gis水文水資源數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

gis水文水資源數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

目前，地理信息系統(tǒng)（gis）已廣泛應(yīng)用于水文學(xué)研究和水資源管理領(lǐng)域[1、2、3、4、5、6、7、8、9和10]。例如，“數(shù)字流域”的建設(shè)在國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展。gis和遙感（sr）結(jié)合在洪水災(zāi)害分析中的應(yīng)用。gis在流量規(guī)劃決策系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用gis制作文件格式數(shù)據(jù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)適用于無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域的流域水文模擬研究。在GIS應(yīng)用到水文學(xué)研究與水資源管理領(lǐng)域過(guò)程中,一個(gè)核心問(wèn)題是GIS水文水資源數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì),GIS水文水資源數(shù)據(jù)模型是關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界中水文空間實(shí)體及其相互間聯(lián)系的概念,反映了水文過(guò)程與人類自然環(huán)境之間的相互關(guān)系。它為描述水文空間數(shù)據(jù)組織和設(shè)計(jì)水文空間數(shù)據(jù)庫(kù)模式提供基本方法,是GIS在水文學(xué)研究與水資源管理應(yīng)用設(shè)計(jì)的核心,也是推動(dòng)GIS在水文學(xué)研究與水資源管理深入應(yīng)用,使之不斷更新的關(guān)鍵。美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所(EnvironmentalSystemsResearchInstitute,ESRI)和美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)Austin分校水資源研究中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種水文地理空間數(shù)據(jù)和時(shí)間序列數(shù)據(jù)模型——ArcHydro數(shù)據(jù)模型,它在ArcGIS環(huán)境下運(yùn)行,主要用于水文水資源的研究。ArcHydro支持水文模擬,提供一種管理各種水文信息的規(guī)范格式,有助于系統(tǒng)地和有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜水文系統(tǒng)的模擬與分析。在國(guó)內(nèi),GIS水文水資源數(shù)據(jù)模型的研究相對(duì)較少,目前還沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范格式,這不利于GIS在水文學(xué)研究和水資源管理上的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。本文在ArcHydro數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù),對(duì)GIS的水文水資源數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)組織進(jìn)行了深入的研究與探討,并將設(shè)計(jì)好的面向?qū)ο驡IS水文水資源數(shù)據(jù)模型應(yīng)用到江西省清豐山流域水文水資源管理中,取得了較好的成效,為進(jìn)一步在水文學(xué)研究和水資源管理推廣應(yīng)用提供參考。1存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn)20世紀(jì)70年代起,美國(guó)田納西流域管理局利用GIS技術(shù)處理和分析各種流域數(shù)據(jù),為流域管理和規(guī)劃提供決策服務(wù),GIS開(kāi)始應(yīng)用于水文學(xué)及水資源管理。