第51卷增刊（2）2020年12月
人民长江Yangtze Ｒiver Vol．51，
Supplement （Ⅱ）Dec．，2020
收稿日期：2020－06－04
基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC1508003）
作者简介：宫留留，男，工程师，硕士，主要从事水利信息化开发研究工作。E －mail ：172476032@qq．com
文章编号：1001－4179（2020）S2－0380－05
超标准洪水演变全过程的时空态势图谱系统设计
宫留留
1，2，3
，范青松1，2，3
，杨
坤
1，2，3
（1．长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010；2．长江空间信息技术工程有限公司（武汉），
湖北武汉430010；
3．湖北省水利信息感知与大数据工程技术研究中心，湖北武汉430010）
摘要：为提升超标准洪水灾害动态评估分析的可视化与实时反馈能力，采用地理信息系统、三维建模、数据库、H5等技术设计并开发了超标准洪水演变全过程的时空态势图谱应用系统。该应用系统包括流域自然景观、洪水灾害成因分析、洪水实时监测、洪水预报预警、数值模拟与灾害分析、洪水灾害风险评估与决策支持、水利工程综合调度等超标准洪水全过程的实时动态图谱，
通过“形（图形图像）－数（数值模拟）－模（专业模型）”一体化的时空态势图谱应用技术，三维模拟仿真技术和实时空间分析及快速展示技术，实现了基于时空态势图谱技术的流域模拟和洪水演变交互式推演，提升了超标准洪水灾害动态评估与风险调控模型动态分析与实时反馈能力。关
键
词：洪水推演；时空态势图谱；三维仿真；实时空间分析；动态可视化；超标准洪水
中图法分类号：TV122
文献标志码：A
DOI ：10．16232/j．cnki．1001－4179．2020．S2．096
我国洪水灾害频繁且严重，防洪安全问题一直是制约社会经济可持续发展的主要因素之一，特别在遭遇流域超标准洪水时，
经济损失严重、社会影响巨大，是防御的难点；加之气候变化、人类活动等因素影响，加剧了应对的艰巨性
［1］
。根据超标准洪水时空态势
图谱特征及类型，
时空态势图谱按照对象与性质划分，包括分类系统图谱、时间序列、空间格局系列；按照尺度分类，
包括全国尺度、流域尺度、子流域（或河段）尺度、
工程尺度（水库或水库）；按照应用主题分类，包括流域自然景观展示、
洪水灾害成因分析，流域超标准洪水实时监测、
洪水预报预警、洪水分析及模拟、洪水灾害风险评估及风险管理、水利工程综合调度及洪灾损失评估等；按照应用场景分类，
包括流域（或河段）模拟、洪水演进、交互式推演、洪水淹没分析以及洪灾损失评估等。同时，
时空态势图谱展示的主要内容是基础地理数据、
水利专题数据、社会经济数据以及洪水风险专题数据等。因此，
基于超标准洪水演变全过程的时空态势图谱体系的复杂性与数据的多样性，设计用于统一存储、
管理、可视化展示等的时空态势图谱应用系统至关重要。
本文针对超标准洪水演变全过程的时空态势图谱特征及类型的复杂性、
数据的多样性以及传统洪水风险图可视化能力不足进行需求分析，
确定统一存储与管理、
专题图、三维仿真场景构建、实时空间分析与快速展示的需求内容。通过系统总体架构设计、功能设计以及关键技术研究，
为超标准洪水演变全过程的时空态势图谱应用系统的开发提供了技术思路。
1需求分析
基于时空态势图谱的体系复杂性与数据多样性，
系统的总体目标是通过构建统一的应用系统完成时空态势图谱的存储、
管理以及可视化展示等，最终达到提升超标准洪水灾害动态评估分析可视化与实时反馈能力的目的，
