基于地理信息系统与Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法及系统

摘要

本发明涉及一种基于地理信息系统与Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法，包括：通过GIS平台搭建软件系统框架；分析Delft3D网格文件格式；分析Delft3D-FLOW的配置文件MDF文件格式，以及其中多个参数的意义，并在GIS平台下开发人机交互配置界面配置多个参数；建立模型并通过GIS操作完成多个环境要素的配置任务；将配置结果输出成数学计算引擎可以识别的文件格式输出，并调用计算引擎进行计算；分析计算结果文件格式，并在GIS平台下读取文件，将其通过图像处理技术处理成带空间坐标的栅格图像，加载到GIS平台下进行显示。本发明将数学模型和空间地理信息结合在了一起，提高了分析的准确性。本发明还提出了一种基于地理信息系统与Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析系统。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法及系统。

背景技术

目前，水环境模拟技术是利用一系列数学模型在虚拟环境下对 真实水环境中存在的各类复杂问题进行预测和分析的有效工具，可 以为解决环境问题提供有力的科学依据。目前常用的水环境模拟分 析系统如EFDC和DELFT3D都是使用Fortarn语言开发计算引擎。

具体地，DELFT3D是荷兰Deltares开发的完全的三维水动力- 水质模型系统，包含水流(FLOW)、颗粒跟踪(PART)、水质(WAQ)、 生态(ECO)等部分组成，技术上DELFT3D-FLOW的计算引擎即 一系列水动力数学计算公式是通过Fortarn语言编程实现，是系统的 计算引擎，计算引擎通过调用MDF这种DELFT3D文件组织格式进 行计算，计算结果为BAT格式。计算引擎本身没有可视化界面，在 Windows操作系统下可以通过DOS控制台进行调用，光有计算引擎 显然使用起来是非常难以让普通用户使用的，因此DELFT3D又基 于Matlab开发了人机交互界面，即FLOW-GUI。FLOW-GUI用户界 面的主要问题：1)是使用友好性，它是全英文的，不仅用起来很繁 琐，而且里面有大量英文的专业名词、专业定义，又缺少解释，用 户难以使用；2)它虽然可以把水体的网格模型打开，但是网格模型 是独立存在的，无法直接和实际的地理空间信息结合起来，导致在 使用的时候真实地理环境和数学模型割裂，用户无法根据了解的实 际情况去配置模型；3)模型计算结果在Matlab下可以显示，但是 只能看到模型的轮廓，而无法和真实的地理环境结合起来，因此当 观察污染物迁移时，用户并不能很好的了解到污染物具体到底已经 迁移到了什么地址。针对这种情况，2011年Deltares把他们的 DELFT3D-FLOW计算引擎开源，并公开免费提供下载和使用。

使用Matlab开发用户人机交互界面，Fortarn和Matlab都是计 算语言，而环境问题由是和地理信息相关的，他们的做法是可以通 过数据转换程序，使得系统可以识别部分空间数据格式，这种模式 下模拟系统和地理信息系统是相互脱离的，无法一体化的在地理信 息系统里进行人机交互式建模、计算和后处理，无法将空间分析和 环境模拟相结合。无法满足用户对一体化的地理信息系统和环境模 拟系统的需求。

进一步地，直接使用DELFT3D环境模拟系统只能在其独立体 系内进行环境建模、计算和展示，和其它信息化系统是无法整合的， 而人们更需要以地理信息系统为基础来一体化地使用环境模拟分析 技术为完整的系统功能服务，目前这不能得到满足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，如何提供 一种方法能将地理信息系统和环境模拟系统整合在一起，以通用的地 理信息系统为基础进行人机交互，基于地理信息系统实现环境模拟计 算、环境模拟结果的可视化展示、环境模拟结果分析的关键问题。

为此目的，本发明提出了一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法，包括具体以下步骤：

S1：通过GIS平台搭建软件系统框架；

S2：分析Delft3D网格文件格式；

S3：分析Delft3D-FLOW的配置文件MDF文件格式，以及其中 多个参数的意义，并在GIS平台下开发人机交互配置界面配置所述多 个参数；

S4：建立模型并通过GIS操作完成多个环境要素的配置任务；

S5：将配置结果输出成数学计算引擎可以识别的文件格式输出， 并调用计算引擎进行计算；

S6：分析计算结果文件格式，并在GIS平台下读取文件，将其 通过图像处理技术处理成带空间坐标的栅格图像，加载到GIS平台下 进行显示。

进一步地，所述步骤S2进一步包括：

S21：读取所述网格文件；

S22：将读取的所述网格文件转换为带空间坐标的多边形网格；

S23：将所述多边形网格加载到GIS平台上。

具体地，所述多个环境要素为干燥点、坝、断面和/或开边界转 换为带空间坐标的点、线和/或面要素。

具体地，所述多个参数为纬度、深度、盐度、温度、水密度、空 气密度、水温、水体背景盐浓度、风阻、入流边界、出流边界和/或 反射参数等，其中，所述多个参数的个数为大于200个。