進(jìn)入80年代,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,GIS在水文學(xué)及水資源管理領(lǐng)域的發(fā)展非常迅速。90年代,數(shù)字化信息技術(shù)的飛速發(fā)展,提出了流域“數(shù)字水文”平臺(tái),GIS已經(jīng)成為構(gòu)建該平臺(tái)和進(jìn)行流域水文模擬的重要工具,也取得了很大的成績(jī),已被承認(rèn)是一個(gè)非常有用的工具。目前盡管大多數(shù)GIS對(duì)水文水資源信息具備了較強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和輸入輸出功能,但是主要以數(shù)據(jù)為中心,在表達(dá)水文地理空間、水文現(xiàn)象空間分析和支持決策的能力方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,導(dǎo)致這種情況的原因在于現(xiàn)有的GIS數(shù)據(jù)模型并不能準(zhǔn)確地表達(dá)地理空間水文對(duì)象特征,具體存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn)如下:(1)描述隨時(shí)間和空間而變化的地表水流運(yùn)動(dòng)是水文學(xué)家最重要的任務(wù)之一。那么,如何把描述水流運(yùn)動(dòng)和水質(zhì)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)與描述周圍環(huán)境的地理空間數(shù)據(jù)集成或耦合在一起將是一個(gè)最重要的問(wèn)題。(2)GIS在水文水資源上的應(yīng)用需要水文地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)支撐,水務(wù)管理部門在應(yīng)用GIS時(shí),都構(gòu)建了相應(yīng)的水文地理空間數(shù)據(jù)庫(kù),由于不同的開(kāi)發(fā)單位對(duì)水文空間數(shù)據(jù)組織方式和設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的模式不一樣,造成水文地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)層次不一,共享性、通用性和可擴(kuò)展性差,如何設(shè)計(jì)GIS水文水資源數(shù)據(jù)模型以構(gòu)建通用的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)支撐各種各樣的水文水資源項(xiàng)目?(3)描述陸地表面的數(shù)字高程數(shù)據(jù)變得越來(lái)越精確,柵格尺度越來(lái)越小,柵格數(shù)量越來(lái)越大,以至于用一個(gè)單一完整的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)來(lái)研究一個(gè)大的流域變得越來(lái)越麻煩,分析工作是非常難處理的,而且不切實(shí)際,如何將流域地表信息進(jìn)行單元分區(qū)處理,然后將所有的分區(qū)結(jié)果融合到一起構(gòu)成流域的整體數(shù)據(jù)庫(kù)?(4)描述河道和洪泛區(qū)平原時(shí)采用的是三角形不規(guī)則網(wǎng)格(TriangulatedIrregularNetwork,TIN)數(shù)據(jù),但是隨著被研究的河道長(zhǎng)度增加,而三角網(wǎng)的精度不斷加大,在數(shù)據(jù)分析處理過(guò)程中帶來(lái)了極大的麻煩。如何從每一個(gè)河段的不規(guī)則三角網(wǎng)格中建立河道形狀的矢量描述,然后將所有矢量描述整合成對(duì)整條河流連續(xù)性的描述?(5)標(biāo)準(zhǔn)化的水文地理數(shù)據(jù)集主要是用來(lái)存儲(chǔ)描繪溪流、江河、湖泊以及海岸水體。如何將河流的水文地理信息特征與這條河流所在的流域聯(lián)系在一起?大量的空間點(diǎn)特征與河網(wǎng)水系有關(guān),比如測(cè)站、水工建筑物、供水系統(tǒng)取水口、污水處理系統(tǒng)排泄孔、橋梁等等。