因此，具体需求如下。（1）时空态势图谱统一存储与管理。通过数据库技术，
依据时空态势图谱的特征与分类创建实体数据库，
将基础地理数据、水利专题数据、社会经济数据和洪水风险专题数据进行入库处理，
然后提供界面化的
增刊（Ⅱ）宫留留，等：超标准洪水演变全过程的时空态势图谱系统设计管理工具，用于时空态势图谱的创建、删除以及基本信
息查看等，
完成时空态势图谱的统一存储与管理。（2）专题图。通过运用GIS 数据可视化方法的相关理论技术，
根据洪水态势图谱的展示内容和展示主题，
通过使用颜、透明度、夸张比、动态文字、图表、动画、
音频、视频、态势、效益、风险等方式对洪水演进态势进行增强表达，
以专题图的形式表达时空态势图谱，可提供等值线（面）图、饼状图、柱状图、散点图、动态地图、动态流场图、动态热力图、流向动态图等专题图
［5－6］
。（3）三维仿真场景构建。为弥补二维洪水风险图可视化能力不能满足流域超标准洪水灾害动态评估
与
风险调控的要求，
通过三维仿真场景的构建，结合洪水数值模拟，
可提高洪水态势演变全过程的可视化能力。通过集成高分辨率地形、设计模型、倾斜摄影模型等三维模型，
对水利工程进行三维建模［7－8］
，展示工程运用信息，
构建微观场景特效，对重点区域、城镇进行洪水淹没场景动态展示，
利用洪水在地形、倾斜摄影模型中的动态演进，
构建直观的洪水风险动态可视化，为决策提供重要技术支撑。
（4）实时空间分析与快速展示。运用GIS 技术提供强大的空间分析与计算服务，
提供可视化的操作界面完成实时空间分析，
包括叠加分析、缓冲区分析、统计分析、
空间量算、空间查询等，通过WebGIS 技术对空间分析结果快速可视化，
直观展示分析结果，达到实时分析与实时反馈的目的。
2系统设计2．1
总体架构
超标准洪水演变全过程的时空态势图谱应用系统
由资源层、
数据层、平台服务层（应用支撑层）、业务应用层、
标准规范体系、安全保障体系共同构成。图1为系统总体架构。
（1）资源层。①基础设施资源包括存储资源、网络资源和计算资源。②数据资源包括基础地理数据、三维模型、水利专题数据、社会经济数据和洪水风险专题数据。
（2）数据层。数据层设置4个实体数据库，基础信息数据库存储社会经济数据，
地理数据库存储基础地理数据，
三维模型数据库存储地形、设计模型和倾斜摄影模型数据，洪风险专题数据库存储洪水风险专题数据。
（3）平台服务层。即应用支撑层，设置数据服务和功能服务两部分。通过GIS 发布平台发布地图服务、
要素服务、影像服务和OGC 服务等。通过后台数据管理平台提供数据服务和计算服务。通过WebGIS 展示平台提供地图查询服务、地图查服务、实时数据可视化服务、实时数据分析处理服务、模型展示服务和基础数据查询服务
。
图1系统总体架构
1
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（4）应用层。根据洪水时空态势图谱的应用类型划分分别基于应用主题和应用场景构建应用层。基于应用场景提供流域模拟、河段模拟、洪水演进、交互式推演、洪水淹没分析及洪灾损失评估等应用场景。基于应用主题提供流域自然景观展示、洪水灾害成因分析、流域超标准洪水实时监测、洪水预报预警、洪水分析及模拟、洪水灾害风险评估、洪水灾害风险管理及水利工程综合调度等应用主题。
2．2技术选型设计
系统总体技术架构为B/S架构。采用前后端分离的开发模式，降低前后端代码耦合度，提高开发效率，具体技术选型如下。
（1）前端界面开发框架基于Vue．js，搭配UI界面库iView，开发组件化的单页面应用，保证界面风格统一，组件重复利用，优化开发效率，专题图中涉及到大量的图表展示，采用开源的ECharts图表渲染引擎进行渲染。
