韓江-榕江-練江三江水系連通工程調(diào)水水流可視化技術(shù)研究及應(yīng)用

李嘉盛，陳龍贊，李 進(jìn)，江雨田，薛曉鵬

(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院信息化院，廣東 廣州 510635；2.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315000；3.廣東省粵東三江連通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510635)

三江連通工程(圖1)是優(yōu)化韓江、榕江、練江水資源配置，改善榕江(楓江)、練江流域水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞等問題的引調(diào)水項(xiàng)目。在三江水系連通調(diào)水工程上，充分運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，將水利數(shù)據(jù)處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁繪圖技術(shù)[1]相結(jié)合，研究水流要素的可視化展示技術(shù)和展示模式，做到調(diào)水過程中水流要素的變化與演進(jìn)全局可視化，對(duì)整體把握三江連通工程調(diào)水情況有重要意義[2]，值得深入研究。

圖1 韓江-榕江-練江三江水系連通工程

自20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與水利行業(yè)結(jié)合得愈發(fā)緊密。國(guó)內(nèi)大量學(xué)者對(duì)水流可視化技術(shù)及可視化系統(tǒng)[3]構(gòu)建開展了廣泛的研究。茅麗華等[4]以珠江水位線為研究對(duì)象，以數(shù)字化的手段進(jìn)行了河道中斷面水沙特性的研究，簡(jiǎn)化了河網(wǎng)水沙數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果分析步驟；楊旭等[5]利用GIS的空間分析功能及其可視化表達(dá)能力,在研究地區(qū)承壓水流的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了地下水流模擬過程的可視化，地下水資源的科學(xué)管理提供了空間輔助決策支持；常靜[6]構(gòu)建了基于WebGIS的洪水淹沒三維可視化系統(tǒng)，為洪水模擬、洪水管理和決策提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

國(guó)內(nèi)對(duì)于水流可視化的研究大都借助于GIS、MIKE等專業(yè)工具或建模軟件[7]。專業(yè)工具和建模軟件在提供便利的同時(shí)也帶來了構(gòu)建過程復(fù)雜、數(shù)據(jù)冗余、展示效果與內(nèi)容不夠生動(dòng)美觀等問題[8]，無法滿足三江水系連通工程對(duì)水流可視化的定制化需求。本文以計(jì)算機(jī)前端繪圖技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化組織、水流展示技術(shù)以及水流展示模式研究，為三江連通工程構(gòu)建簡(jiǎn)便、易用、美觀的水流可視化系統(tǒng)。

1 水流可視化技術(shù)研究

1.1 水流數(shù)據(jù)處理技術(shù)

水流數(shù)據(jù)一般來自于實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)2種途徑[9]，由于實(shí)測(cè)系統(tǒng)可能存在的一系列軟硬件問題，實(shí)測(cè)水流數(shù)據(jù)可能存在數(shù)據(jù)缺失、數(shù)值異常的情況；預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)雖然在結(jié)構(gòu)上較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更為完整，但是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)組織方式不能很好地支撐水流可視化展示，故需要對(duì)水流數(shù)據(jù)做出預(yù)先處理。在本次研究中數(shù)據(jù)處理分為3個(gè)步驟。①數(shù)據(jù)清洗。針對(duì)原始數(shù)據(jù)中可能存在的數(shù)據(jù)缺失、數(shù)值異常等問題，通過刪除、替換、插補(bǔ)等方法進(jìn)行處理，最終得到完整、可用的數(shù)據(jù)序列[10]。②標(biāo)準(zhǔn)入庫(kù)。水位、流量、水質(zhì)等水文數(shù)據(jù)同時(shí)具有結(jié)構(gòu)性、時(shí)序性、稀疏性[11]。將經(jīng)過清洗的數(shù)據(jù)存入標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，水流要素信息可用二維表結(jié)構(gòu)來表達(dá)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)。表結(jié)構(gòu)的每一行是一條數(shù)據(jù)記錄，每一列是一種屬性。同一屬性的一列數(shù)據(jù)具有相同的數(shù)據(jù)類型。③結(jié)構(gòu)化組織。本研究中使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁繪圖技術(shù)(canvas)來繪制水流動(dòng)態(tài)效果，所以選擇使用與計(jì)算機(jī)前端技術(shù)較為匹配的JSON格式來組織水流數(shù)據(jù)(圖2)。

各水流要素的數(shù)據(jù)在同化為JSON格式時(shí)有2種方法：時(shí)間主序與要素主序。對(duì)于某一要素在一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)應(yīng)采用時(shí)間主序，對(duì)應(yīng)的JSON內(nèi)容，要素為主屬性，時(shí)間為次屬性，要素值為屬性值；對(duì)于某一時(shí)刻的所有要素的數(shù)據(jù)應(yīng)采用要素主序，對(duì)應(yīng)的JSON內(nèi)容，時(shí)間為主屬性，要素為次屬性，要素值為屬性值。時(shí)間主序?qū)?yīng)的JSON內(nèi)容與要素隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)展示相適應(yīng)，要素主序?qū)?yīng)的JSON內(nèi)容與三江水系某時(shí)刻全要素的數(shù)據(jù)展示相適應(yīng)。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