如何根據(jù)河網(wǎng)將這些信息進(jìn)行地址編碼,以便很容易查找某個(gè)位置的上游河段和下游河段?(6)城市水文系統(tǒng)所遇到的很多問(wèn)題是與農(nóng)村水文系統(tǒng)中有很大差異。特別是城市暴雨下水道系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的排水區(qū)間和同一區(qū)域地表河流對(duì)應(yīng)的排水區(qū)間差別相當(dāng)大。如何考慮這種差別?在面臨的所有這些挑戰(zhàn)中一個(gè)共同的主題就是數(shù)據(jù)融合:不同類型的GIS數(shù)據(jù)和水文水資源數(shù)據(jù)的集成;地理空間水文數(shù)據(jù)和水文模型的集成;不同空間尺度水文數(shù)據(jù)的集成。隨著GIS在水文學(xué)與水資源的深入應(yīng)用,迫切需要對(duì)水文地理空間數(shù)據(jù)和其它水資源信息規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化,構(gòu)建一個(gè)通用的水文地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)框架。2數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)對(duì)于GIS在水文水資源中的應(yīng)用,其本質(zhì)是對(duì)有關(guān)水文的客觀地理世界的近似模擬,其理想狀態(tài)應(yīng)是盡可能準(zhǔn)確地反映真實(shí)的水文地理世界,同時(shí)做到數(shù)據(jù)量最小,又便于從中獲取所需要的水文信息和規(guī)律。面向?qū)ο蠓椒槿藗冊(cè)谟?jì)算機(jī)上直接描述物理世界提供了一個(gè)適合于人類思維模式的方法,這是因?yàn)榭臻g信息較之傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)處理的二維信息更為復(fù)雜、瑣碎,面向?qū)ο蟮姆椒槊枋鰪?fù)雜的空間信息提供了一個(gè)直觀、結(jié)構(gòu)清晰、組織有序的方法,因而倍受重視。因此可利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)來(lái)設(shè)計(jì)GIS的水文水資源數(shù)據(jù)模型。水文地理空間是水文對(duì)象組合排列集,每個(gè)水文對(duì)象都具有空間位置、特征屬性和時(shí)間特征,以及與其它對(duì)象之間的拓?fù)潢P(guān)系、語(yǔ)義關(guān)系等。面向?qū)ο蠹夹g(shù)(聚集、聯(lián)合、概括、分類和繼承等)可以將水文地理空間的復(fù)雜水文實(shí)體用對(duì)象準(zhǔn)確地表示,剔除一些同水文現(xiàn)象不相關(guān)的實(shí)體,而不會(huì)因?yàn)榧夹g(shù)上的限制對(duì)這個(gè)實(shí)體進(jìn)行人為的分解,同時(shí)將水文地理空間看成為一個(gè)整體,即每一個(gè)水文實(shí)體具有空間位置、特征屬性、時(shí)間特征以及同其它水文實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系和語(yǔ)義聯(lián)系。面向?qū)ο蟮腉IS水文水資源數(shù)據(jù)模型見(jiàn)圖1,其設(shè)計(jì)要點(diǎn)為:(1)數(shù)據(jù)模型中所有的水文數(shù)據(jù)都必須有相同的地理坐標(biāo)系;(2)數(shù)據(jù)模型用來(lái)表征區(qū)域的主要結(jié)構(gòu),必須是基于對(duì)象模型的矢量結(jié)構(gòu)(點(diǎn)、線、面),同時(shí)可以被柵格數(shù)據(jù)和不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)支持。即將有關(guān)水文現(xiàn)象的對(duì)象和連續(xù)場(chǎng)這兩種看似對(duì)立的模型統(tǒng)一在特征和特征集合的概念中;(3)雖然將有關(guān)水文現(xiàn)象的客觀世界作為整體看待,但并不排斥在執(zhí)行具體的數(shù)據(jù)組織時(shí)對(duì)眾多的有關(guān)水文現(xiàn)象的地理實(shí)體進(jìn)行分層。