可視化黃浦江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)_secret

1、PAGE PAGE 8可視化黃浦江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)摘要: 隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型與數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS技術(shù)、可視化編程工具緊密結(jié)合，水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的可視化是其發(fā)展的一個(gè)重要趨勢，也是開發(fā)水環(huán)境決策支持系統(tǒng)和水環(huán)境數(shù)學(xué)模型商業(yè)軟件的重要基礎(chǔ)。本文對可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)框架進(jìn)行了初步探討，并結(jié)合自主開發(fā)的可視化黃浦江二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)，介紹可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)與開發(fā)。關(guān)鍵詞：水環(huán)境，數(shù)學(xué)模型，GIS，可視化，黃浦江前言數(shù)學(xué)模型是宏觀水環(huán)境問題研究的核心工具之一。水環(huán)境數(shù)學(xué)模型發(fā)展應(yīng)用至今已有較長的歷史，但是傳統(tǒng)的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型在本質(zhì)上是一種數(shù)值計(jì)算工

2、具，只是擅長于數(shù)值計(jì)算，在應(yīng)用中存在著以下問題：模型文件信息復(fù)雜，對缺乏專業(yè)知識的人難以應(yīng)用和掌握；模型輸入格式嚴(yán)謹(jǐn)，手工輸入極易出錯(cuò)，從而導(dǎo)致程序無法運(yùn)行；模型前期河底高程、岸界、邊界條件等數(shù)據(jù)的采集及其網(wǎng)格化的過程中工作量大，模型建模時(shí)間長；模型后期計(jì)算結(jié)果表達(dá)效果差，結(jié)果不清晰直觀。從水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的發(fā)展趨勢看，模型不僅要提供反映水文及水質(zhì)變化過程的模擬數(shù)據(jù)系列，還應(yīng)當(dāng)提供直觀、形象的“數(shù)學(xué)印象”和必要的知識支持。為了克服以上模型建模的問題，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的可視化是其發(fā)展的一個(gè)必然趨勢。目前國際上許多水環(huán)境數(shù)學(xué)模型已進(jìn)行了可視化，有的還進(jìn)一步開發(fā)成商業(yè)模型軟

3、件。如美國國家環(huán)保局對WASP進(jìn)行升級推出了基于WINDOWS環(huán)境的WASP6，美國Brigham Young大學(xué)圖形實(shí)驗(yàn)室基于RMA系列模型、FESWMS、HIVEL等開發(fā)了可視化的商業(yè)軟件SMS等。同國外研究相比，國內(nèi)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的研究多側(cè)重于數(shù)值計(jì)算，在模型可視化研究方面工作較少，更缺乏國際水平的可視化商業(yè)模型軟件，水環(huán)境數(shù)學(xué)模型可視化研究乃至更高水平的商業(yè)化軟件自主開發(fā)是今后國內(nèi)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究必須引起重視的一個(gè)問題。本文首先提出了可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)框架，然后以自主開發(fā)的可視化黃浦江二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型為例1，介紹了可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)與開發(fā)。2可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)與

4、開發(fā)以黃浦江二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)為例借鑒國際上可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合上海市黃浦江流域二維水動力與水質(zhì)模型開發(fā)與應(yīng)用研究，本文作者設(shè)計(jì)開發(fā)了可視化黃浦江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)。模型系統(tǒng)開發(fā)過程中采用了可視化編程工具Visual Basic和GIS軟件MapInfo提供的MapX控件，在這一軟件平臺的基礎(chǔ)上采用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型和GIS集成的方式設(shè)計(jì)開發(fā)了中文可視化用戶界面下的黃浦江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，主界面圖1示，設(shè)計(jì)開發(fā)框架如圖2示。圖1 可視化黃浦江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型主界面水環(huán)境數(shù)學(xué)模型子系統(tǒng)水動力數(shù)學(xué)模型水質(zhì)數(shù)學(xué)模型水環(huán)境數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)查詢數(shù)據(jù)更新水環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)模型輔助

5、信息處理系統(tǒng)模型前處理功能模型中間處理功能模型后處理功能主系統(tǒng)人機(jī)交互界面圖2 可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)框架由圖2知：研究開發(fā)的可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)由水環(huán)境數(shù)學(xué)模型子系統(tǒng)、水環(huán)境數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、模型輔助信息處理系統(tǒng)組成，。21水環(huán)境數(shù)學(xué)模型子系統(tǒng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型子系統(tǒng)是可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的核心，作用是水文、水質(zhì)變化過程的數(shù)值模擬。黃浦江水環(huán)境模型開發(fā)中采用的是沿水深平均的二維水動力與二維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，水動力和水質(zhì)模型數(shù)值計(jì)算程序基于FORTRAN語言編寫，并鏈接到可視化用戶界面下，如圖3示。圖3 水環(huán)境數(shù)學(xué)模型子系統(tǒng)22水環(huán)境數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)水環(huán)境數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)的作用是顯示、查詢、修改與水環(huán)境數(shù)學(xué)

