数字流域综述

数字流域综述
第1章概述
1998年1月31日美国前副总统戈尔在加利福尼亚科学中心做的题为“数字地球：展望21世纪我们这颗星球”的长篇演讲中首次提出了“数字地球”的概念，引起了世界各国的广泛重视，并纷纷制定出本国相应的对策。

我国政府对这个问题也非常重视，中国国家主席江泽民在接见中国科学院第九届院士大会和中国工程院第四次院士大会部分院士和外籍院士时讲话指出：“当今世界以信息技术为主要标志的科技进步日新月异，初见端倪的知识经济预示人类的经济社会生活将发生巨大变化，前几年提出了信息高速公路，随后又提出知识经济，最近美国又提出数字地球的概念，真可谓日新月异。

”
但科技界至今尚未有关于“数字地球”的确切学术定义。

戈尔在他的文章里指出：“‘数字地球’是一种关于地球的可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的三维表示”。

我国大部分学者认为：“数字地球”是对真实地球及其相关现象的统一性的数字化重现和认识，它包括构成体系的数字形式的所有空间数据和与此相关的所有的文本数据，及其涉及到的把数据转换成可理解的信息并可方便地获得它的一切相应的理论和技术。

也有的学者认为：“数字地球”是指信息化的地球，或者说是地球的虚拟对照体。

伴随着“数字地球”的提出，数字流域也随之产生，数字流域是“数字地球”的重要组成部分，数字流域的建设是对流域的开发与管理的必要途径，是“数字地球”流域数字化建设的重要一环。

数字流域是建立在流域尺度上以水为纽带的复杂系统。

李纪人指出：数字流域可以理解为在数字模拟环境下的表达和再现，它以空间坐标为框架，以空间技术为主要手段，是流域信息资源采集整合、管理更新、共享服务和开发利用的支撑平台。

国外发达国家数字流域研究与应用起步较早，数字流域与流域管理紧密结合，随着计算机等现代科学技术的发展，从数字化、建模、系统仿真到虚拟现实，历经30多年时间，现代科学技术在传统水利的应用得到充分体现，美国、加拿大、
日本、澳大利亚以西欧发达国家在流域自然管理、现代工程管理上，数字流域技术都发挥了很大的作用。

尽管世界各国的河流差异很大，但是实现流域的现代化管理是各国发展和追求的共同目标。

我国的数字流域建设尚处于初始阶段，数字流域所涉及的关键技术尚不成熟、相关设施还不完善，数字流域的建设任重而道远，因此，加强对数字流域的研究迫在眉睫。

数字流域的研究对流域数字化管理及“数字地球”的建设都具有十分重要的意义。

第2章数字流域的基本框架
广义地说，所谓数字流域，就是综合运用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、虚拟现实(VR)、网络和超媒体等现代高新技术，对全流域的地理环境、基础设施、自然资源、人文景观、生态环境、人口分布、社会和经济状态等各种信息进行数字化采集与存储、动态监测与处理、深层融合与挖掘、综合管理与传输分发，构建全流域可视化的基础信息平台和三维立体模型，建立适合于全流域各不同职能部门的专业应用模型库和规则库及其相应的应用系统，在此基础上，研制和开发各级政府领导部门综合管理整个流域，并进行宏观决策的计算机应用系统，是实现全流域各类信息的可视化查询、显示和输出，将整个流域在计算机上虚拟再现，为各级政府主管部门对全流域的综合规划、设计、建设、管理和服务等提供辅助决策依据和手段，为社会公众提供关于流域信息服务的大型系统工程。

而狭义地讲，数字流域是将上述广义数字流域的研究对象只局限于流域的水电能源范畴，为全流域的水利水电部门应用和服务的计算机管理与应用系统。

“数字流域”的实质就是对流域过去、现在和未来信息的多维描述。

“数字流域”的研究内容是综合处理流域的空间、地理、气象、水文和历史信息，应用模拟、显示等技术手段，描述流域过去、现在和未来的各种行为，并为流域管理提供决策支持。

“数字流域”建设着眼全局，用数字化的手段刻画整个流域，以覆盖全流域的整体模型作为基础，模拟流域运动变化的现象和过程，处理大量的流域信息，揭示河流运动变化的规律，预测河流某些特定行为，服务于流域管理实践。

综合前人的观点，可以对数字流域的整体框架作如下的描述：(1)数字流域整
体框架包含三层，即数据层、模型层、应用层；(2)数据层包括数据采集、数据管理、数据挖掘和数据分析，数据仓库技术是本层的核心技术；(3)模型层是由能够模拟流域某种现象或行为的各种功能模块组成，由这些模块构成的完善的模型系统理论上可以模拟流域的所有行为，实际上现有的模型系统只能模拟有限的行为，因此需要不断地完善和丰富它，模型库技术是本层的核心技术，数据层是模型层的基础；(4)应用层在数据层和模型层的基础上提供两种类型的服务，即数据提供和决策支持，数据提供服务包括各种形式的数据查询和显示，决策支持服务是在数据层数据和模型模拟结果数据的基础上综合应用专家知识库和各种评价体系进行决策评价，并给出处理方案，本层的核心技术是决策支持技术。