數(shù)據(jù)模型中不同數(shù)據(jù)層的水文地理要素之間的聯(lián)系,必須能夠追蹤通過(guò)地表從一個(gè)要素到另一個(gè)要素的水體運(yùn)動(dòng),同時(shí)能夠自由地加入、刪除、修改任意類型(點(diǎn)、線、面和復(fù)雜實(shí)體)的水文要素;(4)數(shù)據(jù)模型除了研究有關(guān)水文現(xiàn)象的對(duì)象的幾何位置及拓?fù)潢P(guān)系外,還要重視研究對(duì)象間的語(yǔ)義關(guān)系、空間位置、特征屬性和時(shí)間特征在模型中應(yīng)處于同等重要的地位。通過(guò)定義時(shí)間序列對(duì)象來(lái)描述水文對(duì)象隨時(shí)間變化的特性,將水所處環(huán)境的空間信息同水的測(cè)量值的時(shí)間信息相關(guān)聯(lián),組成一個(gè)完整的水文信息系統(tǒng);(5)數(shù)據(jù)模型應(yīng)能表征地理空間水文對(duì)象的三維、時(shí)變和多尺度特征。在水文水資源數(shù)據(jù)模型中,地理空間被表達(dá)為一個(gè)具有相互關(guān)系的水文對(duì)象集。每個(gè)水文對(duì)象不僅具有空間位置、特征屬性和時(shí)間特征,而且與其它對(duì)象之間具有拓?fù)潢P(guān)系和語(yǔ)義關(guān)系。所有這些信息在數(shù)據(jù)模型中都處于同等重要的地位,其中起著連接作用的是水文對(duì)象本身。在描述一個(gè)水資源系統(tǒng)時(shí),根據(jù)對(duì)象的形狀特點(diǎn),將基本的地理空間數(shù)據(jù)特征劃分為5種基本類型,主要有:①水文邊線(HydroEdge),代表河流水系及水體的中心線;②水文結(jié)點(diǎn)(HydroJunction),代表河段的端點(diǎn),以及河流水系上重要的位置;③水體(Waterbody),水系統(tǒng)中重要的池塘、湖泊、港灣;④流域(Watershed),將陸地上的水匯集到河道或水體的區(qū)域;⑤監(jiān)測(cè)點(diǎn)(MonitoringPoint),代表水位、流量、雨量、水質(zhì)測(cè)量地點(diǎn)和其它一些重要水利工程的具體位置。在這些基本類型中,水體、流域以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)都通過(guò)關(guān)系和水文結(jié)點(diǎn)發(fā)生聯(lián)系。這種關(guān)系是“一對(duì)多”的,即一個(gè)水文結(jié)點(diǎn)可以和一個(gè)或幾個(gè)類型中的對(duì)象相聯(lián)系。例如,兩個(gè)流域可匯合在河網(wǎng)上的同一個(gè)結(jié)點(diǎn)。時(shí)間序列對(duì)象主要用來(lái)表征水文地理空間中水文對(duì)象隨時(shí)間變化的屬性,如雨量站的降水時(shí)間序列、河道站水位和流量的時(shí)間序列、土壤植被在不同時(shí)期的特征等,這些信息在水資源管理中是非常重要的。在水文水資源數(shù)據(jù)模型中構(gòu)建時(shí)間序列對(duì)象能克服現(xiàn)有的GIS軟件僅局限于對(duì)空間屬性的表達(dá)和分析上這一缺陷,同時(shí)與空間屬性特征結(jié)合,能對(duì)水文現(xiàn)象隨時(shí)間變化特征和規(guī)律的認(rèn)識(shí)提供有效的手段。地理空間水文對(duì)象的三維特性及其相互間的語(yǔ)義關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系一直是GIS在水文水資源應(yīng)用研究的熱點(diǎn),雖然在水文水資源數(shù)據(jù)模型中占據(jù)很重要的位置,但本文的重點(diǎn)在于對(duì)水文水資源數(shù)據(jù)模型的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行探討和研究。3“水文信息系統(tǒng)”的定義傳統(tǒng)的水文水資源數(shù)據(jù)僅僅是指描述水文水資源現(xiàn)象,如徑流、水質(zhì)以及蒸發(fā)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。而隨著地理信息系統(tǒng)在水文水資源中應(yīng)用的普及,水文水資源數(shù)據(jù)也開(kāi)始包括描述陸地水文水資源特征的地理空間數(shù)據(jù)。