基于ArcGIS Server的水動力流速場網絡可視化

王 敏， 賴瑞勛，王 明

（1.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003）

基于ArcGIS Server的水動力流速場網絡可視化

王 敏1， 賴瑞勛1，王 明1

（1.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003）

傳統的流速場網絡可視化通常將流速場數據轉化為GIS支持的圖層，其缺點是前處理工作量很大，且可視化效果并不理想。在ArcGIS Server平臺上，擴展了ArcObjects組件，定義了流速場Web服務組件，實現了流速場數據的網絡可視化，并應用于山東東平湖蓄滯洪區風險圖展示系統。結果表明，該方法能將流速場信息直接發布到網絡瀏覽器中，既提高了流速場的可視化效率又增強了可視化效果。

洪水風險圖；WebGIS；網絡可視化

洪水風險圖是直觀展示洪水特征及其影響范圍、影響對象和影響程度的圖形，是規避洪水風險，減低洪災損失的一項重要而有效的非工程措施[1]。

洪水風險圖的可視化是風險信息傳播的重要途徑，涉及到風險數據來源和數據可視化兩個方面的問題。一方面，水動力數學模型是洪水風險數據的主要來源，其以動力理論為基礎，根據不同邊界條件計算得到不同量級洪水的淹沒范圍、流速、水深、淹沒歷時等信息；另一方面，隨著GIS技術的發展，洪水風險圖可以方便地疊加地理信息以及社會經濟信息，尤其是以WebGIS為代表的網絡地圖，在洪水風險圖信息化中發揮了越來越重要的作用[2-4]。然而，水動力數學模型通常根據所采用的數值格式對計算區域進行離散，其計算結果具有自身特有的數據結構和存儲方式，而WebGIS以GIS技術為理論基礎，不能直接兼容水動力數學模型的計算結果,將水動力數學模型計算結果轉換為GIS支持的數據格式需要完成大量的前處理工作。轉換方法主要有兩類：利用自定義算法將水深、流速、淹沒范圍等數據轉換為GIS支持的通用的數據格式，如shapefile、MapInfo等;直接將水深、流速和淹沒范圍等信息轉換為靜態圖片，再加載到WebGIS系統中。但兩種轉換方法在工作效率和圖形渲染效果方面都存在不足。首先，從工作效率來看，洪水風險圖的計算方案通常按風險等級分為10 a、20 a、50 a、100 a或典型場次洪水進行編制[5]，每場次洪水還需要顯示洪水淹沒范圍、水深、流速和洪水到達時間等信息。其次，從圖形渲染效果來看，洪水淹沒范圍、水深、流速和達到時間等信息必須轉換為點、線、面等GIS支持的圖層。因此，不論是矢量的流速數據，還是標量的淹沒范圍、水深等數據，在轉換為圖像的過程中都會有流場屬性信息的損失。

本文聚焦在水動力數學模型流速場的網絡可視化方面，在ArcGIS Server 9.2 for .NET環境中，擴展了部分ArcObjects組件，實現了流速場的網絡可視化，并應用于山東省東平湖蓄滯洪區洪水風險圖展示系統。

1 流速場網絡可視化原理

1.1 系統結構設計

基于ArcGIS Server的流速場網絡可視化平臺包括數據層、服務層和客戶端層3個方面（如圖1）。

數據層包括模型計算結果、基礎地理信息等，按不同的存儲方式進行保存，以SQL Server2005數據庫管理。其中模型計算結果數據按時間序列數據進行保存，一個網格計算節點保存多個時刻的流速場數據；基礎地理信息數據保存在空間數據庫中。

圖1 流速場數據的網絡可視化設計

服務器層包括ArcGIS地圖服務器和Web服務器。ArcGIS地圖服務負責GIS應用處理過程,提供地圖的疊加顯示，將DEM數據與模型計算結果數據進行耦合,是整個WebGIS的核心服務。DEM數據和流速場數據分布在不同的SMC（服務對象容器）中，通過ArcGIS Server統一的SOM（服務對象管理器）進行管理調用。Web服務器耦合各類服務組件，報告地圖服務、文件管理服務、數據渲染服務等，接受用戶請求,并把應用處理結果返回給用戶。

客戶端瀏覽器可以直接鏈接到服務器，向服務器發送數據請求并顯示所請求的數據。支持各類數據和信息的顯示并可與服務器進行通信。所有的管理功能都可在客戶端完成,不同級別的用戶通過使用不同功能組件的客戶端程中地圖服務組件，流速場可視化組件等，在任意一臺鏈接網絡的計算機上完成模型數據的后處理，實現數學模型計算流速場的分布式應用。

1.2 流速場數據

洪水水位、流速等數據采用黃河水利科學研究院開發的二維水動力數學模型進行計算。該模型基于淺水流動假設下水流運動的質量守恒和動量守恒原理[6]，其中質量守恒方程為：

式中，h為平均水深；t為時間；u和v分別為x和y方向的流速。動量守恒方程為：

式中，g為重力加速度；Sox、Soy分別為x、y方向河床比降；Sfx、Sfy分別為x、y方向摩阻坡度。

模型采用有限體積方法[7]進行求解，基本思想是將計算區域劃分為若干規則或不規則形狀的單元或控制體，在計算出通過每一控制體邊界法向輸入（出）的質量和動量通量后，對每一控制體分別進行水量和動量平衡計算，可得到計算時段末各控制體平均水深和流速。