为此目的，本发明提出了一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析系统，包括：

搭建模块，用于通过GIS平台搭建软件系统框架；

分析模块，用于分析Delft3D网格文件格式，以及分析 Delft3D-FLOW的配置文件MDF文件格式，以及其中多个参数的意 义；

配置模块，用于在GIS平台下开发人机交互配置界面配置所述多 个参数；

建立模型模块，用于建立模型并通过GIS操作完成多个环境要素 的配置任务；

计算模块，用于将配置结果输出成数学计算引擎可以识别的文件 格式输出，并调用计算引擎进行计算；

显示模块，用于分析计算结果文件格式，并在GIS平台下读取文 件，将其通过图像处理技术处理成带空间坐标的栅格图像，加载到 GIS平台下进行显示。

进一步地，所述分析模块进一步包括：

读取单元，用于读取所述网格文件；

转换单元，用于将读取的所述网格文件转换为带空间坐标的多边 形网格；

加载单元，用于将所述多边形网格加载到GIS平台上。

具体地，所述多个环境要素为干燥点、坝、断面和/或开边界转 换为带空间坐标的点、线和/或面要素。

具体地，所述多个参数为纬度、深度、盐度、温度、水密度、空 气密度、水温、水体背景盐浓度、风阻、入流边界、出流边界和/或 反射参数等，其中，所述多个参数的个数为大于200个。

本发明所公开的一种基于地理信息系统与Delft3D-FLOW计算 引擎的水环境分析方法，通过基于地理信息系统技术完全自主开发用 户界面，将模型配置、计算和结果分析都整合在一体化的GIS平台下， 仅仅在需要计算的时候，直接将配置结果输出成文件格式，然后调用 Delft3D-FLOW引擎进行计算，在后处理时直接分析计算结果文件。 这样既能保证Delft3D-FLOW数学模型计算效果，大大优化了人机交 互友好性，同时将数学模型和空间地理信息结合在了一起，使用户可 以清晰的判断污染物具体迁移扩散过程影响到了哪些地方，提高了分 析的准确性。本发明还提出了一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析系统。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示 意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例中的一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法的步骤流程图；

图2示出了本发明实施例中的一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法的地理位置示意图；

图3示出了本发明实施例中的一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法的多个参数配置图；

图4示出了本发明实施例中的一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法的模型图；

图5示出了本发明实施例中的一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法的模型分析结果图；

图6示出了本发明实施例中的一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法的技术流程图；

图7示出了本发明实施例中的一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于地理信息系统与 DELFT3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法，包括具体以下步骤：

步骤S1：通过GIS平台搭建软件系统框架。

步骤S2：分析Delft3D网格文件格式。进一步地，步骤S2进一步 包括：读取网格文件；将读取的网格文件转换为带空间坐标的多边形 网格；将多边形网格加载到GIS平台上。

更进一步地，同类型的水动力-水质模型，除了荷兰的Delft3D， 还包括PART，ECO，WAQ以及美国的EFDC，SELFE等。针对上述 不同的模型，有区别的操作一方面在于后台对网格文件的分析与读 写；另一方面在于需要将计算引擎配置文件的读写换掉。下面对 Delft3D以及EFDC进行示例说明。

例如：GISFLOW里应用的为Delft3D-FLOW计算引擎，也就是 Delft3D的水动力计算，其中包括边界水流条件一项，用于描述在水 体的开边界上随时间变化的水流量、水位、或水流速等参数。其在 Delft3D-FLOW中格式显示为：