在這種情況下,“水文信息系統(tǒng)”就被定義為支持水文分析和模擬的地理空間數(shù)據(jù)以及描述水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程的時(shí)間序列數(shù)據(jù)的合成。為了完整地描述“水文信息系統(tǒng)”,在數(shù)據(jù)組織過(guò)程中,GIS水文水資源數(shù)據(jù)模型將水文水資源數(shù)據(jù)劃分為4個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集,即水文網(wǎng)絡(luò)(HydroNetwork)、流域水系(DrainageSystem)、河道(Channel)、其它水文地理信息(Hydrograph)和一個(gè)時(shí)間序列對(duì)象(Timerseries)。3.1水文對(duì)象的多對(duì)象化為了更有效地表示水文對(duì)象之間的相互關(guān)系,GIS水文水資源數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須能夠反映數(shù)據(jù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),同時(shí)又要有效完整地表達(dá)各種水文對(duì)象。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù),可以實(shí)現(xiàn)上述要求,進(jìn)行GIS水文水資源數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。面向?qū)ο驡IS水文水資源數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是水文抽象數(shù)據(jù)類型的定義,它具有很強(qiáng)的層次特性,其層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)面向?qū)ο蟮腉IS水文水資源數(shù)據(jù)模型的組成,數(shù)據(jù)模型中的抽象類可定義為:水文要素類、水文網(wǎng)絡(luò)類、流域要素類、河道要素類以及其它的水文地理信息要素類等。利用分類、聯(lián)合、聚集和繼承等方法,能夠創(chuàng)建各個(gè)對(duì)象數(shù)據(jù)集中的具體水文對(duì)象。水文要素類定義了兩個(gè)屬性:水文要素ID(HydroID)和水文代碼(Hydrocode),它們能代表和區(qū)分所有水文對(duì)象。在地理信息水文水資源數(shù)據(jù)模型中,所有簡(jiǎn)單要素類都繼承了水文要素類,同時(shí)也繼承水文要素類的屬性。水文網(wǎng)絡(luò)類、流域要素類、河道要素類以及其它水文地理信息要素類從水文要素類中繼承,它們通過(guò)水文要素類建立關(guān)聯(lián),同時(shí)它們又表征了相應(yīng)對(duì)象集的共同特征。水文水資源數(shù)據(jù)模型中的所有水文對(duì)象都可以根據(jù)需要建立關(guān)系。水文抽象類的定義能夠很有效地表達(dá)地理空間中各個(gè)水文對(duì)象間的相互聯(lián)系,它是面向?qū)ο驡IS水文水資源數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)框架的骨干。3.2模型組成分析(1)水文內(nèi)部線類水文網(wǎng)絡(luò)是由水文邊線和水文結(jié)點(diǎn)所組成的幾何網(wǎng)絡(luò),水文邊線和水文結(jié)點(diǎn)的拓?fù)渎?lián)系可以用來(lái)追蹤從上游到下游經(jīng)過(guò)溪流、河道和水體的水流運(yùn)動(dòng)。因此水文網(wǎng)絡(luò)能夠描述流量穿過(guò)河流和其他水體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性。水文邊線類在水文網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)水文結(jié)點(diǎn)連接邊線組成邊線網(wǎng)絡(luò),其類對(duì)象結(jié)構(gòu)如圖3所示。水文邊線含有兩個(gè)子類型:流量線類和岸線類,流量線類主要由單線河、雙線河的中線和水體的中線組成,岸線通常指的是雙線河的兩岸、內(nèi)陸水體的邊線以及海岸線。