分布式流域水文模型BTOPMC/SCAU地形模块的可视化

摘要：操作简单、显示直观、逻辑组织好的可视化界面，可有力促进水文模型的研发、应用、推广和普及。根据分布式水文模型系统BTOPMC/SCAU中地形模块对输入的DEM数据进行填洼、数字河网提取、子流域划分等工作内容，开发了一个简单直观、互动性好的用户操作界面，界面后台采用可扩展的系统架构，使地形模块工作直接面向用户。经验证，BTOPMC/SCAU系统的地形模块可视化、人机互动性强、运算速度快，在韩江流域水文模拟应用中取得了较好的效果，为模型系统后期整体开发奠定了基础。

关键词：分布式水文模型；BTOPMC/SCAU系统；DEM；地形模块；韩江流域

中图分类号：S271；S126文献标志码：A文章编号：1002-1302（2014）11-0410-05

早在20世纪70年代，国外就开始了分布式水文模型的研究，主要有SHE、IHDM、SWAM、BTOPMC等模型[1-6]，80年代后至今，在原模型的基础上，大多数分布式水文模型为适应不同的用途进行了再开发[7]。随着计算机、软件工程、遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、数据库、可视化技术的发展，水文学家和流域管理人员深刻地认识到，拥有直观、易操作、互动性强的用户视图界面是研发、应用、推广和普及分布式水文模型必不可少的环节，是理论与应用之间的桥梁与接口。系统与模型的发展相辅相成，系统的开发可以极大地促进模型的发展，使模型走出实验室，在应用中得到修改和验证。目前，国外知名的水文模型系统有丹麦水力学研究所（DanishHydraulicInstitute，DHI）的MIKE系列水文水资源软件包、奥地利ESS公司（EnvironmentalSoftware&Services）的流域水资源分析及管理系统软件Waterware、美国EMS公司（EnvironmentalModelingSystems）的流域模拟系统工具WMS（WatershedModelingSystem）等[8-10]，我国尚缺乏具自主知识产权、大型商业化应用的综合性水文模型集成工具软件。

BTOPMC以分块的方式应用TOPMODEL模型，结合Muskingum-Cunge汇流方法，集合而成一个具有物理基础的分布式水文模型[4-6]。Zhou等应用Shuttleworth-Wallace双源蒸散发模型估算流域的潜在蒸散发，完善了BTOPMC模型的产汇流模块，形成了BTOPMC/SCAU模型[11]。基于DEM生成流域数字河网是许多分布式水文模型的基础模块（以下简称地形模块），是BTOPMC/SCAU模型的基础模块，目前，国内外多数研究集中在理论算法和实际应用这2个方面，可视化方面的研究较少。为降低系统的耦合性，提高灵活性、自适应性和可扩展性，本研究以关系型数据库作为模块的数据组织管理平台，基于MVC设计模式，采用面向对象（object-oriented-programming，OOP）开发方式，实现地形模块的可视化，不仅可以作为水文学家开展科研工作的有力工具，也可以成为广大流域管理人员的好助手。可视化后的地形模块拥有良好的图形化用户界面（GUI），操作简单，用户只需输入原始DEM数据并选取集水面积阈值，系统将在后台执行洼地处理、流向确定、汇水面积计算、河网生成等一系列操作，并将提取的数字河网以图像方式直观地呈现，将地形模块可视化开发的BTOPMC/SCAU系统应用于韩江流域，与实际河网比较，提取的数字河网精度高，应用效果好。

1系统结构

系统总体架构如图1所示，模块、视图和控制器（model，viewandcontroller，MVC）设计模式[12-13]采用“分治”思想，将数据的访问和表现进行了分离。

模块（model）是整个系统的核心，主要作用包括构建地形模块的数据模型和业务规则，向控制器提供对程序功能的访问，接受视图的数据查询请求，当数据有变化时，通知对此数据感兴趣的视图。由于模块部分需要进行大量的数据处理与计算，计算速度和运行效率是其生命，C语言是程序设计高级语言之一，同时接近机器底层汇编语言，具有数据处理能力强、数值计算快、结构性好和易可读的优点，更重要的是C语言可与目前主流的面向对象语言C++、Java、C#配合，适于开发高效的大型软件系统。本系统模块部分采用C语言开发，经编译后封装成DLL，视图通过JNI（JavaNativeInterface）接口调用DLL请求数据。

