1.3 河流模擬信息化發(fā)展趨勢(shì)

1.3.1 河流模擬信息化意義

當(dāng)今世界已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代。基于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)網(wǎng)、智慧水利等熱門技術(shù)發(fā)展方興未艾，其應(yīng)用正在迅速促進(jìn)社會(huì)發(fā)展，加劇市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，深刻地改變著人們的生活。網(wǎng)絡(luò)寬帶化、數(shù)據(jù)集約化、應(yīng)用智能化是當(dāng)前信息化發(fā)展的顯著標(biāo)志，也會(huì)深刻影響我們的科研方式甚至思維模式。我們要用信息化的尺度來衡量我們的科研方式和成果技術(shù)含量。

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步、信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和水利事業(yè)的全面推進(jìn)，水利信息化逐步深入，全面提升了水利為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展服務(wù)的能力和水平。作為中國第一大河，長(zhǎng)江水利信息化建設(shè)在取得顯著成效的同時(shí)，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化及人類活動(dòng)加劇而帶來的洪澇災(zāi)害、水污染、水環(huán)境惡化、水土流失等問題，也對(duì)水利信息化中的應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)提出了更新、更高的要求。目前，河道監(jiān)測(cè)和水文數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化水平越來越高，各類河道水文數(shù)據(jù)可通過遠(yuǎn)程傳輸及時(shí)獲得，水文預(yù)報(bào)和河流模擬水平也在不斷提高，各類模擬預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)也越來越多。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多河流干支流上興建了大量的水庫，還有許多的橋梁、碼頭、取排水口工程、航道整治工程、管道跨越等工程也在河流上興建。另外，根據(jù)流域治理、保護(hù)與開發(fā)需要，岸線利用規(guī)劃、河道治理規(guī)劃、采砂規(guī)劃、航道規(guī)劃等規(guī)劃相繼出臺(tái)，河道中各類治理與開發(fā)利用工程不斷增多。如何對(duì)這些信息有效管理，以便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢，無論是對(duì)河流研究人員，還是流域管理人員都是非常急需的。作為水利信息化應(yīng)用系統(tǒng)的重要科技支撐部分，因此基于地理信息技術(shù)，建立包含水情、河道、航道、水庫、防洪工程、涉水工程、規(guī)劃工程、河流數(shù)值模擬成果的河流信息管理平臺(tái)，并將其進(jìn)行直觀、生動(dòng)的全息演示，能夠?qū)α饔蚝退麑?duì)象進(jìn)行有效的跟蹤、模擬、展示與管理，從而為流域的防汛抗旱減災(zāi)、水資源評(píng)價(jià)、水資源開發(fā)利用規(guī)劃、水土保持規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)與環(huán)境建設(shè)規(guī)劃和用水政策制定等科學(xué)決策提供強(qiáng)有力的科技支撐。

目前，國內(nèi)外已建立的信息平臺(tái)大都針對(duì)單一目的研制，如水文部門建立的實(shí)時(shí)水情信息平臺(tái)，航道部門建立的數(shù)字航道平臺(tái)，還有GIS地理信息平臺(tái)等，而長(zhǎng)江流域河流信息量非常之大，包括水文、河道、航道、工程、規(guī)劃等各個(gè)方面，如何在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)中將各類信息進(jìn)行有效的規(guī)劃與整合，最終建立功能完備、可視化強(qiáng)的河流信息管理平臺(tái)，是將來信息化發(fā)展的必然趨勢(shì)。其次，以往研制的信息平臺(tái)，偏重于信息的數(shù)據(jù)庫管理和數(shù)據(jù)的查詢，缺乏空間位置概念，其查詢?yōu)楹?jiǎn)單的數(shù)據(jù)搜索，缺乏具體場(chǎng)景的表達(dá)，因此在結(jié)合目前先進(jìn)的地理信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)河流信息在航拍地貌和建筑物模型環(huán)境中的時(shí)空查詢管理是非常有意義的。再次，以往的信息平臺(tái)，其數(shù)據(jù)多為監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，缺乏對(duì)未來情況的預(yù)測(cè)，因此影響人們對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的判斷和決策，為此將現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)與模擬預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、模擬信息在三維空間中的展示、查詢和管理。

因此，結(jié)合國家加快水利信息化建設(shè)的要求，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)長(zhǎng)江流域各類河流信息進(jìn)行數(shù)字化，并與模擬成果進(jìn)行有效的規(guī)劃與整合，最終建立功能完備、可視化強(qiáng)的河流信息管理平臺(tái)，能夠?qū)α饔蛩逞h(huán)和流域治理開發(fā)與管理的各類信息進(jìn)行管理、查詢和展示，并提供可視化的決策支持，增強(qiáng)決策的科學(xué)性和預(yù)見性，對(duì)于加快長(zhǎng)江水利信息化建設(shè)、提高長(zhǎng)江流域管理的整體性與全局性水平、增強(qiáng)水利決策預(yù)期可視化程度、提高流域主管部門對(duì)水利日常工作及應(yīng)急處理的支撐與服務(wù)能力，提高各類河流數(shù)學(xué)模型的科技支撐能力均是十分迫切和必要的。