如果在水文地理數(shù)據(jù)庫(kù)中,雙線河和水體沒(méi)有流量線,必須重新數(shù)字化生成流量線,否則將破壞水文網(wǎng)絡(luò)的整體連續(xù)性。在網(wǎng)絡(luò)中流量是沿著流量線流動(dòng),而不是沿著岸線流動(dòng)。由于邊線類是通過(guò)復(fù)雜的邊屬性類繼承而建立的,水文結(jié)點(diǎn)能夠被加到水文邊線類的內(nèi)部,而沒(méi)有必要切斷任何的水文邊線。水文邊線類是多邊形線量度要素,即它的控制頂點(diǎn)有三維(x,y,m)坐標(biāo)體系,其中m是沿著水文邊線的量度位置。水文結(jié)點(diǎn)類包括了水文邊線間的結(jié)點(diǎn)和其它一些對(duì)于水文網(wǎng)絡(luò)分析至關(guān)重要的點(diǎn),例如排水區(qū)域的出口、河道測(cè)站的位置以及其它要素,其類對(duì)象結(jié)構(gòu)如圖4所示。水文結(jié)點(diǎn)可用來(lái)代表水源、排水口、河道測(cè)站和其它相應(yīng)的用戶自定義位置。由于在水文網(wǎng)絡(luò)中每一要素都同排水口相關(guān),所以在所有的結(jié)點(diǎn)中,排水口在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)中具有十分重要的地位。(2)流域要素類的作用水和陸地表面相互影響,陸地表面決定了水流通過(guò)地表的流向,而水流的侵蝕改變了地表的形狀。溪流、河道和水體一般位于地表的峽谷和凹地上,水流從地表的邊緣和地勢(shì)高的地方往下流形成了流域水系。流域水系對(duì)象數(shù)據(jù)集含有流域點(diǎn)、集水面積和流域線3個(gè)對(duì)象類,其對(duì)象模型如圖5所示。流域要素類用來(lái)表征流域水系中各對(duì)象共同特征,是從水文要素類繼承的一個(gè)抽象類,為流域水系的點(diǎn)、線、面要素之間提供關(guān)聯(lián),并且允許在分析數(shù)字高程模型時(shí),水文水資源數(shù)據(jù)模型中的矢量要素與用于創(chuàng)建它們的流域柵格要素相關(guān)聯(lián),來(lái)支持流域的水文分析與模擬。流域點(diǎn)主要是指流域上河網(wǎng)的出口,流域線是指流域河網(wǎng)上的線條。在水文模型研究和使用數(shù)字高程模型分析地形中,精確的流域點(diǎn)和線是不可缺少的一部分。流域線可從一個(gè)地形圖中手工描繪、也可從一個(gè)柵格化的數(shù)字地圖中數(shù)字化得到、或者通過(guò)使用數(shù)字高程模型的柵格數(shù)據(jù)來(lái)決定。流域線同水文網(wǎng)絡(luò)中的水文邊線之間有很密切的關(guān)聯(lián),但是沒(méi)有必要在空間位置上一致。事實(shí)上在數(shù)字化地圖過(guò)程中,如果得不到一個(gè)合適的河網(wǎng),利用流域線也能夠構(gòu)成一個(gè)很好的水文網(wǎng)絡(luò)。集水面積是用來(lái)描述任何關(guān)于流域面積的要素總稱,根據(jù)不同定義和劃分流域方式,它可被劃分不同級(jí)別的子類,用于描述特殊類型的流域。(3)文保關(guān)系的對(duì)象模型由于河流對(duì)于人類活動(dòng)和生活質(zhì)量都具有非常重要的意義,人們一直在致力于提高對(duì)河流的自然屬性和活動(dòng)的認(rèn)識(shí),關(guān)于河流的大量數(shù)據(jù)已經(jīng)被收集,如河流的生態(tài)、水量、水質(zhì)、周圍的居民地和洪水的潛在資源等。在面向?qū)ο蟮腉IS水文水資源數(shù)據(jù)模型中,河道對(duì)象數(shù)據(jù)集能有效地存儲(chǔ)、管理和提取河流的重要數(shù)據(jù),并提供了標(biāo)準(zhǔn)的方法去表征河道剖面線和河道斷面,使得在GIS中更容易提取河道信息和實(shí)現(xiàn)可視化。河道對(duì)象數(shù)據(jù)集能對(duì)河道的形態(tài)進(jìn)行三維表示,常用于洪災(zāi)、河流生態(tài)和形態(tài)的研究上。河道對(duì)象數(shù)據(jù)集含有剖面線類、斷面類和斷面點(diǎn)對(duì)象類,對(duì)象模型如圖6所示。河道要素類是從水文要素類繼承得到的抽象類,用來(lái)表示河道水文對(duì)象的共同特征。剖面線一般與和河道流量平行的線,比如河谷底線和河岸線等;斷面線一般是同流量方向垂直的一條線。