新安江模型與GIS集成框架和方法研究

毛 星，余其鵬(.河海大學地理信息科學與工程研究所，南京 0098；.鎮江市規劃信息中心，江蘇 鎮江 000)

0 引 言

早在20世紀90年代初期基于GIS技術的建模集成框架就已經在水文研究中得到使用[1]，隨著水文模型在涉水行業和水科學研究中的作用越來越顯著，涉水數據模型與模擬模型的集成逐漸成為一個重點和難點的問題[2]。目前有許多將GIS與這些水文模型結合的典型案例，例如將水文模型與GIS的經典軟件ArcGIS集成的經典模型，ArcHydro模型、ArcSWAT模型等[3,4]。由于水文過程的復雜性和多變性，這些水文模型在各種參數和輸入條件盡量簡化了的情況下，只能盡可能真實的模擬水文循環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重要方向。

本研究使用Model builder工具和跨平臺編程語言Python構建水文模擬模塊。將新安江模型劃分為河網提取、流域劃分、產匯流模擬等水文模擬過程，借助Add In開發方式最終將模塊集成到模擬系統。

1 新安江模型簡介

新安江模型是由河海大學趙人俊教授于20世紀80年代提出的[6]，是在對新安江水庫工作入庫流量預報工作中提出來的模型，是一個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[7]。新安江模型將流域分成多塊單元流域，然后在每個流域單元內計算產匯流，得到每個單元的出口流量過程。再經過出口以下河道洪水計算，得出流域出口流量過程。最后通過每個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研究3個階段[10]。

新安江模型的計算方法和結構可以分為4大部分[11]，分別是蒸散發計算、產流量計算、分水源計算和匯流計算。

2 新安江模型集成框架

2.1 模型集成實現方式

系統的集成過程通過以下3個具體步驟完成：

(1)Model builder建模。Model builder即模型構建器，它是創建模型和工具的一種方式，它是ArcGIS、ERDAS、ENVI等專業軟件中自包含的、模型化的模型構建器。它使用模型定制工具，對業務流程進行定制，以描述模型的發生、發展、完成過程，并實現對整個地理處理過程的監控。模型應用構件可以使得模型的建立、修改、管理、查詢等更規范、更便捷。Model builder除了有助于構造和執行簡單工作流外，還能通過創建模型并將其共享為工具來提供擴展 ArcGIS 功能的高級方法。模型構建器甚至還可用于將 ArcGIS 與其他應用程序進行集成。本研究將在Model builder中構建地理處理工作流程。

(2)Python關鍵模塊編寫。Python語言是一種不受局限、跨平臺的開源編程語言，它的功能強大易學。ESRI已將Python完全納入ArcGIS中，水文循環過程中的蒸散發模塊、水源劃分模塊、產匯流模塊核心模塊均需要借助Python通過調用ArcPy站點包和編寫計算程序，實用高效的執行地理數據分析、數據轉換、數據管理和地圖自動化創建。

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

2.2 地形預處理模塊

流域地形處理模塊主要功能是通過調用水文分析工具在Model builder中設計河網提取模型，根據流域對流域DEM自動校正和河網提取，主要分為5個步驟如圖1所示。

圖1 河網提取處理流程Fig.1 River network extraction process

(1)洼地填平，DEM洼地(水流積聚地)有真實洼地和數據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)水流方向計算，使用上一步所生成的DEM為源數據了(如果使用未經洼地填平處理的數據，可能會造成精度下降)。這里主要使用Flow Direction工具。輸入的DEM采用第一步的結果數據。

(3)水流積聚計算，使用Flow Accumulation工具流向。柵格數據就是第二步所獲得的數據。這時生成的水流積聚柵格已經可以看到所產生的河網。通過產生的河網的支流的像素值作為閥值來提取河網柵格。

(4)提取河網柵格，使用Spatial Analyst中的柵格計算器，將所有大于河網柵格閥值的像素全部提取出來。至于這個閥值是多少因具體情況而定。通常是要大于積聚計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值的柵格數據。其中1表示是河網，0是非河網。

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

2.3 水雨情監測模塊

水雨情監測模塊將實時數據和歷史水雨情的空間檢索、查詢、統計進行對比，并以多種方式顯示、表達和輸出，使水情、預測預報可以更方便和快捷，為決策者提供分析決策的依據。流域數據庫中涉及到的水文站、雨量站站點信息和觀測信息進行實時查詢，并且將歷史查詢結果和傳感器實時數據做比較分析，為決策者提供數據支持過程如圖2所示，總共分為5個小部分。

(1)首先通過輸入站點和時間信息，通過①、②在數據庫查詢語言在數據庫中檢索站點的降雨和流量數據，輸出數據通過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據，和歷史數據進行比較，劃分預警等級為決策提供依據。

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關鍵模塊編寫相結合的方法，即在模型中嵌套子模型，這樣做的好處是不僅能使整個模型的進程清楚，而且可以單獨調用某個子模型以得到想要的結果，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。對于整個模型來說更方便修改和管理，如果模型需要修改和調整只需要修改某個子模型而無需對整個模型進行調整，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模擬模型分為了4個子模塊，分別是產流模塊、匯流模塊、蒸散發模塊、水源劃分模塊。

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

3 模擬結果驗證

在建立好上述集成模型框架的基礎上，研究選取河南省汝河流域為試驗區，取新蔡站2005、2006兩年的模擬值與實測值進行驗證，模擬結果如圖4所示，由模擬結果可以看模擬值與實測值變化趨勢基本吻合，這兩年的模擬值與實測值的相關系數R2分別為0.872 5和0.875 2，相關性均較高，說明模擬效果良好。

4 結 語

研究采用可視化的建模工具Model builder將水文模擬模

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

型細化為4個子模塊(蒸散發子模塊、產流子模塊、匯流子模塊、水源劃分子模塊)。將模擬模型打包以Python Add-In方式擴展到GIS專業軟件中，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。對汝河流域新蔡站的應用研究表明，集成系統在數據管理、操作方式、結果可視化方面都具有明顯的優勢，提高了新安江模型的應用效率，使新安江模型在實際應用中更加方便。

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[1] D Z Sui,R C Maggio. Integrating GIS with hydrological modeling: practices, problems, and prospects[J]. Computers, Environment and Urban Systems. 1999, 23(1): 33-51.

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[3] Douglas-Mankin K R, Srinivasan R, Arnold J G. Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model: Current developments and applications[J]. American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2010,5(53):1 211-1 250.

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[5] 金 鑫，郝振純，張金良. 水文模型研究進展及發展方向[J]. 水土保持研究. 2006,13(4):197-199,202.

[6] 趙人俊. 流域水文模擬-新安江模型與陜北模型[M]. 北京: 水利電力出版社, 1984.

[7] 華東水利學院. 中國濕潤地區洪水預報方法[M]. 北京: 水利電力出版社, 1978.

[8] 舒 暢，劉蘇峽，莫興國，等. 新安江模型參數的不確定性分析[J]. 地理研究，2008,27(2):343-352.

[9] 劉金濤，宋慧卿，張行南，等. 新安江模型理論研究的進展與探討[J]. 水文，2014,34(1):1-6.

[10] 徐宗學. 水文模型[M]. 北京: 科學出版社, 2009:525.

[11] 趙人俊，王佩蘭. 新安江模型參數的分析[J]. 水文，1988,(6):2-9.