可视化黄浦江水环境数学模型系统设计与开发_secret

1、PAGE PAGE 8可视化黄浦江水环境数学模型系统设计与开发摘要: 随着信息技术的高速发展，传统的水环境数学模型与数据库技术、GIS技术、可视化编程工具紧密结合，水环境数学模型的可视化是其发展的一个重要趋势，也是开发水环境决策支持系统和水环境数学模型商业软件的重要基础。本文对可视化水环境数学模型的设计框架进行了初步探讨，并结合自主开发的可视化黄浦江二维水环境数学模型系统，介绍可视化水环境数学模型的设计与开发。关键词：水环境，数学模型，GIS，可视化，黄浦江前言数学模型是宏观水环境问题研究的核心工具之一。水环境数学模型发展应用至今已有较长的历史，但是传统的水环境数学模型在本质上是一种数值计算工

2、具，只是擅长于数值计算，在应用中存在着以下问题：模型文件信息复杂，对缺乏专业知识的人难以应用和掌握；模型输入格式严谨，手工输入极易出错，从而导致程序无法运行；模型前期河底高程、岸界、边界条件等数据的采集及其网格化的过程中工作量大，模型建模时间长；模型后期计算结果表达效果差，结果不清晰直观。从水环境数学模型的发展趋势看，模型不仅要提供反映水文及水质变化过程的模拟数据系列，还应当提供直观、形象的“数学印象”和必要的知识支持。为了克服以上模型建模的问题，随着计算机技术的高速发展，传统水环境数学模型的可视化是其发展的一个必然趋势。目前国际上许多水环境数学模型已进行了可视化，有的还进一步开发成商业模型软

3、件。如美国国家环保局对WASP进行升级推出了基于WINDOWS环境的WASP6，美国Brigham Young大学图形实验室基于RMA系列模型、FESWMS、HIVEL等开发了可视化的商业软件SMS等。同国外研究相比，国内水环境数学模型的研究多侧重于数值计算，在模型可视化研究方面工作较少，更缺乏国际水平的可视化商业模型软件，水环境数学模型可视化研究乃至更高水平的商业化软件自主开发是今后国内水环境数学模型研究必须引起重视的一个问题。本文首先提出了可视化水环境数学模型设计框架，然后以自主开发的可视化黄浦江二维水环境数学模型为例1，介绍了可视化水环境数学模型的设计与开发。2可视化水环境数学模型设计与

4、开发以黄浦江二维水环境数学模型系统为例借鉴国际上可视化水环境数学模型的设计开发经验，结合上海市黄浦江流域二维水动力与水质模型开发与应用研究，本文作者设计开发了可视化黄浦江水环境数学模型系统。模型系统开发过程中采用了可视化编程工具Visual Basic和GIS软件MapInfo提供的MapX控件，在这一软件平台的基础上采用水环境数学模型和GIS集成的方式设计开发了中文可视化用户界面下的黄浦江水环境数学模型，主界面图1示，设计开发框架如图2示。图1 可视化黄浦江水环境数学模型主界面水环境数学模型子系统水动力数学模型水质数学模型水环境数据库子系统数据分析数据查询数据更新水环境数据库管理系统模型辅助

5、信息处理系统模型前处理功能模型中间处理功能模型后处理功能主系统人机交互界面图2 可视化水环境数学模型设计框架由图2知：研究开发的可视化水环境数学模型系统由水环境数学模型子系统、水环境数据库子系统、模型辅助信息处理系统组成，。21水环境数学模型子系统水环境数学模型子系统是可视化水环境数学模型的核心，作用是水文、水质变化过程的数值模拟。黄浦江水环境模型开发中采用的是沿水深平均的二维水动力与二维水质数学模型，水动力和水质模型数值计算程序基于FORTRAN语言编写，并链接到可视化用户界面下，如图3示。图3 水环境数学模型子系统22水环境数据库子系统水环境数据库子系统的作用是显示、查询、修改与水环境数学