某一區(qū)域河道的相關(guān)信息可通過(guò)使用現(xiàn)代的測(cè)量技術(shù)獲得,也可從數(shù)字高程模型或不規(guī)則三角網(wǎng)狀的數(shù)字地表模型中提取數(shù)據(jù)獲得。河道斷面線是一個(gè)三維的多邊形線量度要素,在該要素中,線上的每個(gè)頂點(diǎn)都有坐標(biāo)(x,y,z,m)。坐標(biāo)(x,y)給出了頂點(diǎn)在地平面上的具體位置,z代表垂直基準(zhǔn)面上的高程,m是指斷面尺寸。剖面線是對(duì)河道縱向的剖視,通常是水流方向的平行線。幾種常見(jiàn)的剖面線:河谷底線、河岸線、洪水線和流量線等,河谷底線是指通過(guò)河道每一斷面最低點(diǎn)的剖面線;河岸線是河道每一邊水面同陸面的交線;洪水線是當(dāng)河漫灘或者是洪泛區(qū)發(fā)生洪災(zāi)的時(shí)候,在河漫灘或者洪泛區(qū)上能夠代表洪水水流方向的洪水過(guò)程線;流量線是與流量的方向相同的線。河谷底線和河岸線可以從高分辨率的正投影數(shù)字圖片或地圖數(shù)字化得到,或者通過(guò)人工測(cè)量得到。同河道斷面一樣,剖面線也是三維的多邊形線量度要素,線上的每個(gè)頂點(diǎn)都有坐標(biāo)(x,y,z,m),m坐標(biāo)是剖面量度,或者說(shuō)是河流長(zhǎng)度的測(cè)量值。斷面點(diǎn)對(duì)象類存儲(chǔ)斷面點(diǎn)數(shù)據(jù),并且通過(guò)屬性斷面代碼同河道斷面相關(guān)聯(lián)。雖然一個(gè)簡(jiǎn)單的斷面線表征了一個(gè)斷面的位置,但是幾個(gè)斷面點(diǎn)也能夠?qū)拥肋M(jìn)行幾何描述。如果斷面的幾何特征被存儲(chǔ)為斷面點(diǎn),斷面要素的高程(z)坐標(biāo)和量度(m)坐標(biāo)就不應(yīng)該被賦值,以避免產(chǎn)生混淆。(4)水文面要素的應(yīng)用其它水文地理信息包括水文地理信息地圖上點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)圖層、從數(shù)據(jù)詳細(xì)目錄列表中獲得的點(diǎn)要素以及用來(lái)說(shuō)明陸地表面水文循環(huán)中水垂直變化過(guò)程的水文響應(yīng)單元。點(diǎn)要素可能包括測(cè)站、取水點(diǎn)、排水點(diǎn)、壩、橋、建筑物、自定義點(diǎn)等;線要素有自然河流、人工運(yùn)河、溝渠、輸送地下水的管道、表征湖泊及其它水體的人工繪制的路線等,當(dāng)然,在實(shí)際水文網(wǎng)絡(luò)中還有更多種類型的水文線要素,如廢棄的水池、不屬于河網(wǎng)的湖泊、海岸線、島嶼的邊線、公路、城鎮(zhèn)邊界線、流域機(jī)構(gòu)管轄區(qū)域的邊界線、城市界線等;水文面要素是一個(gè)多邊形要素,表征地圖上的具有面積屬性的對(duì)象,常見(jiàn)的水文面要素有縣轄區(qū)、其它管轄區(qū)域、洪泛區(qū)、水體、水體中的島嶼等。另外值得一提的面要素還有水文響應(yīng)單元,水文響應(yīng)單元用來(lái)表征進(jìn)行地表水量平衡核算的特征面積,通常由土壤和陸地覆蓋的多邊形交叉組成,也可以由氣候網(wǎng)格、行政區(qū)劃和流域的邊界線以及地下蓄水層的邊界線組成。一般認(rèn)為,每一個(gè)響應(yīng)單元有相同的屬性,這些屬性可以用來(lái)描述將陸地表面降雨劃分為地表徑流、蒸發(fā)和滲透的整個(gè)過(guò)程。上述各種水文地理信息要素是對(duì)面向?qū)ο蟮腉IS水文水資源數(shù)據(jù)模型完整地表達(dá)水文地理空間的補(bǔ)充,是面向?qū)ο蟮腉IS水文水資源數(shù)據(jù)模型不可缺少的一部分,所有這些要素都以相應(yīng)的形式被標(biāo)注在地圖上,為觀察者提供一個(gè)空間參考。(5)時(shí)間序列對(duì)象的確定地理信息水文水資源數(shù)據(jù)模型的地理空間要素主要描述了水體的運(yùn)行環(huán)境,即水流運(yùn)動(dòng)所經(jīng)過(guò)的一個(gè)自然環(huán)境。