视图（view）是模型的外在表现，是应用系统与外界的接口，主要功能是与外界交互，接收用户的输入，转发给控制器并触发应用逻辑运行，同时将逻辑运行的结果以某种形式呈现给外界。与模型层不同，视图层只关心数据的输入和表现方式，而不考虑数据的获取和处理方式，因此，操作简便性和界面美观是视图的重点。Java语言是纯粹面向对象的程序设计语言，具有简单、面向对象、分布式、解释性、健壮、安全与系统无关、可移植、高性能、多线程和动态等特点。本系统视图部分采用Java语言、利用NetBeans工具进行开发。

控制器（controller）是模型与视图的联系纽带，控制器提取通过视图传输进来的外部信息，并将其转化成相应事件对模型进行更新；同时，模型的更新与修改也将通过控制器来通知视图，从而保持视图与模型的一致性。本系统控制器由JNI接口完成，视图和模块之间通过JNI接口交互。JNI是Java本地调用接口，它允许Java语言和其他语言进行交互。

表1列出了本系统模块、视图和JNI接口的组件，为保持程序良好的可读性及一致性，JNI接口中的函数名称与模块层中函数名称保持一致。通过MVC模式，既提高了系统数据的安全性、一致性与业务逻辑的隐蔽性，同时保证了系统的运行速度和效率，系统具有强伸缩性、便于扩展和流程维护等特性。

水文模型的输入/输出包括描述流域性质的静态数据和反映流域状态的动态数据，在水文模型的开发阶段，通常以标准的ASCII文件储存在本地计算机上，ASCII文件具有读写速度快、易编程、较灵活等优点，但也有难组织、不易查询的缺点，尤其在后期数据管理和实时应用很不方便，随着多功能、综合性分布式水文模型的发展，输入/输出数据的多样性和复杂性大大增加，数据的维护和管理负担很重[14]。为增强模型的数据管理能力，并考虑到后续产流模块和汇流模块的可视化研究，本系统采用关系型数据库作为输入/输出平台，数据库引擎采用通用的JDBC接口，数据库表清单见表2。

2理论与方法

BTOPMC是一个基于DEM的分布式水文模型，模型的核心部分包括地形模块、产流模块和汇流模块，其中，地形模块又包括洼地处理、流向确定、汇水面积计算、河网提取、划分子流域等子模块。地形模块系统开发流程如图2所示。DEM是地形模块的基本输入，DEM网格数据可以通过使用等高线图进行内插取得，也可以通过卫星图像获得。但无论用什么方法创建或获取DEM，也不管其分辨率如何，都存在天然的和虚假的洼地。由于洼地的存在，会形成不切实际的水流方向，使全流域无法形成一个完整连续的河网。洼地的消除成了地形模块首要解决的问题[5]。

2.1洼地处理

在BTOPMC模型中，DEM的填洼处理采用高程增量迭加法，即按地貌倾斜度采用不同高程增量逐步填洼，每次填洼时，相邻洼地仍然按地貌的总体趋势保持一个辐合坡度[15]。填洼过程尽量减小修改高差的值，使其足够小以避免产生新的洼地，或最大限度地限制新洼地的产生。填洼后形成的坡度与地形的实际坡度应一致，避免实际地形被更改为和实际不符的地形。填洼高程增量计算公式为：dh（i，j）=hc[1-（αi+βj）/（Nr+Nc）]，式中，dh为洼地高于相邻的最低网格点的高程增量；（i，j）为洼地所在网格的行坐标和列坐标；hc为通过数值试验确定的一个常数，对于目前常用的DEM，一般先取hc=0.1m；α和β分别为x方向和y方向的地形倾斜角度权重系数，倾角越大，权重系数越大，近似取α=β=1。在填洼过后，洼地原始高程增大到一个新的高程hm，计算公式为：hm（i，j）=h0（i，j）+dh（i，j），式中，h0（i，j）为与洼地（i，j）相邻的最低网格点的高程。

2.2流向确定

采用目前广泛使用的D8法来确定栅格的水流方向，每个栅格限定8个可能的水流方向（图3）[16]，网格单元之间有3种可能流程，分别是水平方向（dx）、垂直方向（dy）和斜向45°方向（[KF（]dx2+dy2[KF）]）。假如分辨率为dx×dy的DEM，点X是其中任意一个网格，而不是一个洼地，点P所在网格是X相邻8个网格中最低的一个，根据D8法则，点X将流向网格P，流向代号为27=128。

