黃河流域灌區(qū)生態(tài)環(huán)境演變仿真系統(tǒng)研究

姜仁貴　史仝樂　解建倉　

摘 要：當(dāng)前黃河流域生態(tài)環(huán)境仍然脆弱，灌區(qū)作為一個(gè)開放式生態(tài)系統(tǒng)，較易受到自然和人類活動(dòng)的影響，變化環(huán)境下灌區(qū)生態(tài)環(huán)境如何演變是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。以黃河流域灌區(qū)生態(tài)環(huán)境為研究對(duì)象，融合多源數(shù)據(jù)資源，設(shè)計(jì)并研發(fā)了黃河流域灌區(qū)生態(tài)環(huán)境演變仿真系統(tǒng)。采用大數(shù)據(jù)和信息集成等技術(shù)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)歷史統(tǒng)計(jì)資料、空間地理信息和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等多源數(shù)據(jù)資源的高效融合，構(gòu)建黃河流域灌區(qū)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)資源庫;基于數(shù)字地球開發(fā)組件化的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境演變仿真系統(tǒng)，提供灌區(qū)多源信息融合、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、演變可視化仿真和應(yīng)急管理等應(yīng)用服務(wù)，為灌區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供輔助決策支持。以黃河流域典型灌區(qū)為例開展了實(shí)例應(yīng)用，結(jié)果表明：構(gòu)建的仿真系統(tǒng)可視化效果好、適應(yīng)性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好，可為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：流域生態(tài)保護(hù);仿真系統(tǒng);多源信息融合;灌區(qū)生態(tài)環(huán)境;黃河流域

中圖分類號(hào)：S274; TV882.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.010

Research on the Simulation System for Irrigated Area Ecological

Environment Evolution in the Yellow River Basin

JIANG Rengui1，2， SHI Tongle1， XIE Jiancang1， YU Xiang1， LIANG Jichao1

（1.State Key Laboratory of Eco-Hydraulics in Northwest Arid Region of China， Xian University of Technology， Xian 710048， China;

2.Department of Geography， National University of Singapore， Singapore 117570， Singapore）

Abstract：Recently， the ecological environment in the Yellow River Basin （YRB） is still fragile. As an open ecosystem， irrigation area is more susceptible to be affected by both natural and human activities. The ecological environment evolution of irrigation area under changing environment is a current research hot spot. This paper focused on the ecological environment of irrigation area in YRB， integrated the multi-source information resources， designed and developed a simulation system for ecological environment evolution. The multi-source data resources such as historical statistics data， spatial geographic information and dynamic monitoring data were efficiently integrated by using big data and information integration technologies. The ecological environment for irrigation area database of YRB was established to support the system. The component-based simulation system for ecological environment evolution in irrigation was developed by using digital earth as the basic platform. The typical application service of the system including multi-source information fusion， ecological environment monitoring， evolution visualization simulation and emergency management were proposed. The simulation system could provide auxiliary decision support for the ecological environment protection in irrigation. Taking the typical irrigation area in the Yellow River basin as an example， the results show that the simulation system established has good visualization effect， strong applicability and good expansibility， which provides technical support for the ecological protection and high-quality development of YRB， thus it has good application prospect.

1.3 數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)框架

為了給用戶提供好的可視化效果，將三維數(shù)字地球基礎(chǔ)組件WorldWind作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，該組件由美國NASA組織開發(fā)，目前提供多種開發(fā)語言版本?？紤]到系統(tǒng)的平臺(tái)無關(guān)性和用戶體驗(yàn)，將Java SDK作為基礎(chǔ)組件[11]，該組件在高性能計(jì)算能力支持下，由一系列層次遞進(jìn)模型框架構(gòu)成，主要包括可視化球體模型、圖層管理器、視圖加載器、配置文件、事件觸發(fā)和監(jiān)聽等，組件底層通過遙感影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型（DEM）構(gòu)造出研究區(qū)域的地形地貌，搭建基礎(chǔ)的灌區(qū)實(shí)體要素三維仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過WebGIS與遙感影像無縫對(duì)接，增強(qiáng)GIS服務(wù)效能。融合多種空間信息規(guī)范以及水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以瓦片金字塔和數(shù)據(jù)集成中間件方式對(duì)空間地理信息和灌區(qū)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行集成和融合，并在互操作綜合服務(wù)環(huán)境支撐下，面向灌區(qū)生態(tài)環(huán)境演變提供虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境接口，支持系統(tǒng)應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)。