（2）后端采用Java作为开发语言，以主流的SSM （Spring+SpringMVC+Mybatis）为核心技术框架搭建后台服务。
（3）数据库的选择包括关系型数据库、地理数据库。关系型数据库采用目前最流行的MySQL进行时空态势图谱数据的组织、存储与管理，地理数据库采用开源的PostGIS进行空间数据的存储与管理，PostGIS 最大的特点是符合并且实现了OpenGIS的一些规范，是最著名的开源GIS数据库，同时，还提供了强大的空间分析接口服务。
（4）地图渲染引擎分别采用Openlayers和Cesium 完成二维、三维的可视化渲染。OpenLayers是一个开源的项目，可为互联网客户端提供强大的地图展示功能，包括地图数据显示与相关操作，并具有灵活的扩展机制，Cesium是一个基于WebGL的开源跨平台、跨浏览器的Javascript库，在三维地图可视化上有优越的展现性能。
（5）二维GIS服务器选择开源的GeoServer进行基础地理数据的服务发布，GeoServer是一个用Java编写的开源GIS软件服务器，允许用户共享和编辑地理空间数据，可以发布存储在任何遵守开放标准的空
间数据源中的数据，用于基础地理数据与遥感影像的服务发布。
（6）三维仿真场景的构建涉及大量三维模型的处理及发布，模型处理采用CesiumLab软件，Cesiumlab 是一款专为Cesium开源数字地球平台打造的免费数据处理工具集，主要处理地形、设计模型、倾斜摄影模型数据，模型发布采用静态资源的存储格式，可采用Tomcat或IIS服务器进行发布。
2．3系统功能设计
超标准洪水演变全过程的时空态势图谱应用系统不仅要满足多种时空态势图谱的存储、管理及可视化展示，还应该能体现洪水灾害监测、洪水预报预警、洪水数值模拟与灾害分析、洪水灾害评估与决策支持及水利工程综合调度等，具体功能设计子系统如下。
（1）时空态势图谱综合管理。时空态势图谱综合管理子系统主要对超标准洪水演变全过程的时空态势图谱进行综合管理，按照时空态势图谱的特征及类型分别从对象与性质、尺度级别、应用主题、应用场景4个方面出发进行管理，包括新建图谱、删除图谱以及图谱基本信息查看等功能。
（2）流域自然景观。流域自然景观查看子系统可以通过打开流域遥感影像图、水利基础数据以及地形、设计模型、倾斜摄影模型等三维模型进行查看，用于展示超标准洪水演变全过程发生时的流域自然景观现状［9－10］。
（3）超标准洪水灾害监测。超标准洪水灾害监测子系统从流域尺度、区域尺度及局部尺度，展示超标准洪水水体（淹没范围、水面高程、淹没水深）及承载体（耕地、园地、林地、住宅、道路、工矿用地、水利设施用地、商业休闲/公共基础设施用地等）监测成果。分别从3个方面进行超标准洪水灾害监测：①承载体面积统计，以专题图方式显示承载体数据，叠加淹没范围数据；以统计图表等形式展示不同类型承载体面积统计结果。
ssm框架技术简介②洪水灾害监测数据对比，通过打开多地图窗口的方式对比显示不同时相的洪水灾害监测数据，包括影像、水体淹没范围以及承载体的淹没变化，可直观化地看到监测数据的变化情况。③灾害监测信息时序过程分析，为不同时期的影像、水体及承载体添加时间信息，设置时间轴组件，通过拖动时间轴查看监测对象随时间的变化情况，以地图、统计图、表等多种形式展示监测对象、洪水淹没范围、承载体面积随时间的变化等。
（4）洪水预报预警。洪水预报预警子系统基于专题图及三维景观模型展现汛情监测信息、洪水推演成果、防汛应急预案、防汛应急响应等。