6、模型有關(guān)的空間數(shù)據(jù)信息。水環(huán)境數(shù)據(jù)信息具有明顯的空間屬性，目前GIS技術(shù)在環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)建中發(fā)揮著重要作用，可視化黃浦江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)與開發(fā)中引入了GIS技術(shù)，水環(huán)境數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)基于GIS系統(tǒng)組件MapX構(gòu)建，充分利用了GIS的空間數(shù)據(jù)管理功能；GIS和水環(huán)境數(shù)學(xué)模型通過半緊密內(nèi)嵌式集成方式23集中到一個(gè)統(tǒng)一的用戶界面下，是目前模型與GIS的集成中一種較先進(jìn)的方式?？梢暬S浦江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型中水環(huán)境數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)的內(nèi)容包括：(1) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)GIS環(huán)境下數(shù)據(jù)庫是依附于圖層的，通常黃浦江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型包含以下圖層：黃浦江干流及流域主要支流，海岸線，上海市行政區(qū)劃，黃浦江地形，黃浦江模型有限元計(jì)

7、算網(wǎng)格，污染源分布，黃浦江水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)。模型中包含的屬性數(shù)據(jù)庫為：黃浦江模型計(jì)算網(wǎng)格和計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，黃浦江地形信息數(shù)據(jù)庫，污染源信息數(shù)據(jù)庫（名稱、地址、污染物排放量、污染物排放去向等），水質(zhì)監(jiān)測資料數(shù)據(jù)庫。(2) 數(shù)據(jù)查詢、更新、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)查詢、更新、統(tǒng)計(jì)分析是黃浦江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)管理的重要功能，包括：空間屬性數(shù)據(jù)的查詢（支持圖層包括所有數(shù)據(jù)查詢，點(diǎn)、圓形、矩形、多邊形選擇范圍查詢，SQL查詢）；空間屬性數(shù)據(jù)的動態(tài)更新；查詢數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能（導(dǎo)出為EXCEL格式文件）及導(dǎo)出數(shù)據(jù)的進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)查詢、更新、統(tǒng)計(jì)分析功能如圖4示。借助GIS的數(shù)據(jù)查詢、更新功能，可以更新黃浦江地形信息數(shù)據(jù)

8、庫，并在此基礎(chǔ)上借助模型輔助信息處理系統(tǒng)中的“地形信息更新”功能自動修改水動力模型的地形信息文件。借助GIS的空間屬性數(shù)據(jù)查詢及查詢數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，可以確定某一區(qū)域范圍內(nèi)污染負(fù)荷量的大小并將其分配到水質(zhì)模型的計(jì)算單元/節(jié)點(diǎn)上去。 圖4 模型數(shù)據(jù)查詢、更新、統(tǒng)計(jì)分析（左：全部查詢，右：SQL查詢）將GIS技術(shù)應(yīng)用于可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，不僅可以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)的功能，而且通過水環(huán)境數(shù)學(xué)模型和GIS技術(shù)的集成，可以反映模擬結(jié)果在空間上的變化趨勢，使得模型輔助信息處理系統(tǒng)的功能也變得更加強(qiáng)大。水環(huán)境數(shù)學(xué)模型和GIS技術(shù)的集成是水環(huán)境數(shù)學(xué)模型可視化研究的一個(gè)重要因素。23模型輔助信息

9、處理子系統(tǒng)模型輔助信息處理系統(tǒng)可包括以下三種功能：模型前處理功能模型運(yùn)行控制參數(shù)的編輯、建模所需原始數(shù)據(jù)資料（如邊界條件、潮汐數(shù)據(jù)等）的圖形化定義等；模型中間處理功能模型運(yùn)行過程中模擬結(jié)果在時(shí)間/空間上的實(shí)時(shí)動態(tài)顯示、模型運(yùn)行中斷/重啟功能等；模型后處理功能最終模擬結(jié)果在時(shí)間/空間上的表達(dá)、模擬數(shù)據(jù)輸出等。根據(jù)以上分析，可視化黃浦江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型中的模型輔助信息處理系統(tǒng)包括了以下三部分：模型前處理功能地形信息更新；水動力模型和水質(zhì)模型文件信息顯示；水動力和水質(zhì)模型文件編輯；水動力和水質(zhì)模型邊界條件編輯；水動力和水質(zhì)模型主要運(yùn)行控制參數(shù)編輯（圖5示）。 圖5 模型前處理功能(左：水動力模型邊界條

10、件編輯，右：水質(zhì)模型運(yùn)行控制參數(shù)編輯)模型中間處理功能開發(fā)了實(shí)時(shí)動態(tài)顯示功能，利用該功能，可以在水動力和水質(zhì)模型數(shù)值計(jì)算程序運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)跟蹤模擬計(jì)算結(jié)果；也可以用于模型率定與驗(yàn)證過程，在模擬計(jì)算開始之前輸入實(shí)測數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算開始后實(shí)時(shí)顯示計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行模擬值和實(shí)測值間的誤差分析，如果模擬值和實(shí)測值吻合令人滿意則繼續(xù)模擬，否則終止計(jì)算重新修正模型參數(shù)（圖6示）。模型后處理功能模型運(yùn)行結(jié)束后顯示選定斷面水文、水質(zhì)變化過程，并導(dǎo)出選定斷面的模擬計(jì)算結(jié)果以進(jìn)行進(jìn)一步分析處理（導(dǎo)出為EXCEL格式文件）；模型運(yùn)行結(jié)束后模擬計(jì)算結(jié)果在空間上的顯示，在該項(xiàng)功能中將GIS作為模擬計(jì)算結(jié)果的空間顯示平臺，利