总之，数字流域的建设，数据是基础，模型是核心，应用是目标。

第3章基础数据信息平台
基础数据信息平台是数字流域信息来源和数据基础，是数字流域系统的最底层。

数字流域基础信息平台是将流域内的各种信息通过3S、网络技术、多媒体等进行数字化的采集和存储，分别建立流域各类信息的空间数据库，构建一个基于GIS 的，数据可视化的，具有全流域基本信息的数字信息平台。

当前，我国数据基础信息平台主要围绕着数据采集、数据传输、数据处理、数据管理可视化展开。

流域信息采集所采用的主要手段为遥测、遥感技术；信息传输主要采用微波、超短波、光缆、卫星等技术。

数据库技术和数据可视化技术是当前数字流域基础信息研究的关键点。

3.1 数据采集与交换系统
“数字流域”首先需要有大量符合实际的数据，所以“数字流域”的最低层是数据采集与交换系统。

数据按来源分为内部数据和外部数据。

内部数据是水利行业内部产生的数据，由水利行业采集、处理和维护。

内部数据通过自动或手工采集方式获取。

外部数据指由其它行业产生的、对水利行业的业务管理具有使用价值的数据。

外部数据通过信息交换获取。

中国国家测绘局先后于1994年和1998年底建成了全国1∶100万和1∶25
万地形数据库，数字高程模型库、地名数据库。

其中全国1∶25万地形数据库包括水系、交通、境界、居民点、地形、植被等14层要素，DEM库分为100m×100m格网和3″×3″格网两种。

近几年随着国家空间信息基础设施建设的发展，1∶10万的地形图已在全国范围内建立；全国1∶5万DEM也在2002年建设完成；部分地区还建立了1∶1万的地形图。

遥感图像是流域下垫面信息的一个重要来源。

我国已在大部分地区获取了大比例的航空摄影照片，并发射了回收式国土资源卫星，收集了丰富的卫星图像。

中科院卫星遥感地面站定期接收美国陆地卫星(Landsat)图像，基本覆盖我国国土。

我国自行研制和发射的“风云一号”气象卫星，分辨率为1km，这些为我国的自然资源合理开发和生态环境规划提供了大量的原始数据。

1999年10月14日，中巴“资源一号”卫星发射升空，结束了中国资源卫星数据单纯依赖国外卫星的历史。

2003年10月21日，中巴地球资源卫星(CBERS)02星发射升空，图像空间分辨率达到20m。

气象信息是流域信息的重要组成部分。

测雨雷达和卫星联合可以获得大尺度流域的降水场。

目前，美国已建成了由120多台高质量多普勒雷达组成的称为NEXRAD系统的覆盖全美的测雨雷达网，能够提供时段小至5min、空间分辨率小于1km2的雨量估计值。

我国目前已在长江三峡区间和黄河小浪底-花园口区间等重点防洪地区建成了测雨雷达系统，全国性的测雨雷达系统也在筹建之中。

3.2 通信和计算机网络平台
大量的数据需实时汇合，并供各类应用所使用。

通过使用卫星、微波、公用数据通信网、快速以太网等多种通信和网络技术组建集广域网、城域网、局域网一体的、连接所有系统用户的、高速的、可靠安全的计算机网络系统，来满足这方面的需要。

广域网以国家公用数据通信网络为主，卫星、微波等专网为辅组建通信子网，用于连接上下级水利部门；城域网原则上采用所在城市的公用数据通信网络为通信子网，少量采用专线连接，用于各地水利单位和直属部门、当地政府及相关部门的连接；局域网用于单位内部的计算机互联，主要采用高速交换式网络技术实现。

3.3 数据汇合系统
数据汇合系统主要负责按照一定的规则接收各种采集和交换来的数据，并进行预处理，以标准格式提交给空间数据库集，主要功能有数据接收与验证，数据手工录入，数据修改，数据格式转换等内容。

通过数据汇合系统可以屏蔽从不同数据来源所得到数据之间的差异，并保证数据的正确性和一致性。

3.4 空间数据库集
空间数据（Spatial Data）是指用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据。

空间数据适用于描述所有呈二维、三维甚至多维分布的关于区域的现象，空间数据不仅能够表示实体本身的空间位置及形态信息，而且还能表示实体属性和空间关系（如拓扑关系）的信息。