1.2 水流可視化展示技術(shù)

水流可視化展示技術(shù)的主要研究對(duì)象為各水流相關(guān)要素，按水流相關(guān)要素的類型不同可以將其劃分為標(biāo)量要素與矢量要素[12]。標(biāo)量要素僅具有值這一種屬性，如水位、水質(zhì)等，矢量要素同時(shí)具有值和方向2種屬性，如流速、流量等。從要素屬性的角度考慮，含有值屬性的要素適用于場(chǎng)域展示[13]，含有方向?qū)傩缘囊馗m用于軌跡展示。

a)場(chǎng)域展示。場(chǎng)域展示的重點(diǎn)在于同時(shí)展現(xiàn)某點(diǎn)的位置以及該位置的要素值。在空間中，位置可以表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)的要素值可以使用顏色來表現(xiàn)，將水流要素?cái)?shù)值W映射到預(yù)定色階[14]區(qū)間CI當(dāng)中，構(gòu)成要素?cái)?shù)值與色彩數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中f一般為線性映射關(guān)系，INT為取整操作，色階取得越密集，場(chǎng)域變化效果越細(xì)膩。所得結(jié)果示意見圖3。圖3中，A、B、C3個(gè)圓及其顏色分別代表了要素的位置及要素值。在整個(gè)場(chǎng)域渲染完成后，水流要素會(huì)表現(xiàn)為一個(gè)完整的以色彩的空間變化來展示要素?cái)?shù)值變化的空間分布，在場(chǎng)域展示中加入時(shí)間維度，空間的色彩會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，圖3a、3b最后會(huì)形成較為完整的水流要素演進(jìn)展示模式。

圖3 場(chǎng)域展示示意

b)軌跡展示。軌跡展示的重點(diǎn)在于同時(shí)展現(xiàn)某點(diǎn)的位置以及該位置的要素矢量[15]。在空間中，位置可以表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)，但是要素矢量直接繪制很難有視覺上的直觀感受，所以采用點(diǎn)的位移來展示[16]。對(duì)于固定時(shí)刻，可以確定該時(shí)刻的任意位置的矢量要素V。使用矢量要素V來描述點(diǎn)的空間位移，公式如下：

(1)

式中，Pi+1表示i處水流在矢量要素V的作用下，下一個(gè)時(shí)刻應(yīng)該出現(xiàn)的位置。

圖4中A、B位置的水流在當(dāng)前位置的矢量要素的作用下最終形成的由空心A、B到實(shí)心A、B變化的軌跡展示。在時(shí)間不變的情況下，矢量要素場(chǎng)也不會(huì)變化，水流位置的變化幅度與方向則可以表示矢量要素的性質(zhì)。在軌跡展示中加入時(shí)間維度的本質(zhì)是在隨時(shí)間改變矢量要素場(chǎng)的內(nèi)容，從而影響到水流在要素場(chǎng)內(nèi)的變化情況，最終形成對(duì)水流矢量要素的可視化表達(dá)。

圖4 軌跡展示示意

2 水流可視化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

選用三江連通工程的某次模擬調(diào)水過程作為本研究的應(yīng)用實(shí)例。模擬河段自榕江塭嘴水閘處開始，包含榕江北河支流在內(nèi)，全長(zhǎng)約35.5 km。原始數(shù)據(jù)包括模型以0.5 h為間隔模擬的1 440時(shí)段，5 358個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位、流速和水深數(shù)據(jù)。在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，對(duì)水位數(shù)據(jù)與流速數(shù)據(jù)分別進(jìn)行場(chǎng)域展示和軌跡展示。

a)數(shù)據(jù)處理。由于本次使用的是模型模擬的調(diào)水過程數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)序列中不存在缺失值或異常值的情況，原始數(shù)據(jù)可以直接標(biāo)準(zhǔn)化入庫(kù)，再經(jīng)由結(jié)構(gòu)化組織形成JSON格式的數(shù)據(jù)。限于文章篇幅，本次僅展示節(jié)點(diǎn)水位數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容見表1。對(duì)比表1、2中的數(shù)據(jù)內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，JSON格式的數(shù)據(jù)層級(jí)明確，格式自由，易于存儲(chǔ)和組織更多的信息，更為重要的是JSON格式數(shù)據(jù)與JavaScript語言天生兼容，訪問某一節(jié)點(diǎn)信息和數(shù)據(jù)時(shí)通過鍵值對(duì)的映射進(jìn)行數(shù)據(jù)查找，較數(shù)據(jù)庫(kù)循環(huán)訪問效率更高，耗時(shí)更短。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化入庫(kù)數(shù)據(jù)示例

