CREST計算服務(wù)。CREST模型計算的輸入數(shù)據(jù)和其他參數(shù)使用服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進行存儲，并利用ArcGIS提供的空間數(shù)據(jù)引擎[17]提供空間數(shù)據(jù)庫的支持。

圖4 CREST模型網(wǎng)絡(luò)計算和計算結(jié)果展示Fig.4 Network computing and display of calculation result of CREST model

圖5 CREST模型時間序列計算結(jié)果Fig.5 Time sequence results of CREST model computing

本實例在客戶端利用JavaScript在瀏覽器中實現(xiàn)CREST的計算界面，計算的地理范圍為CREST模型發(fā)表時的測試區(qū)域——肯尼亞恩佐亞河流域[14]，任何用戶通過該網(wǎng)絡(luò)頁面即可提交計算，計算完畢后會將結(jié)果實時返回至瀏覽器，并且計算結(jié)果都包含地理坐標信息，能與原有的地圖服務(wù)很好的融合(圖4)，也能對一個時間序列進行計算，展示CREST模型計算結(jié)果隨著時間和參數(shù)的動態(tài)變化過程(圖5)。

6 結(jié) 論

對下墊面因素空間分布的考慮是分布式水文模型一個突出的特點，使得分布式水文模型成為目前水文模型方面的熱點，但是這也使得分布式水文模型存在數(shù)據(jù)搜集與管理的不便，以及計算復(fù)雜度較大的問題，而網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)的空間數(shù)據(jù)管理和地理服務(wù)功能為解決分布式水文模型的應(yīng)用困境提供了很好的契機。

本文根據(jù)分布式水文模型和網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)的特點，設(shè)計了分布式水文模型與網(wǎng)絡(luò)GIS平臺的集成方案，該集成方案考慮到了分布式水文模型的物理實現(xiàn)和管理，以及與網(wǎng)絡(luò)GIS平臺的通信和數(shù)據(jù)傳輸，并將分布式水文模型和網(wǎng)絡(luò)GIS集成方案實現(xiàn)為具體實例。由實例可見，基于網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)的分布式水文模型計算服務(wù)具有方便的訪問方式和快速的計算過程，可供任意用戶同時并發(fā)使用，并且不需要客戶端額外安裝任何插件和程序，說明了網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)與分布式水文模型集成具有很好的應(yīng)用潛力，能夠?qū)⒎植际剿哪Ｐ偷氖褂猛仆嗟念I(lǐng)域。

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(編輯：黃 玲)

An Integration of Distributed Hydrologic Model andWeb-based GIS Technology

CHEN Wen-long，ZHANG Yu，CAO Bo，SHEN Ding-tao，YE Song

(Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Distributed hydrological model is currently the hotspot of watershed model research. In this research, the data storage, physical realization and message communication of distributed hydrological model in Web-based GISframework are discussed through integrating distributed hydrological model with Web-based GIS technology. A complete scheme of integrating distributed hydrological model with Web-based GIS is designed, based on which the network computing service of CREST (Coupled Routing and Excess Storage) model is accomplished. The results suggest that the integration of distributed hydrological model and Web-based GIS technology expands the scope of the application of distributed hydrological model.

distributed hydrological model; Web-based GIS technology; framework integration; network computing service; CREST

2016-08-20

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(41501558)；云南省省級水資源費項目(CKSK2015720/KJ)；云南省水利重大科技項目(CKSK2015852/KJ)

陳文龍(1989-)，男，四川綿陽人，碩士研究生，研究方向為空間信息技術(shù)，(電話)027-82926497(電子信箱)Cowerling@163.com。

張 煜(1971-)，男，山東陽谷人，高級工程師，博士，研究方向為攝影測量與遙感，(電話)18986061273(電子信箱)zhangyu_1999@126.com。

10.11988/ckyyb.20160853

2016,33(11):49-53

P333；P208

A

1001-5485(2016)11-0049-05