“数字流域”所管理的是海量的多维数据，即空间数据。

空间数据与传统的数据相比，其复杂度成倍增长。

空间数据库技术是对空间数据的存储、管理、处理的有效技术，利用空间数据库集来管理“数字流域”的数据能达到事半功倍的效果。

3.5 数据可视化
数据可视化技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。

它是可视化技术在非空间数据领域的应用，使人们不再局限于通过关系数据表来观察和分析数据信息，还能以更直观的方式看到数据及其结构关系。

当前流行的3D 数字可视化技术主要有open-GL、DirectX、Java3D 以及VRML，它们各具特色，从不同的程序应用接口提供给用户。

对水利所需要的三维可视化显示，所需要的数据量大、数据种类多的特点，国内学者也进行了大量的研究，基于GIS 平台与SDVS 结合、DEM、OSG、VR 的水利三维可视化研究以及动态数据可视化研究都在不同的水利需求中不断研究和发展。

随着“数字中国”、“数字长江”、“数字黄河”“数字城市”等工程的进展，
数据可视化技术在我国得到了广泛应用，得到不断进步，但从总体上来说，与国外先进水平相比还有相当的差距。

第4章数字流域模型
专业模型系统是数字流域的核心和发动机。

专业模型的应用提升了我们对流域控制能力，模型的研究是我们掌握流域自然机理的必要一步。

当前，各专业模型的研究和应用比较广泛，部分已经应用到流域整体或局部的管理和开发中来。

4.1 DEM提取流域特征
数字流域模型建立的第一步是流域河网的数字化提取和数字化表示，国外对于这方面的研究比较多，主要是利用数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)计算得到D8流向文件，然后根据流向分析得到流域的河网、边界以及子流域的划分情况。

它的前提是一个网格的水流只能流向它周围的八个方向，水流只沿着网格单元周围坡度最陡的方向流动。

利用最陡坡度法来确定具体水的流向后，计算中心栅格与其周围栅格间的距离权落差，这里的距离权落差指的是栅格中心点落差除以栅格中心点之间的距离，然后比较计算结果，最后选取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格，即是该点最后的流向。

这种方法目前的应用表明在一些山区地区尤其是落差比较大的流域应用的结果比较理想。

所示。

Martz和Garbrecht对这种方法做了比较深入的研究，并且用Fortran 语言开发了DEDNM(Digital Elevation Drainage Network Model)程序模块。

任立良基于全球1km分辨率高程数据，利用DEDNM提取了长江三峡万县-宜昌区间的河网水系，结果与1∶10万地形图上的水系一致。

李春红等基于辽河水系老哈河流域栅格DEM数据，分别采用DEDNM、RiverTools、ArcView软件提取水系信息，构建数字流域，并分析比较了三者在凹陷区域识别、水系、子流域及其拓扑关系生成方面的差异。

4.2 流域水文模型
我国已经有相当多的分布式水文模型应用到不同的流域中，如在大尺度流域
中，杨大文和许继军分别将分布式水文模型应用到黄河和长江流域中，大型流域管理往往是多目标多任务的，因此在构建数字流域模拟系统就必须要考虑多目标任务所需要的多尺度水文模拟问题，多尺度水文模型的研究是制约水文模型应用的关键因素，也是大流域水文模拟所面临的关键问题。

大部分的水文模型最初都是在小流域中获得成功的，将水文模型从小尺度移植到大尺度上，一些水文机理就可能发生变化。

另外，当大尺度水文模型应用到小尺度流域时，模型模拟的精度无法得到保障。

许继军提出的空间嵌套式的水文模型，正是在不同的区间采用不同尺度的分布式水文模型，并使用水动力学模型和水文模型结合进行衔接，使不同尺度的水文模型完成多尺度的嵌套。

在分布式物理模型的研究方面，1969年，Freeze和Harlan设想出了物理水文模型的框架。

后来出现很多分布式物理模型，其中有代表性的是SHE模型(Systeme Hydrologique Europeen)，英国的IHDM模型(Institute ofHydrology DistributedModel)、美国农业部农业研究中心的SWAM模型(Small Watershed Model)以及Beven和Kirby提出的TOPMODEL等。

SHE模型实际上是一个模型系统，这个系统是开放式的，可以增加需要的模型，或将新出现的模型加入到SHE 中去，这样的模型系统结构与传统模型结构相比有很大的灵活性。

IHDM模型主要用于分析小流域上不同的土地利用方式对洪水的影响。

SWAM模型主要用于分析小流域上不同的土地管理活动对流域水文特征及化学特征的影响。

TOPMODEL将数字地形模型(DTM)与地理信息系统(GIS)结合起来，充分利用容易获取的地形资料，不但结构简单，优选参数少，而且与观测的物理水文过程有密切联系。