在EFDC中也有对应的格式显示为：

C16 SURFACE ELEVATION OR PRESSURE BOUNDARY CONDITION PARAMETERS C

NPBS:NUMBER OF SURFACE ELEVATION OR PRESSURE BOUNDARY CONDITIONS CELLS ON SOUTH OPEN BOUNDARIES

NPBW:NUMBER OF SURFACE ELEVATION OR PRESSURE BOUNDARY CONDITIONS CELLS ON WEST OPEN BOUNDARIES

NPBE:NUMBER OF SURFACE ELEVATION OR PRESSURE BOUNDARY CONDITIONS CELLS ON EAST OPEN BOUNDARIES

NPBN:NUMBER OF SURFACE ELEVATION OR PRESSURE BOUNDARY CONDITIONS CELLS ON NORTH OPEN BOUNDARIES

NPFOR:NUMBER OF HARMONIC FORCINGS

NPFORT:FORCING TYPE,0＝CONSTANT,1＝LINEAR,2＝QUADRATIC VARIATION

NPSER:NUMBER OF TIME SERIES FORCINGS

PDGINIT:ADD THIS CONSTANT ADJUSTMENT GLOBALLY TO THE SURFACE ELEVATION

C

C16 NPBS NPBW NPBE NPBN NPFOR NPFORT NPSER PDGINIT

……

……

……。

综上所述可知，换成其它计算引擎后，区别只在于计算引擎输入、 输出文件格式的不同、配置参数的不同以及读结果文件的操作方式不 同。

步骤S3：分析Delft3D-FLOW的配置文件MDF文件格式，以及其 中多个参数的意义，并在GIS平台下开发人机交互配置界面配置多个 参数，其中，多个参数为纬度、深度、盐度、温度、水密度、空气密 度、水温、水体背景盐浓度、风阻、入流边界、出流边界和/或反射 参数等，且多个参数的个数为大于200个。例如：如图2所示，在地图 上设置了一条边界，在模型系统中边界意味着在此处是现实世界的河 流中，模型范围内和范围外水流进行交换的位置。为了进行水流模拟， 则需要对该边界的水流交换设置一系列的参数，点击右侧模型配置栏 中的“水流边界条件”按钮，弹出如图3所示窗口，可以设置的水流 参数如：边界类型：“入流边界”或“出流边界”。上述参数描述了水 流是从模型范围外部流入模型范围内部，或是从模型范围内部流到模 型范围外部的方向；反射参数：控制入流边界上水流从模型范围外部 流入模型范围内部时，受到的模型范围内部向外传出的短波浪干扰影 响的参数。短波浪干扰有可能因为在河流拐弯处，水流收到河岸冲击 后反馈形成的短波浪干扰；水流条件类型：可以选择“总流量、单元 流量、流速、水位”中的一种。选择水流条件类型决定了模型要研究 的现象。

进一步地，当建模水位在一个河口的内陆边，说明描述在入江口 处的已知水位，同样设置其它类型也可以起到这样的效果，例如设置 速度、流量，但是控制水位的控制力将很弱，因为速度是和水位之间 的匹配关系很弱的，特别是复杂的水流情况下，所以要形成较强的对 模型的控制就需要根据研究现场，设置匹配的水流条件类型。

步骤S4：建立模型如图4所示，并通过GIS操作完成多个环境要 素的配置任务。具体地，在模型计算时，水流受到大量外部环境要素 或水利设施的影响，例如：支流和大桥，支流会有新的水流入模型范 围内部；大桥则只有在桥洞处才可以有水流过，大桥的桥墩处是无法 流过水的，同时也不支持水流在横向进行交换。如图5所示，本发明 中通过将GIS和模型无缝整合后，可以清楚的看到在模型的什么位置 有支流汇入；什么位置有大桥。根据地图以及现查勘查，就可以清楚 的在模型中将支流和大桥的形态配置准确，由于模型和GIS整合，所 以大桥的尺寸，即长度等都是准确的，而国外系统中无法准确判断外 部环境。

步骤S5：将配置结果输出成数学计算引擎可以识别的文件格式输 出，并调用计算引擎进行计算。

步骤S6：分析计算结果文件格式，并在GIS平台下读取文件，将 其通过图像处理技术处理成带空间坐标的栅格图像，加载到GIS平台 下进行显示，完成计算结果的可视化展示。

为了更好的理解与应用本发明提出的一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析方法，并结合图6进行以下示 例，且本发明不局限以下示例：