1.3.2 河流模擬信息化方法

信息化的最終發(fā)展方向是與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、可視化技術(shù)相結(jié)合，相互交融，共同為人們快速、直觀地提供可供決策參考的信息。可以預(yù)見，將來河流數(shù)值模擬將大部分通過云計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。河流數(shù)值模擬一方面需要大量的河流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過模擬后又產(chǎn)生大量的模擬數(shù)據(jù)，因此需要采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，來快速處理這些數(shù)據(jù)。河流數(shù)值模擬需要大量的原型觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將大大提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取和傳輸效率，從而提高河流模擬數(shù)據(jù)輸入效率。河流模擬輸出的數(shù)據(jù)需要可視化，可視化是“科學(xué)之眼”，是數(shù)學(xué)模型逐步取代物理模型的重要手段，可視化雖然是信息化的重要組成部分，但不能等同于信息化，信息化的本質(zhì)特征是對(duì)外發(fā)布，或者說是信息共享。

本書擬基于谷歌地球來實(shí)現(xiàn)河流模擬的信息化。具體而言，是基于Google Earth和Google Maps平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，將河流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)在Google Earth和Google Maps平臺(tái)上進(jìn)行管理和顯示。

其優(yōu)點(diǎn)在于：①有助于我們結(jié)合實(shí)際的地貌和建筑物更好地分析各類信息，同時(shí)還可利用Google Earth軟件縮放、平移、鳥瞰等功能，更直觀展示河流基礎(chǔ)信息和模擬成果；②可充分利用谷歌地球中大量的航拍地貌及建筑物三維模型，節(jié)省了大量的人力物力，可將精力集中于河流模擬技術(shù)的提高和與地理信息系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合方面；③同時(shí)隨著谷歌地球數(shù)據(jù)的更新和功能的擴(kuò)展，河流模擬可視化和信息化效果也同步提高；④還可充分利用氣象、交通、國土等其他部門構(gòu)建的谷歌地球平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

從未來發(fā)展趨勢(shì)來看，由于Google Earth和Google Maps軟件本身就是一個(gè)瀏覽器，并已成功運(yùn)用了云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、可視化等技術(shù)，因此開發(fā)基于Google Earth和Google Maps的河流信息平臺(tái)，將有助于將河流數(shù)值模擬技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，將河流數(shù)值模擬技術(shù)融入到智慧地球之中，更好地為水利科研和流域管理提供技術(shù)支撐。

1.3.3 河流模擬與信息化發(fā)展趨勢(shì)

（1）模型由低維向高維方向發(fā)展。一般而言一維模型用于解決長(zhǎng)河段的問題，二維和三維模型用于解決局部河段的問題，隨著并行技術(shù)的運(yùn)用和數(shù)值計(jì)算方法的改進(jìn)，使得較長(zhǎng)河段、大范圍二維模型成為可能，三維模型也用于較長(zhǎng)時(shí)段的計(jì)算。

（2）模型模擬功能不斷豐富。在傳統(tǒng)的模擬水沙運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上，增加濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)，以及污染物隨泥沙顆粒輸運(yùn)的模擬，水環(huán)境與水生態(tài)的模擬等。由單一河段、單一功能的模擬向整個(gè)流域和多功能的方向發(fā)展。

（3）在線模擬與云計(jì)算。云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需求提供給計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備。人們運(yùn)用數(shù)學(xué)模型是為了得到可供決策的信息，而不是模型本身，未來的模型應(yīng)位于后臺(tái)服務(wù)器之中，通過網(wǎng)絡(luò)登錄運(yùn)算界面，實(shí)現(xiàn)在線模擬和人機(jī)交互。

（4）大數(shù)據(jù)管理與分析。隨著云時(shí)代的來臨，大數(shù)據(jù)也吸引了越來越多的關(guān)注。大數(shù)據(jù)不再僅用來描述大量的數(shù)據(jù)，還涵蓋了處理數(shù)據(jù)的速度。大數(shù)據(jù)分析相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉庫應(yīng)用，具有數(shù)據(jù)量大、查詢分析復(fù)雜等特點(diǎn)，常和云計(jì)算聯(lián)系到一起。將來模型計(jì)算成果將通過云計(jì)算并以數(shù)據(jù)庫形式進(jìn)行保存，便于今后的查詢、管理和及時(shí)提取有用的信息，并能通過互聯(lián)網(wǎng)終端進(jìn)行信息發(fā)布。

（5）模擬成果的信息化與可視化。信息化是以現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總存儲(chǔ)，供人們進(jìn)行查詢，可視化是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來。因此將模擬成果進(jìn)行信息化和可視化處理后，可以極大地提高模型計(jì)算的效率，實(shí)現(xiàn)計(jì)算成果的發(fā)布和查詢，推動(dòng)數(shù)值模擬技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展。

（6）自動(dòng)校正和智能決策。模型應(yīng)能根據(jù)不斷更新的實(shí)測(cè)資料，自動(dòng)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校正，并能根據(jù)模擬結(jié)果，進(jìn)行智能分析和判斷，為決策者提供指導(dǎo)，譬如在洪水演進(jìn)模擬中，根據(jù)洪水等級(jí)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，在河道穩(wěn)定性模擬中，能預(yù)測(cè)判斷崩岸或河勢(shì)調(diào)整的可能性。

總之，隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，可以預(yù)測(cè)，未來河流數(shù)值模擬將向系統(tǒng)集成化、模型可視化、數(shù)據(jù)信息化和決策智能化方向發(fā)展。