6、模型有关的空间数据信息。水环境数据信息具有明显的空间属性，目前GIS技术在环境信息数据库构建中发挥着重要作用，可视化黄浦江水环境数学模型设计与开发中引入了GIS技术，水环境数据库子系统基于GIS系统组件MapX构建，充分利用了GIS的空间数据管理功能；GIS和水环境数学模型通过半紧密内嵌式集成方式23集中到一个统一的用户界面下，是目前模型与GIS的集成中一种较先进的方式。可视化黄浦江水环境数学模型中水环境数据库子系统的内容包括：(1) 数据结构GIS环境下数据库是依附于图层的，通常黄浦江水环境数学模型包含以下图层：黄浦江干流及流域主要支流，海岸线，上海市行政区划，黄浦江地形，黄浦江模型有限元计

7、算网格，污染源分布，黄浦江水质监测站点。模型中包含的属性数据库为：黄浦江模型计算网格和计算节点数据库，黄浦江地形信息数据库，污染源信息数据库（名称、地址、污染物排放量、污染物排放去向等），水质监测资料数据库。(2) 数据查询、更新、统计分析数据查询、更新、统计分析是黄浦江水环境数学模型数据管理的重要功能，包括：空间属性数据的查询（支持图层包括所有数据查询，点、圆形、矩形、多边形选择范围查询，SQL查询）；空间属性数据的动态更新；查询数据导出功能（导出为EXCEL格式文件）及导出数据的进一步统计分析。数据查询、更新、统计分析功能如图4示。借助GIS的数据查询、更新功能，可以更新黄浦江地形信息数据

8、库，并在此基础上借助模型辅助信息处理系统中的“地形信息更新”功能自动修改水动力模型的地形信息文件。借助GIS的空间属性数据查询及查询数据导出功能，可以确定某一区域范围内污染负荷量的大小并将其分配到水质模型的计算单元/节点上去。 图4 模型数据查询、更新、统计分析（左：全部查询，右：SQL查询）将GIS技术应用于可视化水环境数学模型的设计与开发中，不仅可以实现水环境数据库子系统的功能，而且通过水环境数学模型和GIS技术的集成，可以反映模拟结果在空间上的变化趋势，使得模型辅助信息处理系统的功能也变得更加强大。水环境数学模型和GIS技术的集成是水环境数学模型可视化研究的一个重要因素。23模型辅助信息

9、处理子系统模型辅助信息处理系统可包括以下三种功能：模型前处理功能模型运行控制参数的编辑、建模所需原始数据资料（如边界条件、潮汐数据等）的图形化定义等；模型中间处理功能模型运行过程中模拟结果在时间/空间上的实时动态显示、模型运行中断/重启功能等；模型后处理功能最终模拟结果在时间/空间上的表达、模拟数据输出等。根据以上分析，可视化黄浦江水环境数学模型中的模型辅助信息处理系统包括了以下三部分：模型前处理功能地形信息更新；水动力模型和水质模型文件信息显示；水动力和水质模型文件编辑；水动力和水质模型边界条件编辑；水动力和水质模型主要运行控制参数编辑（图5示）。 图5 模型前处理功能(左：水动力模型边界条

10、件编辑，右：水质模型运行控制参数编辑)模型中间处理功能开发了实时动态显示功能，利用该功能，可以在水动力和水质模型数值计算程序运行过程中实时跟踪模拟计算结果；也可以用于模型率定与验证过程，在模拟计算开始之前输入实测数据，模拟计算开始后实时显示计算结果，并进行模拟值和实测值间的误差分析，如果模拟值和实测值吻合令人满意则继续模拟，否则终止计算重新修正模型参数（图6示）。模型后处理功能模型运行结束后显示选定断面水文、水质变化过程，并导出选定断面的模拟计算结果以进行进一步分析处理（导出为EXCEL格式文件）；模型运行结束后模拟计算结果在空间上的显示，在该项功能中将GIS作为模拟计算结果的空间显示平台，利