Bandaragoda将TOPMODEL应用于包含空间分布的子流域的河系网络，提出了网络版的TOPMODEL，即TOPNET。

TOPNET被应用在美国中部伊利诺伊河(Illinois River)的Tahlequah附近，模型计算的结果与观测值吻合得比较好。

国内李宏益把TOPMODEL应用在北京潮白河流域。

4.3 虚拟仿真技术
虚拟仿真是数字流域另一个重要功能。

数字流域的实质就是对流域过去、现在和未来信息的多维描述，数字流域模型可以再现流域的历史，预测流域的未来，但它的模拟结果绝大多数都是以数据的形式给出，不是很直观。

数字流域虚拟仿
真的目的就是把各种类型的数据结果用人们能够直观感受的形式表现出来。

近年来，数字流域三维仿真技术获得了较快的发展。

周晓峰和王志坚研究了数字流域的数据共享机制；祝烈煌和周洞汝研究了数字流域三维可视化及其基本要素的提取技术；张尚弘等进行了粒子系统模拟流场的研究；袁艳斌等研究了流域地理景观生成中的纹理映射技术；董文峰等实现了三维仿真地形上的洪水淹没动态模拟过程。

在三维仿真技术研究的基础上，开发了一些三维仿真软件。

国内有北京灵图软件技术有限公司的VRMap，国外有OpenGVS，OpenGVS是世界上第一个通用工作站平台的3D视景管理软件；Fuhrmann还介绍了一种水文数据的显示软件HydroVIS，但只在小流域应用过。

数字流域的虚拟仿真在国内的应用日渐增多。

王光谦等在黄河流域水量调度系统中应用了三维查询仿真技术；张尚弘等建立了三峡坝区的虚拟查询系统；王玲等建立了清江隔河岩水库和水布垭地段的三维场景；王雪梅等用ERDAS IMAGINE的Visual GIS模块进行了黑河流域的三维飞行模拟。

第5章数字流域应用系统
应用平台是数字流域的控制管理和决策平台，是数字流域的最高层次平台。

应用平台是建立在全面分析流域信息的基础上，综合考虑各方面的因素，根据所建立的决策模型和决策支持系统，制定相应的实施措施。

国际上发达国家在“数字流域”方面的研究和应用起步较早，并已在实际工程和管理中发挥了重要的作用，收到了巨大的效益。

美国、欧洲、澳大利亚、日本和加拿大的流域管理中，“数字化”程度都比较高。

美国在密西西比流域已建立了完善的水情自动测报网络系统、防洪自动预警系统及实时监测系统，同时以气象预报模型、降雨-径流模型、河道水流演算模型为基础建立了“河流水情预报系统”，不仅提供1～5d的短期洪水预报，而且提供中长期(旬、月、季节)的水情概率预报，能够用于防洪减灾和水资源的管理。

欧洲流域现代管理主要体现在监测、数据采集、传输、数据库的建立和决策支持应用软件的开发应用上。

CRISTAL洪水预警、预报系统是欧洲用于洪水预报较为成功的典范，在卢瓦尔(Loire)等河流上进行了广泛应用；NASIM降水径流模型在欧洲枯水期水管理方面应用也较为广泛。

澳大利亚的墨累——达令(Marrury-darling)河流域属干旱和
半干旱地区，流域面积比黄河还大，径流量不足黄河的一半，其流域管理的主要任务是：水质监控、水量分配、水权交易、水资源的实时调配。

配水流量的监测和控制主要是通过大、中型闸门的流量测量实现的，因此墨累——达令河流域在闸门系统的数字化管理上比较先进。

同时他们还开发了功能比较齐全的灌区配水系统软件。

此外，日本在1999年12月底正式启用了第三代河流信息系统，加拿大在弗瑞瑟(Fraser)河流域建立了与美国相似的河流监测体系。

国内自张勇传院士提出数字流域并应用于数字清江的建设以来，2000 年前后经历了一段时间的数字流域热，各大小流域管理机构纷纷提出建设数字流域、进行数字流域平台的顶层设计。

我国先后开展了数字清江、数字黄河、数字长江、数字海河等几大流域的信息化建设工作，也取得了一些成效。

第6章总结与展望
数字流域是流域建设的目标，是建设智慧流域的重要步骤。

现阶段我国流域建设进入一个新的阶段，特别是2011年中央一号文件加大了对水利事业的支持，数字流域的建设也将进入另一个高潮期，国内的数字流域研究还处于起步阶段，相比较国外的还有不小的差距，特别是在先进技术的应用、模型的开发、信息的管理、部门的协调等方面还有很多的问题。

当前数字流域研究需要解决的问题就是在大范围、全流域上建立起具有应用价值的数字流域模型。

在研究我国流域的基础上，加强对流域基础信息的处理、流域各专业模型的开发以及应用平台的建设，同时解决数字流域研究中的问题，协调各个平台之间的联系，对我们的流域开发和管理都会有重要的作用。