1.3 ArcGIS Server組件的擴展

ArcGIS Server能支持的數據格式主要有以shapefile為代表的矢量數據和以DEM為代表的柵格數據。在網絡端發布時，ArcGIS Server可將這些數據發布為WMS、Mobile、KML等服務形式。然而，流速場數據作為水動力數學模型中的一種特殊數據格式，同時包含了水平方向和垂直方向的流速，且流速值隨時間不斷發生變化。在現有功能中，ArcGIS Server不支持該流速場數據，需要擴展ArcGIS Server的相關功能。

對ArcGIS Server組件進行擴展，需要重新實現如下組件：GISDataSource、MapFunctionality、MapInformation、MapRouces、MapTocFunctionality和QueryFunctionality。其中，GISDataSource組件定義了數據源，一個數據源可以有若干個功能。MapFunctionality是實現地圖功能的組件。MapInformation組件定義了地圖的空間參考、全局范圍、默認范圍、緩存等信息。MapRouces組件定義和實現了對數據源的解析。流速場數據的節點坐標以及流速等信息保存為XML文件，利用MapRouces組件解析XML文件，提取節點坐標、水平方向和垂直方向流速值，并最終繪制在網絡客戶端。MapTocFunctionality組件實現了自定義數據的圖層管理。QueryFunctionality組件實現了自定義數據的查詢定位等功能。

圖2是保存流速場結果的XML文件，該文件記錄了流速場數據的渲染和坐標信息。渲染信息記錄了流速矢量線的顏色（Color，如RGB值等）、線型（Type，如虛線實線等）、線寬（Width）；坐標信息記錄了每個計算節點的x、y空間坐標以及其水平方向的流速（H）和垂直方向的流速（V）。

1.4 網絡端的數據復現

圖2 保存流速場數據的XML文件格式

圖3 表示流速的矢量箭頭

在網絡客戶端，利用MapRouces組件解析XML文件，同時將數據繪制在瀏覽器中。流速用矢量箭頭來表示（圖3），箭頭的大小和方向由水平、垂直方向的流速值決定，分別對應式（1）～（3）中的u和v。箭頭的頭部約占整個箭身的1/4，箭頭和箭身的夾角為15°。為了減少計算量，只在箭頭一側繪制箭頭頭部。

2 測試結果分析

將本文設計的流速場網絡可視化繪制方法應用于山東省東平湖蓄滯洪區的洪水風險圖展示系統。東平湖是山東省第二大淡水湖泊，湖區位于黃河下游魯中山區與魯西南平原交界地帶，黃河寬窄河道過渡段右岸，屬黃河與汶河沖積平原相交的洼地。承擔著分滯黃河洪水和接納汶河來水的任務，是黃河下游的重要蓄滯洪工程。東平湖分為新、老兩個湖區，當黃河發生大洪水時，需經東平湖分洪，控制黃河艾山站下泄流量不超過10 000 m3/s。

圖4 東平湖蓄滯洪區流速場的網絡可視化

圖4顯示了東平湖千年一遇洪水最大淹沒范圍時的流速場分布情況，底圖為東平湖DEM，為更好顯示流場，用戶可對流速場矢量箭頭的顏色和箭寬作相應調整。可以看出，流速場可以疊加到DEM地形上，且流速場的方向和大小都能清楚地顯示出來。

3 結 語

本文在ArcGIS Server的基礎上構建了水動力數學模型的流速場網絡可視化方法，并將該方法應用于山東省東平湖蓄滯洪區洪水風險圖。結果表明，該方法不需將水動力數學模型計算結果轉換為GIS支持的圖層，從而減少了可視化前處理的工作量。同時，利用XML傳輸流速場信息，提高了數據傳輸的效率并可自定義流速場矢量箭頭的大小。

當然，本文介紹了流速場網絡可視化方法還只能對一個時刻的流速場進行可視化，下一步的工作將擴展到流速場時態數據，實現流速場的網絡可視化動畫效果。

[1] 向立云,徐憲彪.洪水風險圖編制規劃方法探討[J].中國防汛抗旱,2010(3): 56-59

[2] 左進府,洪金益,黃丙湖.基于ArcGIS Server的實時水情發布系統開發[J].地理空間信息,2011,9(1): 121-123

[3] 張宏偉,魏鋒,佘遠見.基于Flex和ArcGIS Server的城市防汛指揮系統的設計與實現[J].地理空間信息,2011,9(6): 34-39 [4] 余麗華,佘亮亮,劉鐵錘.基于WebGIS的寧波鄞東南地區動態洪水風險圖編制研究[J].人民珠江,2014(4):102-104

[5] SL486-2010.洪水風險圖編制導則[S].

[6] Ferziger J H. Computational Methods for Fluid Dynamics[M]. Berlin: Springer,2002

[7] Versteeg H K. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: the Finite Volume Method[M].Harlow: Pearson Education Ltd,2007

P208

B

1672-4623（2016）03-0042-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.014

王敏，高級工程師，主要從事水沙動力數學模型并行計算、科學計算可視化等研究。

2015-03-10。

項目來源：中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金資助項目（HKY-JBYW-2012-5、HKY-JBYW-2013-15）。