2.3汇水面积计算

研究区域内各栅格的上游汇水面积，可以用区域地形曲面的流水模拟方法[17-18]得到。假定DEM每点处有1个单位的水量，按照水从高处流向低处的自然规律，根据区域地形的水流方向分布计算每点处所流过的水量数值，便可以得到该区域汇水面积分布。在此过程中，实际上赋予了水流方向矩阵权值1，如果考虑特殊情况（如降水不均匀），则可以使用特定的权矩阵。从DEM到汇水面积的计算过程如图4所示。

2.4河网生成

获得汇水面积分布后，根据选取的河流源头集水面积阈值提取数字河网[18-19]，基本思想是：凡是汇水面积大于或等于源头集水面积阈值的网格即被定为河道，小于源头集水面积则无法产生足够的径流形成水道。阈值的大小与所提取河网的疏密程度有关，阈值变小，河网密度增大，反之河网密度减小。

通过比较河源密度、河网密度与源头集水面积阈值的关系来确定合理的源头集水面积阈值。河源密度是指流域内河流源头个数与流域面积之比，河网密度是指流域内河网长度与流域面积之比，这2个参数能够直接反映出相应流域所提取的河网状况。图5所示分别为源头集水面积阈值设定为2和4时由图4-c汇水面积所提取的数字河网。

3.1流域概况

韩江流域位于粤东、闽西南（115°13′～117°09′E，23°17′～26°05′N），范围包括广东、福建、江西三省部分区域，其中，广东省17851km2，占59.3%，福建省12080km2，占40.1%，江西省181km2，占0.6%，流域总面积30112km2，是广东省除珠江流域外的第二大流域。韩江主源为梅江，发源于广东省河源市紫金县乌突山七星东，在广东省梅州市大埔县三河坝与发源于福建省宁化县武夷山南段木马山北坡的汀江汇合，三河坝以下始称韩江，韩江干流经韩江三角洲，分北、东、西溪在广东省汕头市出南海。

3.2DEM数据源

采用SRTM3（version4）[20]（水平分辨率为3″，约90m）DEM，覆盖韩江流域范围的栅格数为2199×3826（列×行），最大高程为1792m，最小高程-15m，平均高程396.9m，高程标准差262.8m，出现负高程是由数据误差造成、低于海平面的洼地。

3.3生成河网及可视化显示

为评估数字河网提取精度，将其与实际河网（来自地形图）对比。图6-a是提取的韩江流域数字河网，为朝安站以上流域，源头集水面积阀值为40km2，与实际河网吻合良好，错误河道很少，数字流域边界与实际边界也基本吻合，面积误差仅0.57%；图6-b和图6-c分别是韩江流域官庄水文站以上的汀江流域和三河坝水库以上的梅潭河流域数字河网和实际河网对比，数字河网源头集水面积阀值1km2，实际河网从1∶28万的长汀县地图、1∶25万的大埔县和1∶23万的平和县地图获得，2个子流域的数字河网与实际河网吻合良好。图7为系统用户界面和显示的数字河网图，界面左边空白区域留待产流和汇流模块使用。

4结论与展望

本系统集合了DEM洼地处理、水流方向确定、汇水面积计算、数字河网提取等子模块，实现了分布式水文模型BTOPMC/SCAU地形模块的可视化。系统具有以下特点：

（1）基于MVC设计模式。将系统的模型层（数据层）、控制器和视图层（表现层）分离，提高了系统的结构性与层次的清晰度，体现了高内聚低耦合的软件工程设计思想，系统具有良好的重用性、维护性和扩展性，为后续产流模块和汇流模块的开发提供了预设接口。

（2）采用面向对象编程（OOP）思想和语言。视图层由完全面向对象的Java编程语言完成，在设计过程中以对象和类为构造单元，以方法、继承、多态、消息传递为基本机制，对控制软件的复杂性提供了有效手段，利用Java跨平台的特性，只需要少量修改，地形模块系统就可以部署在不同操作系統下运行。

（3）采用关系型数据库平台管理模型数据信息，提高了输入/输出数据的规范性、安全性和易操作性，为数据检索、分析和再开发提供了便利。

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