11、用它的空間，將水文、水質(zhì)的時(shí)空變化顯示在地圖上清楚地顯示出來，還可以在此基礎(chǔ)上將不同模擬時(shí)刻的水文、水質(zhì)空間變化制作為動態(tài)播放文件，以動態(tài)圖像的方式予以逼真演示（圖7示）。 圖6 模型中間處理功能(左：水位實(shí)時(shí)顯示，右：流速實(shí)時(shí)顯示) 圖7 模型后處理功能（左：水質(zhì)模擬結(jié)果時(shí)間顯示，右：水質(zhì)模擬結(jié)果空間顯示）3 可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的后續(xù)開發(fā)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)模型管理系統(tǒng)模型庫知識庫知識庫管理系統(tǒng)可視化用戶界面界面管理在本文闡述的可視化水環(huán)境水環(huán)境數(shù)學(xué)模型框架基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步開發(fā)水環(huán)境決策支持系統(tǒng)，甚至更高水平的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型商業(yè)軟件。圖4 水環(huán)境決策支持系統(tǒng)框架完整意義上的水環(huán)境決策支持系統(tǒng)

12、由模型庫、數(shù)據(jù)庫、方法庫和相應(yīng)的管理系統(tǒng)組成，并統(tǒng)一到可視化用戶界面下(圖8示)。圖2提出的可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型框架中已經(jīng)具備了模型庫、數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上完善知識庫，并將模型庫、數(shù)據(jù)庫、方法庫有機(jī)集成，即可構(gòu)建水環(huán)境決策支持系統(tǒng)。在后續(xù)研究中，將在可視化黃浦江水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)黃浦江水環(huán)境決策支持系統(tǒng)。水環(huán)境數(shù)學(xué)模型商業(yè)軟件更強(qiáng)調(diào)模型的通用性、易用性，所以對模型可視化的要求程度非常高。水環(huán)境數(shù)學(xué)模型商業(yè)軟件開發(fā)中一個(gè)很關(guān)鍵的技術(shù)是計(jì)算網(wǎng)格自動生成工具的研究，從而可以簡化計(jì)算網(wǎng)格生成的工作量，這涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方面的內(nèi)容。本研究認(rèn)為水環(huán)境數(shù)學(xué)模型商業(yè)軟件是可視化程度非常高的數(shù)學(xué)模型，尤

13、其是對圖2模型輔助信息處理系統(tǒng)中的模型前處理功能（其中包括計(jì)算網(wǎng)格自動生成工具）、中間處理功能、后處理功能的要求程度高，另外商業(yè)軟件應(yīng)注重與GIS技術(shù)、圖形處理技術(shù)等的融合性。與國外相比，我國至今仍缺乏國際水平的商業(yè)軟件，這應(yīng)該是今后水環(huán)境數(shù)學(xué)模型領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。4 結(jié)束語41 在水環(huán)境數(shù)學(xué)模擬中廣泛采用計(jì)算機(jī)技術(shù)具有無限的生命力。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型與數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS技術(shù)、可視化編程工具緊密結(jié)合，水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的可視化是其發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的可視化研究要基于對水環(huán)境數(shù)值計(jì)算模型的深刻理解，涉及數(shù)值計(jì)算、模型應(yīng)用、GIS技術(shù)、可視化編程技術(shù)等多

14、方面的知識，是比水環(huán)境數(shù)學(xué)模型應(yīng)用研究更復(fù)雜的課題。本文對可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)框架進(jìn)行了初步探討，并結(jié)合自主開發(fā)的可視化黃浦江二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)，介紹了可視化水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)與開發(fā)。在本文闡述的可視化模型框架基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步完善開發(fā)水環(huán)境決策支持系統(tǒng)。42 同國外研究相比，國內(nèi)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的研究多側(cè)重于數(shù)值計(jì)算，在模型可視化研究方面工作較少，更缺乏國際水平的可視化商業(yè)模型軟件，水環(huán)境數(shù)學(xué)模型可視化研究乃至更高水平的商業(yè)化軟件自主開發(fā)是今后國內(nèi)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究必須引起重視的一個(gè)問題。參考文獻(xiàn)1尹海龍.黃浦江二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型開發(fā)及水質(zhì)改善措施分析D.上海:同濟(jì)大學(xué),2003.2

15、 俞雪中. GIS技術(shù)與水環(huán)境模型的集成. 中國水力學(xué)2000 M. 成都：四川大學(xué)出版社，2000，9.3 賈海峰，程聲通，杜文濤. GIS與地表水水質(zhì)模型WASP5的集成 J. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)，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