11、用它的空间，将水文、水质的时空变化显示在地图上清楚地显示出来，还可以在此基础上将不同模拟时刻的水文、水质空间变化制作为动态播放文件，以动态图像的方式予以逼真演示（图7示）。 图6 模型中间处理功能(左：水位实时显示，右：流速实时显示) 图7 模型后处理功能（左：水质模拟结果时间显示，右：水质模拟结果空间显示）3 可视化水环境数学模型的后续开发数据库数据管理系统模型管理系统模型库知识库知识库管理系统可视化用户界面界面管理在本文阐述的可视化水环境水环境数学模型框架基础上，可进一步开发水环境决策支持系统，甚至更高水平的水环境数学模型商业软件。图4 水环境决策支持系统框架完整意义上的水环境决策支持系统

12、由模型库、数据库、方法库和相应的管理系统组成，并统一到可视化用户界面下(图8示)。图2提出的可视化水环境数学模型框架中已经具备了模型库、数据库，在此基础上完善知识库，并将模型库、数据库、方法库有机集成，即可构建水环境决策支持系统。在后续研究中，将在可视化黄浦江水环境数学模型的基础上，开发黄浦江水环境决策支持系统。水环境数学模型商业软件更强调模型的通用性、易用性，所以对模型可视化的要求程度非常高。水环境数学模型商业软件开发中一个很关键的技术是计算网格自动生成工具的研究，从而可以简化计算网格生成的工作量，这涉及计算机图形学方面的内容。本研究认为水环境数学模型商业软件是可视化程度非常高的数学模型，尤

13、其是对图2模型辅助信息处理系统中的模型前处理功能（其中包括计算网格自动生成工具）、中间处理功能、后处理功能的要求程度高，另外商业软件应注重与GIS技术、图形处理技术等的融合性。与国外相比，我国至今仍缺乏国际水平的商业软件，这应该是今后水环境数学模型领域的一个重点研究方向。4 结束语41 在水环境数学模拟中广泛采用计算机技术具有无限的生命力。随着信息技术的高速发展，传统的水环境数学模型与数据库技术、GIS技术、可视化编程工具紧密结合，水环境数学模型的可视化是其发展的一个重要趋势。水环境数学模型的可视化研究要基于对水环境数值计算模型的深刻理解，涉及数值计算、模型应用、GIS技术、可视化编程技术等多

14、方面的知识，是比水环境数学模型应用研究更复杂的课题。本文对可视化水环境数学模型的设计框架进行了初步探讨，并结合自主开发的可视化黄浦江二维水环境数学模型系统，介绍了可视化水环境数学模型的设计与开发。在本文阐述的可视化模型框架基础上，可进一步完善开发水环境决策支持系统。42 同国外研究相比，国内水环境数学模型的研究多侧重于数值计算，在模型可视化研究方面工作较少，更缺乏国际水平的可视化商业模型软件，水环境数学模型可视化研究乃至更高水平的商业化软件自主开发是今后国内水环境数学模型研究必须引起重视的一个问题。参考文献1尹海龙.黄浦江二维水环境数学模型开发及水质改善措施分析D.上海:同济大学,2003.2

15、 俞雪中. GIS技术与水环境模型的集成. 中国水力学2000 M. 成都：四川大学出版社，2000，9.3 贾海峰，程声通，杜文涛. GIS与地表水水质模型WASP5的集成 J. 清华大学学报，2001，41（8）：125-128.Study on the Realization of Visual Water Environmental Models for Huangpu RiverAbstract: The formation of visual water environmental models is an important trend for its development,

16、it is also the basis for development of water environment decision support system and commercial water environmental model software. Nowadays development of information technology, database techniques, GIS and visual computer program tools provides valid approaches to the realization of visual water environmental models. In this paper, the design frame for realization of visual water environmental models is discussed, with the dev