（5）超标准洪水数值模拟与灾害分析。超标准洪水灾害数值模拟与分析子系统主要提供对超标准洪水灾害数值模型结果的模拟，通过模拟可以有效地为灾害分析提供依据。数值模拟按照维度分为一维模拟和二维模拟，一维洪水模拟成果主要为水位和流量，二维洪水模拟成果主要为淹没范围、淹没水深、达
到时刻及淹没历史等，按照模拟类型包括流域模拟、河段模拟、洪水演进与交互式推演等。灾害分析提供洪水水情分
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增刊（Ⅱ）宫留留，等：超标准洪水演变全过程的时空态势图谱系统设计析、淹没分析、严重度分析、风险分析、灾害成因分析等
分析方法
［11－13］
。（6）超标准洪水灾害评估与决策支持。超标准洪
水灾害评估与决策支持子系统提供面向流域、区域、局部3种空间尺度的超标准洪水灾害评估，
并为决策人员提供有效的价值信息。通过洪水灾害评估指标体系的建立，
分别从洪水危险性指标、承载体暴露及脆弱性指标及后果指标3个方面展示评价指标数据，
通过定位图表法、
范围法、分区统计图表法等建立专题图，提供快速提取有效价值的目的，
为决策提供智能支持［14］
。（7）水利工程综合调度。水利工程综合调度子系
统基于专题图及三维景观模型展示工程的运用信息，包括闸门的开度，水库的水位、下泄流量、剩余防洪库
容，
蓄滞洪区的分洪量，控制站的水位、流量等信息，以及调度方案造成的淹没损失信息统计。
2．4系统实现
根据系统功能设计，系统在超标准洪水演变全过
程的时空态势图谱构建体系的基础上，
严格按照洪水时空态势图谱特征及分类标准，
完成了基础地理数据、水利专题数据、社会经济数据和洪水风险专题数据的入库，
实现了时空态势图谱的统一存储与管理。通过构建三维模拟仿真场景，
集成了高清地形、设计模型与倾斜摄影模型，
通过专题图及三维景观模型展现实现了流域自然景观查看、
洪水灾害监测、洪水预报预警、洪水数值模拟与灾害分析、洪水灾害评估与决策支持
以及水利工程综合调度等，
系统的实现也为超标准洪水演变全过程的时空态势图谱的应用及推广提供了积
极意义。图2 5为系统实现的部分功能界面。
3关键性技术研究
3．1“形－数－模”一体化技术
“形－数－模”一体化技术即“形（图形图像）－数（数值模拟）－模（专业模型）”一体化的时空态势图谱应用技术
。“图”侧重于图形、图像等几何形状和多媒体信息，
通过叠加图形图像元素表达洪水灾害评估信息
；“数”通过数值计算和图像可视化显示手段研究态势图谱动态表达
；“模”则是叠加洪水演进和评估分析专业数字模型或算法，
结合多维度可视化和交互式时间轴推演手段，
实时呈现态势图谱动态模拟。3．2三维仿真集成技术
三维仿真具有可视化程度高、表现形式灵活多样、
动态感和真实感、资料更新方便等特点，使得数据产品三维化已经成为目前应用场景构建的一大趋势
［8］
。
在洪水模拟和交互式推演中运用三维仿真集成技术构
图2
系统整体界面
图3
三维场景某局部高清地形
图4
三维远视角洪水淹没推演
图5
三维近视角洪水淹没推演
建更加真实、直观、生动的三维场景，能够很大程度展
现洪水淹没过程、
淹没范围、灾害损失等情况。三维仿真集成技术在洪水时空态势图谱的应用中
主要为三维场景的构建与集成，
涉及到高清地形、设计模型、
倾斜摄影模型等。高清地形可通过高分辨率遥3
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感影像和DEM数据通过数据处理与服务发布完成，设计模型主要利用水利工程建模技术，通过专业建模软件完成模型构建，倾斜摄影模型主要为无人机获取的建筑物、植被等数据，通过处理生成的三维模型。在时空态势图谱的应用中，通过微观场景特效与重点区域淹没场景的集成，分别在流域、区域及局部等不同尺度提升三维可视化展示能力。