表2 JSON格式數(shù)據(jù)示例

b)場(chǎng)域展示。將模擬調(diào)水過程中的水位數(shù)據(jù)通過場(chǎng)域展示技術(shù)逐節(jié)點(diǎn)逐時(shí)段繪制到canvas中并通過前端控件做到時(shí)段控制，結(jié)果見圖5。在空間維度上，圖片中清晰地展示出了某時(shí)刻模擬調(diào)水水位的空間分布情況，從河道中心到岸邊，從上游到下游的水位變化一目了然；在時(shí)間維度上，不同時(shí)段的水位空間分布也可以被場(chǎng)域展示技術(shù)很好地展示出來，在播放控件的控制下可以對(duì)比不同時(shí)段的水位分布情況，也方便做出逐時(shí)段播放效果。

圖5 三江某河段模擬調(diào)水水位場(chǎng)域展示

c)軌跡展示。將模擬調(diào)水過程中的流速數(shù)據(jù)通過軌跡展示技術(shù)逐節(jié)點(diǎn)逐時(shí)段繪制到canvas中，結(jié)果見圖6。在空間中以水流粒子的形式代表水流單元，圖6a展示了單個(gè)水流粒子在某時(shí)刻的流速矢量場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)過程，圖6b展示了多個(gè)水流粒子在某時(shí)刻的流速矢量場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)過程。在實(shí)際的展示中，流速矢量場(chǎng)內(nèi)，區(qū)域的流速數(shù)值越大則粒子運(yùn)動(dòng)速度越快，區(qū)域的流速方向決定了粒子的運(yùn)動(dòng)方向。通過水流粒子運(yùn)動(dòng)的速度和方向可以較為準(zhǔn)確、直觀地反映出模擬調(diào)水過程中當(dāng)前時(shí)刻的空間內(nèi)流速分布情況。如果隨時(shí)間調(diào)整流速矢量場(chǎng)的數(shù)據(jù)，則可以較為完整地演示模擬調(diào)水過程中流速隨時(shí)間的變化情況。圖6b多粒子軌跡使用粒子個(gè)數(shù)為 5 000±500，基本粒子數(shù)為5 000，為防止粒子假死，每幀會(huì)有部分粒子消亡和新生。在本次研究中，對(duì)水利要素?cái)?shù)據(jù)開始加載到渲染出第一幀內(nèi)容的時(shí)間進(jìn)行多次試驗(yàn)(100次)并記錄，內(nèi)容見圖7。100次渲染耗時(shí)的平均值495.53 ms，整體渲染速度較快。在第一幀渲染完成之后，由圖6b右上角渲染幀率展示圖框可知，在多粒子軌跡展示模式情況下，可視化的繪制幀率達(dá)到每秒60幀(平臺(tái)限制最高為每秒60幀，實(shí)時(shí)渲染時(shí)可以達(dá)到每秒100幀)，可以滿足高速流暢展示的需求，其他展示模式的資源(計(jì)算和存儲(chǔ)資源)消耗均明顯低于多粒子展示模式，渲染速度更快，質(zhì)量更高，限于篇幅，不再詳細(xì)討論。

a) 單粒子軌跡

b) 多粒子軌跡圖6 三江某河段模擬調(diào)水流速軌跡

圖7 渲染耗時(shí)測(cè)試

3 結(jié)語

本文通過對(duì)水流數(shù)據(jù)處理、水流演進(jìn)展示技術(shù)以及應(yīng)用實(shí)例的研究可以得出如下結(jié)論。

a)以數(shù)據(jù)清洗、標(biāo)準(zhǔn)入庫(kù)以及結(jié)構(gòu)化組織為主要內(nèi)容的數(shù)據(jù)處理過程為水流數(shù)據(jù)可視化展示提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，對(duì)后續(xù)的水流演進(jìn)技術(shù)及展示模式的研究與實(shí)踐具有重要作用。

b)以水流要素的標(biāo)量和矢量類型的不同分別確定的場(chǎng)域展示方式和軌跡展示方式以簡(jiǎn)潔、直觀的形式展現(xiàn)了標(biāo)量和矢量水流要素的變化過程，適用于多要素的水流演進(jìn)展示。

c)實(shí)例應(yīng)用以模擬調(diào)水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)域展示和軌跡展示在實(shí)際案例中的應(yīng)用，完成了水流展示從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的演變，渲染速度快，整體觀感更為真實(shí)，為三江水系連通工程管理人員和技術(shù)人員開展調(diào)水效果評(píng)估和決策分析提供可視化支撐。