水利电子沙盘研究与应用

姜仁贵, 于翔， 解建仓， 梁骥超

(西安理工大学 陕西省西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安 710048)

水利电子沙盘研究与应用

姜仁贵, 于翔， 解建仓， 梁骥超

(西安理工大学 陕西省西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安 710048)

针对水利工程领域中存在的多源数据资源难以有效融合和应用系统可视化效果欠佳等问题，将沙盘引入到水利工程领域，构建水利电子沙盘(Hydro-EST)，基于水利电子沙盘开发水利业务应用,为决策服务。首先，提出了水利电子沙盘的概念，设计了Hydro-EST的开发流程和5层体系结构。其次，基于Hydro-EST开发了防汛预警监视、水库移民可视化仿真、突发水污染事件模拟和最严格水资源管理等水利主题服务。结果表明：Hydro-EST在保留传统沙盘较好可视化效果的同时，解决了水利业务应用中多源数据资源融合、业务应用开发复杂等问题，组件化开发避免了系统异构和重复开发的弊端，体现了绿色发展的主旨。

工程管理信息化;电子沙盘;组件化开发;三维可视化

《辞海》中将沙盘定义为“根据地形图、航空像片、实地地形，按比例尺用泥沙或其他材料及兵棋制作的一种显示地形和地面目标的模型”，最早用于军事领域来研究作战计划。我国史书记载的最早关于沙盘的论述始于公元32年，《后汉书·马援列转》中记载，光武帝西征，马媛“于帝前聚米为山谷，指画形势”，最终达到“虏在吾目中矣”的效果，随后，沙盘在不同领域中均得到广泛应用。随着计算机科学和信息技术的快速发展，传统沙盘占地面积大、不便于携带以及可视化效果欠佳等问题凸显，由此衍生出电子沙盘，即：将3S技术、计算机图形学、虚拟现实和互联网等信息技术应用到沙盘中，构建一个地形地貌可视、沉浸式人机交互与实时可视可信的虚拟现实环境[1-2]。

水利是国民经济发展与社会进步的重要基础设施，是信息和技术密集型的传统行业。近年来，围绕防汛抗旱、最严格水资源管理和水生态文明建设等开展了大量工作，以信息技术的应用、水利基础数据处理、水利业务应用系统开发为代表的水利信息化研究得到不断深入。但仍存在着基础数据难以共享、规范化程度低、系统建设分散导致的异构与重复建设严重、缺乏顶层设计等问题，尤其是在水利应用的可视化仿真与集成上研究较少。本文结合水利工程领域多源数据融合与信息可视化的实际需求，将沙盘应用到水利领域，设计了面向水利工程领域的水利电子沙盘(Hydrologic Electronic Sand Table，Hydro-EST)，针对不同水利应用设定不同的主题，基于Hydro-EST开发防汛预警监视、水库移民可视化仿真、突发性水污染事件模拟、国家水资源监控、最严格水资源管理、城市内涝应急管理和生态文明建设等水利主题服务，为用户提供较好的三维可视化效果和决策支持服务。

1 水利电子沙盘设计

1.1 Hydro-EST概念

Hydro-EST指基于电子沙盘的虚拟现实环境为水利提供主题服务，采用现代信息技术实现多源水利数据集成与融合处理，采用组件方式整合分散在不同服务器或异构的水利业务系统中的相关应用。数据层面上，对电子沙盘和水利业务应用数据进行高效组织与管理，提出多源数据集成方案，实现多源数据的集成与融合；功能层面上，采用组件技术开发业务应用，采用框架进行封装，通过开放应用接口实现组件与电子沙盘的集成，不同业务应用逻辑上相对独立；应用层面上，弥补了传统水利业务系统应用单一和表现力不足的缺陷，采用电子沙盘作为基础平台，具有较好的表现力。

1.2 Hydro-EST设计目标

Hydro-EST采用组件和框架技术，遵循统一规范，根据电子沙盘提供的开放应用接口进行不同水利业务应用开发，并封装成组件，实现与Hydro-EST的集成。通过多源数据集成方案，实现电子沙盘三维可视化场景建模以及多源水利数据的标准化和融合处理，不同用户可以在Hydro-EST上进行个性化开发，并通过统一的应用界面进行交互。Hydro-EST整体上要实现海量多源数据与水利业务应用的处理、开发、集成与可视化展现，为用户提供决策支持服务。根据上述目标，在Hydro-EST开发中，应遵循实用性、数据一致性、可扩展性、集成性、安全性、界面友好、与用户交互及较好三维表现力等原则。

1.3 Hydro-EST开发流程

Hydro-EST遵循“多源数据集成→电子沙盘开发→水利主题服务→用户界面集成”的开发流程，通过底层的多源数据集成提供基础数据服务，建立水利电子沙盘三维可视化环境，通过框架技术实现与水利业务应用的集成，最后根据用户需求对不同的应用界面进行集成。