浙江省富阳市高速公路上一辆运送四氯乙烷的车由于交通事故 侧翻，运送的四氯乙烷有毒危险品泄露并有8吨流入了富春江。针对 这次事故：打开本发明的软件，基于国家测绘局标准的天地图底图， 将从发生事故位置一直到杭州的富春江河流网格建立出来；收集网上 公布的实际水文参数以及富春江历史的平均水文参数，以这些参数为 依据快速配置模型的基础水文参数。例如：水深取富春江的平均水深 7米、流量去富春江当时季节的平均流量2000立方米/秒、污染物质量 设置为实际的8吨等，通过软件快速配置，调用计算引擎进行计算， 查询软件中化学品数据库中，针对四氯乙烷的毒理参数，查询其安全 浓度和危险浓度，并作为参数查看计算结果的扩散模拟动画以及风险 评估图，可以看到污染团会在第二天晚上9点到达富阳市自来水厂， 分析到达自来水厂时经过稀释的污染物浓度及其危害。

本发明所公开的一种基于地理信息系统与Delft3D-FLOW计算引 擎的水环境分析方法，需要直接分析数学计算引擎可以识别的输入参 数文件格式，以及里面每个参数的含义，并将其通过GIS平台，以基 于真实地理信息的人机交互式操作进行配置，需要分析数学计算引擎 输出的计算结果文件格式，并将其转化为GIS平台可以识别的带空间 坐标的数据，并通过图像技术将数字结果转化为用户可以直接查看的 栅格文件格式，通过坐标投影技术将图片加载到GIS平台显示。

如图7所示，本发明提供了一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析系统，包括：搭建模块501、分 析模块502、配置模块503、建立模型模块504、计算模块505以及显示 模块506。

具体地，搭建模块501用于通过GIS平台搭建软件系统框架；分析 模块502用于分析Delft3D网格文件格式，以及分析Delft3D-FLOW的 配置文件MDF文件格式，以及其中多个参数的意义，其中，多个参 数为纬度、深度、盐度、温度、水密度、空气密度、水温、水体背景 盐浓度、风阻、入流边界、出流边界和/或反射参数等，且多个参数 的个数为大于200个；配置模块503用于在GIS平台下开发人机交互配 置界面配置多个参数；建立模型模块504用于建立模型并通过GIS操作 完成多个环境要素的配置任务，其中，多个环境要素为干燥点、坝、 断面和/或开边界转换为带空间坐标的点、线和/或面要素；计算模块 505用于将配置结果输出成数学计算引擎可以识别的文件格式输出， 并调用计算引擎进行计算；显示模块506用于分析计算结果文件格式， 并在GIS平台下读取文件，将其通过图像处理技术处理成带空间坐标 的栅格图像，加载到GIS平台下进行显示。

进一步地，分析模块502进一步包括：读取单元5021用于读取网 格文件；转换单元5022用于将读取的网格文件转换为带空间坐标的多 边形网格；加载单元5023用于将多边形网格加载到GIS平台上。

本发明所公开的一种基于地理信息系统与Delft3D-FLOW计算引 擎的水环境分析系统，用户不再需要使用复杂难用的Delft3D-FLOW 自带的GUI界面，而是使用中文的操作友好的本地化软件，解决了数 学模型和真是地理信息无缝整合的问题，用户可以基于真实底图配置 模型、查看计算结果，这样就可以非常清楚的知道污染团到底迁移到 了什么地址。进一步地，基于GIS平台开发，使得计算结果不再是独 立的数字文件，而是空间信息关联在了一起，在软件中实现了一系列 空间算法，将空间算法和环境模拟算法进行了结合。例如：可以测量 污染源到某所学校的距离、测量某个时刻污染团的面积、自动分析什 么时候污染物会影响到那些自来水取水口等。

本发明所公开的一种基于地理信息系统与Delft3D-FLOW计算引 擎的水环境分析方法，通过基于地理信息系统技术完全自主开发用户 界面，将模型配置、计算和结果分析都整合在一体化的GIS平台下， 仅仅在需要计算的时候，直接将配置结果输出成文件格式，然后调用 Delft3D-FLOW引擎进行计算，在后处理时直接分析计算结果文件。 这样既能保证Delft3D-FLOW数学模型计算效果，大大优化了人机交 互友好性，同时将数学模型和空间地理信息结合在了一起，使用户可 以清晰的判断污染物具体迁移扩散过程影响到了哪些地方，提高了分 析的准确性。本发明还提出了一种基于地理信息系统与 Delft3D-FLOW计算引擎的水环境分析系统。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可 以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样 的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。