1.4 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化互操作服務(wù)

基于數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)，采用投影變換并行算法，對(duì)遙感影像按影像金字塔模型進(jìn)行切片處理，構(gòu)建遙感影像瓦片描述及網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（WMS）環(huán)境，進(jìn)而建立空間影像瓦片索引及鄰域檢索機(jī)制和層次模型，實(shí)現(xiàn)視域內(nèi)像素點(diǎn)及經(jīng)緯度之間的轉(zhuǎn)換[12]。通過瓦片金字塔服務(wù)構(gòu)建系統(tǒng)三維視域模型，瓦片金字塔作為一種多分辨率層次模型，在統(tǒng)一的空間投影參照下，按照不同空間分辨率將整幅影像或DEM數(shù)據(jù)分割成塊進(jìn)行存放，通過經(jīng)緯度記錄子塊位置的空間索引，響應(yīng)不同分辨率數(shù)據(jù)的訪問和存儲(chǔ)需求，通過空間代價(jià)換取時(shí)間代價(jià)，提高系統(tǒng)訪問效率。影像金字塔所提供的分層數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)緩存技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海量地理數(shù)據(jù)的高效組織管理，并容易實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)內(nèi)容、顯示區(qū)域無關(guān)的多分辨率流暢顯示。采用開放地理空間信息聯(lián)盟（OGC）標(biāo)準(zhǔn)空間地理信息規(guī)范實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)發(fā)布、疊加和渲染，以及數(shù)據(jù)通信、信息編碼和地理信息的建模、傳輸和存儲(chǔ)等服務(wù)[13]。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

黃河發(fā)源于青海省巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地，全長(zhǎng)5 464 km，流域面積79.5萬km2。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年年底，黃河流域省份總?cè)丝诤蜕a(chǎn)總值分別占全國的30.3%和26.5%[1]。流域內(nèi)典型灌區(qū)主要包括黃河上游寧夏回族自治區(qū)的青銅峽灌區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)的河套灌區(qū)，黃河中游陜西省的東雷抽黃灌區(qū)和涇惠渠灌區(qū)，黃河下游河南省的人民勝利渠灌區(qū)和山東省的簸箕李灌區(qū)等。通過對(duì)搜集數(shù)據(jù)資料和生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，灌區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境等方面還存在一些問題，制約著黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用功能

結(jié)合黃河流域灌區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和存在的問題，將設(shè)計(jì)的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境演變仿真系統(tǒng)應(yīng)用到黃河流域灌區(qū)生態(tài)環(huán)境演變中，以黃河流域典型灌區(qū)為例，驗(yàn)證構(gòu)建的仿真系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。受篇幅限制，重點(diǎn)以基于系統(tǒng)的多源信息融合服務(wù)、灌區(qū)生態(tài)環(huán)境影響因素監(jiān)測(cè)、典型灌區(qū)土壤含鹽量動(dòng)態(tài)模擬和典型灌區(qū)干旱評(píng)價(jià)服務(wù)4個(gè)功能為例闡述系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

基于系統(tǒng)的河套灌區(qū)多源信息融合服務(wù)應(yīng)用實(shí)例見圖2。該服務(wù)為河套灌區(qū)基礎(chǔ)信息、空間地理信息、工情和雨水情信息等提供多源信息融合、分析和三維可視化展示等，基礎(chǔ)信息和空間地理信息主要包括灌區(qū)DEM、GIS、遙感影像和土地利用數(shù)據(jù)等，雨水情信息主要包括河套灌區(qū)生態(tài)環(huán)境相關(guān)的降水、徑流、水位等因素，工情主要包括河套灌區(qū)內(nèi)水庫工程、水電站工程和機(jī)電井工程等信息。

圖2 基于系統(tǒng)的河套灌區(qū)多源信息融合服務(wù)