①多源数据集成。它是电子沙盘与应用开发的基础，是Hydro-EST的最底层但又是不可或缺的重要组成部分。②电子沙盘开发。采用三维地理信息系统组件作为Hydro-EST的基础平台，根据组件提供的球体模型、事件监听机制、应用模式和部署方案，遵循标准规范，采用框架技术、数据库编程技术及可视化技术等实现底层数据的融合与组件开发。③水利工程业务应用集成。在多源数据集成和电子沙盘开发基础上，结合水利工程领域的特点和业务应用需求确定主题服务，进行水利工程业务应用的开发与集成。④用户界面集成。不同的水利工程业务应用可采用多种人机交互方式，不同的用户界面最终在Hydro-EST客户层进行集成。

1.4 Hydro-EST体系结构

对应Hydro-EST开发流程，设计了Hydro-EST数据层、服务层、应用层、接口层和客户层5层体系结构，如图1所示。

图1 Hydro-EST 5层体系结构

1)数据层通过多源数据集成方案对电子沙盘基础数据和水利业务数据进行集成和融合处理，重点实现传统结构化数据的标准化、半结构或非结构数据的整编与处理。

2)服务层对应开发流程中的电子沙盘开发，重点实现基础地理信息系统的部署，Web应用服务器搭建，数据标准化互操作规范制定以及水利业务应用数学模型设计与开发。

3)应用层指基于水利电子沙盘开发的具体水利主题服务，目前已实现国家水资源监控、最严格水资源管理、城市内涝应急、生态环境监视、防汛预警监视、水库移民可视化等10多个主题服务，每个主题服务根据具体内容包括多个功能模块。

4)接口层连接应用层和客户层，为分级用户提供人机交互的用户接口，主要包括数据服务、电子沙盘、业务应用和决策支持4类用户接口。

5)客户层对应开发流程中的用户界面集成，目前用户可通过三维客户浏览器、LED高清显示屏、知识可视化平台以及移动APP等方式为用户提供人机交互和三维可视化操作环境[3]。

2 应用实例

文中设计的水利电子沙盘已应用于防汛预警监视、水库移民可视化仿真、突发水污染事件模拟、最严格水资源管理、城市内涝应急、国家水资源监控等水利业务中，鉴于篇幅限制，仅阐述在前4项水利业务中的应用。

2.1 防汛预警监视主题服务

受全球气候变化和城镇化进程加快的双重影响，传统的流域洪水灾害向城市内涝和山洪灾害等延伸，次生、衍生问题严重，灾害巨大。据中国水旱灾害公报统计，2014年，全国28个省(自治区、直辖市)的1 621个县(市、区)遭受洪涝灾害，因灾死亡486人，125座城市受涝，造成直接经济损失高达1 573.55亿元。以陕西省为例，2014年全年因洪涝灾害而受灾的人口达到105.18万人，农作物受灾面积6.637×104hm2，绝收面积1.099×104hm2，造成直接经济损失高达17.18亿元[4]。防汛信息化是水利信息化的重要组成部分，当前已建成的一些防汛信息系统对实时预警监视及空间分析研究较少，在一定程度上制约着防汛的科学决策。

笔者在Hydro-EST基础上开发了面向陕西防汛预警监视的主题服务，在Hydro-EST上实现了预警监视、实时雨水情分析、洪水淹没分析、洪水预报、移动服务、防汛指挥和应急响应等功能，弥补了当前防汛信息系统在数据集成与空间展示、三维可视化仿真以及实时预警监视上的不足，图2为基于Hydro-EST的防汛预警监视主题服务界面。

图2 基于Hydro-EST的防汛预警监视主题服务

2.2 水库移民可视化仿真主题服务

大型调水工程的建设往往伴随着移民的产生，长期以工程为重的思想使得在移民数据的管理、分析与应用中存在一些问题。当前已经开发的部分移民信息系统主要集中在对移民数据的统计分析上，较少考虑移民数据的空间属性，表现力不足，难以支持复杂的决策分析。陕西省引汉济渭调水工程属于陕西省省内跨流域Ⅰ等骨干调水工程，包括六大单位工程。在三河口水库和黄金峡水库建设中，由于库区蓄水淹没以及工程建设占地产生了水库移民安置问题。据实物指标统计，库区淹没与影响区涉及汉中市和安康市2个市的3个县，共计15个乡镇、60多个村，需要移民8 000余人[5]。

笔者在Hydro-EST基础上开发调水工程水库移民可视化仿真主题服务，将采集的水库移民实物指标数据经处理后存储到标准化数据库中，在Hydro-EST上实现移民实物指标的管理、数据的统计与分析、可视化查询、水库淹没分析、虚拟现实浏览、移民安置分析等功能，为水库移民提供决策支持。图3为基于Hydro-EST的移民库区淹没与移民户可视化仿真主题服务界面。

图3 基于Hydro-EST的水库移民可视化仿真主题服务

2.3 突发水污染事件模拟主题服务

当前针对水污染的研究主要集中在水质模型上，通常的做法是通过数学模型对水质状况以及污染物运移时态特征进行分析，以一维或者二维为主将河流视为线元素进行模拟，而对突发水污染事件模拟的较少。松花江流域是我国七大流域之一，途经多个大中城市，是我国重要的能源、工农业基地与重要的饮用水来源。2005年11月13日下午，位于吉林省吉林市的中国石油吉林石化公司双苯厂发生爆炸，造成苯类污染物流入厂区附近的第二松花江，导致严重的江体污染[6]。类似这样的水污染事件均具有突发性和地理位置的特殊性，有必要在三维空间上实现流域基本信息的展示、污染物运移和可视化仿真，为水污染事件应急预案的制定与科学调度提供参考。