在任何空間位置,對(duì)水流的特性(如流量、水質(zhì)等)的描述是非常需要和重要的,而對(duì)于水流特性所對(duì)應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo)來(lái)說(shuō),也是一個(gè)很重要的特征,數(shù)據(jù)模型中的時(shí)間序列對(duì)象就是專門用來(lái)存儲(chǔ)含有時(shí)間序列的水文要素,時(shí)間序列對(duì)象的核心模塊包含有兩個(gè)對(duì)象類:時(shí)間序列類和序列類型對(duì)象類,對(duì)象模型如圖7所示。時(shí)間序列對(duì)象類中水文要素ID值為描述時(shí)間序列值的水文對(duì)象的水文要素ID,序列類型ID用來(lái)確定時(shí)間序列對(duì)象的類型,如降水量序列、流量序列、蒸發(fā)量序列等,同序列類型對(duì)象類有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。序列類型對(duì)象描述序列類型ID的時(shí)間序列的詳細(xì)信息,如變量、單位、時(shí)段是否規(guī)則、時(shí)段長(zhǎng)、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)來(lái)源等。每一個(gè)要素在時(shí)間序列表中都有一個(gè)時(shí)間標(biāo)志,這個(gè)標(biāo)志存儲(chǔ)在時(shí)間序列表中的時(shí)間字段,該字段是標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間類型,包含了日期和時(shí)間信息。由水文要素ID,序列類型ID和時(shí)間可以共同確定水文要素的數(shù)據(jù)值。3.3水文網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建水文網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只是點(diǎn)和線的連接,而在水文水資源應(yīng)用中,集水面積也往往起到很重要的作用,因此非常有必要將集水面積和水文網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起。建立集水面積和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系的最簡(jiǎn)單的一種方式就是建立集水面積和位于該水體下游出口的水文結(jié)點(diǎn)之間的某種關(guān)系,具體的做法就是將水文結(jié)點(diǎn)的水文要素ID屬性值賦給集水面積的結(jié)點(diǎn)ID屬性值。事實(shí)上,建立其他對(duì)象和水文網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系都可以采用“HydroID-to-JunctionID”這種方式。例如,將網(wǎng)絡(luò)上某個(gè)水文連接點(diǎn)的水文要素ID屬性值賦給距離最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)ID屬性,這樣來(lái)建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系。流域水系通過(guò)分析陸地表面地形來(lái)定義集水區(qū)域,通常利用數(shù)字高程模型(DEM)來(lái)分析地表的水流方式和到出口斷面的集水區(qū)域。一般來(lái)說(shuō),使用高精度數(shù)字高程模型的柵格分析實(shí)際上只適用于區(qū)域性的水文水資源研究,但是可以將流域水系集水區(qū)域柵格分析的結(jié)果同水文網(wǎng)絡(luò)的矢量分析相結(jié)合,共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)流域的水文水資源研究;同樣將河道三角形不規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)同水文網(wǎng)絡(luò)的矢量分析相結(jié)合,能實(shí)現(xiàn)對(duì)整條河流連續(xù)性的描述。時(shí)間序列對(duì)象主要通過(guò)水文要素ID同數(shù)據(jù)模型其它組成部分建立關(guān)聯(lián)。通過(guò)所建立的關(guān)聯(lián),水文對(duì)象的時(shí)間序列可以看成是該對(duì)象隨時(shí)間變化的一個(gè)動(dòng)態(tài)屬性。4文化景觀資源數(shù)據(jù)庫(kù)清豐山流域位于東經(jīng)115°30′～116°00′與北緯27°40′～2