3．3实时空间分析及快速展示技术
实时空间分析及快速展示不仅需要满足空间分析的实时性，还要达到快速展示的目的。空间分析可通过GIS提供的强大分析能力来实现，为了解决实时性与快速展示，可从洪水演进数据出发［15］，针对洪水动态可视化数据冗杂，将洪水淹没的数值模拟分析数据与可视化相关的数据统一存储到数据库中，构建属性数据库和空间数据库。属性数据库主要存储洪水淹没数值相关的各种静态和动态数据，空间数据库主要存储洪水淹没的可视化图形数据、三维模型，通过采用空间数据库与属性数据库相互调用机制，实现淹没过程的动态模拟与空间查询，为实时空间分析提供了数据支撑。
4结语
超标准洪水演变全过程的时空态势图谱应用系统提供了一个统一的管理平台，实现了时空态势图谱的统一存储、管理以及可视化展示。系统通过“形－数－模”一体化可视化、三维模拟仿真技术和实时空间分析及快速展示技术，实现了基于时空态势图谱技术的流域模拟和洪水演变交互式推演，提升了超标准洪水灾害动态评估与风险调控模型动态分析与实时反馈能力。系统的设计、开发与实现可为超标准洪水演变全过程的时空态势图谱的应用与推广提供参考。
参考文献：
［1］李安强，黄艳，李荣波，等．流域超标准洪水智能调控架构及关键技术研究［J］．中国防汛抗旱，2019，29（9）：31－34，41．
［2］周广宇，宁存鑫，刘广奇．动态洪水风险图系统研究：以杭州滨江区为例［J］．建设科技，2019（20）：80－84．
［3］舒全英，郭磊，张乘．太湖流域浙西杭嘉湖区洪水风险图编制与应用［J］．人民长江，2017，48（增2）：7－9．
［4］刘成堃，马瑞，义崇政．3DGIS支持下的洪水风险三维动态推演［J］．长江科学院院报，2019，36（10）：117－121．
［5］马炅妤，李平，周启，等．WebGL在线动态地图服务框架设计［J］．测绘通报，2019（1）：118－122．
［6］韩颖异．制作基于GIS水文专题地图的探讨［J］．东北水利水电，2012（2）：62－63．
［7］王霖，张健．水利工程中三维建模技术的应用［J］．黑龙江科技信息，2015（11）：252．
［8］李玉华，邱儒琼．GIS与三维仿真技术在堤防工程管理中的应用［J］．水利信息化，2011（2）：43－46．
［9］洪海洋．基于可视化技术的景观信息模型构建研究［D］．哈尔滨：东北农业大学，2015．
［10］卞小草，雷畅，丁高俊，等．基于GIS+BIM的水电项目建设管理系统研发［J］．人民长江，2018，49（7）：72－76．
［11］刘卫林，梁艳红，彭友文．基于MIKE Flood的中小河流溃堤洪水演进数值模拟［J］．人民长江，2017，48（7）：6－10．
［12］侯精明，马利平，陈祖煜，等．金沙江白格堰塞湖溃坝洪水演进高性能数值模拟［J］．人民长江，2019，50（4）：8－11．
［13］耿敬，张洋，李明伟，等．洪水数值模拟的三维动态可视化方法［J］．哈尔滨工程大学学报，2018，39（7）：1179－1185．
［14］张红萍．山区小流域洪水风险评估与预警技术研究［D］．北京：中国水利水电科学研究院，2013．
［15］章超权，黄宝玉，毛波．三维城市模型快速可视化技术研究［J］．武汉大学学报（工学版），2019，52（12）：1113－1120，1128．
（编辑：江文）
引用本文：宫留留，范青松，杨坤．超标准洪水演变全过程的时空态势图谱系统设计［J］．人民长江，2020，51（增2）：380－384．483