笔者在Hydro-EST基础上开发了突发水污染事件模拟主题服务，实现了水污染信息三维可视化展示，水污染事件空间关联分析以及污染物动态运移仿真，可及时、有效地对突发性水污染事件进行决策及科学研究。图4为基于Hydro-EST的突发水污染事件模拟主题服务界面。

图4 基于Hydro-EST的突发水污染事件模拟主题服务

2.4 最严格水资源管理主题服务

自从2012年1月国务院颁布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，实行最严格的水资源管理成为国家战略[7-8]。最严格水资源管理制度的“三条红线”需要大量第一手资料的支撑，基于Hydro-EST开发最严格水资源管理主题服务，整合区域空间地理信息、高清影像信息、数字高程模型、气象水文数据、水利普查数据、工情数据、水资源管理考核、应急管理以及与之相关的多源信息，构建区域三维可视化环境，实现对区域供水、用水、耗水和排水的实时监控，为区域水资源管理提供信息服务、监视模拟服务、严格管理考核服务和应急服务，并辅之空间分析和三维空间操作功能，可为之提供决策支持服务。图5为基于Hydro-EST的最严格水资源管理主题服务界面。

图5 基于Hydro-EST的最严格水资源管理主题服务

3 结语

1)笔者将沙盘引入到水利工程领域，提出了建设水利电子沙盘的思路，解决了传统水利业务应用系统中普遍存在的数据共享性差、系统异构以及三维表现力不足的问题。

2)采用组件化软件技术对Hydro-EST进行设计，遵循“多源数据集成→电子沙盘开发→水利主题服务→用户界面集成”的开发流程开发了Hydro-EST，并将其应用到防汛预警监视、水库移民可视化仿真、突发水污染事件模拟和最严格水资源管理等主题服务中。

3)应用结果表明，基于Hydro-EST开发的水利主题服务具有较好的可扩展性和三维表现力等特点，以组件的方式实现了不同主题服务在Hydro-EST上的集成，在一定程度上避免了不同应用系统带来的异构和重复建设问题，促进了水利信息化水平的提高，体现了绿色发展的主旨，在水利工程领域具有较好的应用前景。

[1]杨宇航,李会杰,冯允成.基于虚拟现实技术的电子沙盘仿真系统[J].计算机仿真,2003,20(1):65-69.

[2]杨红卫,刘勇,许民.沙盘模型设计与实践[J].地理空间信息,2010,8(6):95-97.

[3]姜仁贵,解建仓,李建勋.面向防汛的三维预警监视平台研究与应用[J].水利学报,2012,43(6):749-755.

[4]国家防汛抗旱总指挥部.2014年中国水旱灾害公报[M].北京:中国水利水电出版社,2015:2-3.

[5]姜仁贵,解建仓,李建勋,等.基于World Wind的移民信息系统设计与应用[J].计算机应用,2011,31(7):2001-2003.

[6]于达,刘萍,史峻平,等.松花江水污染模型研究[J].数学的实践与认识,2009,39(11):104-108.

[7]陈雷.全面落实最严格水资源管理制度保障经济社会平稳较快发展[J].中国水利,2012(10):1-6.

[8]左其亭.最严格水资源管理保障体系的构建及研究展望[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2016,37(4):7-11.

(责任编辑：乔翠平)

Research and Application of Hydrologic Electronic Sand Table

JIANG Rengui, YU Xiang, XIE Jiancang, LIANG Jichao

(State Key Laboratory of Eco-hydrologic Engineering in Northwest in the Arid Area,Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, China)

To resolve the problems of multi-source data hard to integration and poor visual effect of application system, the sand table was applied into the water resources project subject to establish the hydrologic electronic sand table (Hydro-EST). The hydrologic business applications were developed based on the Hydro-EST to provide decision support for users. The concept of Hydro-EST was proposed and the development process and five-layer architecture were designed. Based on Hydro-EST, water conservancy theme service such as flood prevention and early-warning monitoring, reservoir emigration visualization simulation, sudden water pollution event simulation and strict water resource management were developed. The results show that Hydro-EST can solve the problem of multi-source data fusion and complex business application in the application of water conservancy, while maintaining the better visualization effect of traditional sand table. The component-based development avoids the drawbacks of system heterogeneity and repetitive development, and embodies the theme of green development.

project management informatization; electronic sand table; component-based development; three-dimension visualization

2016-11-25

国家自然科学基金资助项目(51509201,51679188);国家重点研发计划项目(2016YFC0401409);中国博士后科学基金资助项目(2016M590964);陕西省高校科协青年人才托举计划项目(20160217)。

姜仁贵(1985—),男,江西玉山人,副教授,博士,从事工程管理信息化与减灾应急管理方面的研究。E-mail:jrengui@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.003

TV213;TP39

A

1002-5634(2017)01-0013-05