基于系統(tǒng)的涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境因素監(jiān)測(cè)服務(wù)應(yīng)用實(shí)例見圖3。該服務(wù)在剖析涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境問題的基礎(chǔ)上識(shí)別涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境影響因子，基于系統(tǒng)對(duì)涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和可視化仿真，潛在的影響因素主要包括雨水情、流量和水位等水文因素，供用水量等水資源因素，灌區(qū)土壤含鹽量、墑情、種植結(jié)構(gòu)等。采用線性回歸、Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法對(duì)長(zhǎng)時(shí)序統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行特征分析，基于系統(tǒng)的三維可視化基礎(chǔ)環(huán)境對(duì)其進(jìn)行可視化展示。

圖3 基于系統(tǒng)的涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境因素監(jiān)測(cè)服務(wù)

基于系統(tǒng)的青銅峽灌區(qū)土壤含鹽量動(dòng)態(tài)模擬應(yīng)用實(shí)例見圖4。該服務(wù)改變傳統(tǒng)靜態(tài)分析為基于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可視化模擬，采用多源信息融合技術(shù)剖析青銅峽灌區(qū)生態(tài)環(huán)境影響因素，包括土壤含鹽量、墑情和地下水水位等，基于系統(tǒng)對(duì)上述影響因素進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果通過插值進(jìn)行空間展布，按照系統(tǒng)提供的互操作服務(wù)將結(jié)果進(jìn)行可視化展示。

圖4 基于系統(tǒng)的青銅峽灌區(qū)土壤含鹽量動(dòng)態(tài)模擬

基于系統(tǒng)的涇惠渠灌區(qū)干旱評(píng)價(jià)應(yīng)用實(shí)例見圖5。該服務(wù)采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）評(píng)價(jià)涇惠渠灌區(qū)干旱情況[14]，將SPI計(jì)算過程組件化，從系統(tǒng)構(gòu)建的灌區(qū)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)資源庫中獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算得到結(jié)果，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行插值和空間三維展布，進(jìn)而得到不同時(shí)期灌區(qū)干旱空間分布情況，為灌區(qū)相關(guān)管理人員提供決策支持。

圖5 基于系統(tǒng)的涇惠渠灌區(qū)干旱評(píng)價(jià)服務(wù)

3 結(jié) 語

針對(duì)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境演變關(guān)鍵問題，從非工程措施出發(fā)，基于數(shù)字地球三維可視化環(huán)境設(shè)計(jì)、研發(fā)了灌區(qū)生態(tài)環(huán)境演變仿真系統(tǒng)，并以黃河流域典型灌區(qū)為例開展了實(shí)例應(yīng)用，結(jié)果表明：該系統(tǒng)在對(duì)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)資源整合和分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建灌區(qū)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)資源庫，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)空間地理信息、歷史統(tǒng)計(jì)資料和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的高效組織和管理，通過系統(tǒng)的可視化集成環(huán)境為用戶提供個(gè)性化灌區(qū)信息管理、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、應(yīng)急管理、空間分析等服務(wù)，具有較好的三維可視化效果，并且具有較好的適應(yīng)性。

系統(tǒng)為灌區(qū)生態(tài)環(huán)境演變提供三維可視化仿真環(huán)境，在黃河流域青銅峽灌區(qū)、河套灌區(qū)和涇惠渠灌區(qū)的應(yīng)用實(shí)例表明：模擬效果和實(shí)際調(diào)研資料分析結(jié)果較為吻合;系統(tǒng)采用組件化軟件開發(fā)技術(shù)，將數(shù)據(jù)資源和計(jì)算過程以組件的方式提供信息服務(wù)和計(jì)算服務(wù)，可擴(kuò)展性好，避免了傳統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)等問題。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】

收稿日期：2019-10-26

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0401409）;國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51679188，51509201，51979221）;陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2018JM5031）

作者簡(jiǎn)介：姜仁貴（1985—），男，江西玉山人，副教授，研究方向?yàn)槌鞘蟹篮闇p災(zāi)與應(yīng)急管理

通信作者：解建倉（1963—），男，陜西眉縣人，教授，研究方向?yàn)樗Y源管理及決策支持系統(tǒng)、水利信息化

E-mail：jcxie@xaut.edu.cn