可视化技术在灌区信息系统中的应用

梁啟斌 陈武奋 江显群

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510610)

随着物联网技术的普及以及大数据时代的到来，信息化与数字化技术已经融入包涵水利工程在内的社会生活的方方面面。灌区工程作为全国水利工程的重要组成部分，可以预见，未来全国灌区信息化、数字化建设会越来越快[1]，运用的技术和手段也越来越多，可视化技术就是其中之一。可视化技术和工具众多，在水利工程建设中应用广泛，李阳等[2]在水利水电工程金属结构精准安装中运用了BIM技术进行三维实体建模，模拟金属结构装配过程；佘根坚等[3]以GIS为平台，建设灌区农水综合改革管理信息系统。本文以锦江灌区为例，论述了灌区渠系概化图、灌区WebGIS的制作和灌区数据展示图表制作等可视化技术在灌区信息化系统中的应用。

1 可视化技术简述

可视化是实现数据与人交互的窗口和工具，缺少可视化技术，存储在计算机内的数据没有任何意义。可视化的核心在于将数据清晰地叙述和艺术化地呈现，最终达到帮助用户理解数据和作出决策的目标。目前，可视化技术包括数据可视化、科学计算可视化、信息可视化和知识可视化等[4]。

数据可视化是运用计算机数学算法和图像处理技术，将数据转化为二维或三维的图像在屏幕上显示出来，搭建人与数据之间交互桥梁的技术。

科学计算可视化是运用计算机数学算法和图像处理技术，把生产建设活动、科研过程中产生的数据转化为二维或三维的图像在屏幕上显示出来，搭建人与数据之间交互桥梁的技术。

信息可视化就是运用计算机数学算法对信息(如文字、图像、语音和视频等)在不同场景应用下，建立不同的数学模型，来强化人们对抽象信息的认知。

知识可视化是在上述三种可视化技术的基础上，为了更好地利用人类社会日益丰富的信息而发展起来的新兴研究领域，应用计算机数学算法和图像处理技术并结合人类认知心理学，对信息的重点要点进行具象处理，使信息更容易被人们理解和记忆，从而促进群体知识的传播和创新。

2 可视化技术应用现状

目前，数据可视化、科学计算可视化、信息可视化这三类可视化技术在水利行业中的防洪减灾、水利工程建设、城市内涝等领域应用较为广泛，主要涉及的技术和工具有EchartChart、HTML、GIS、BIM等。例如运用GIS技术建设洪水预报调度系统[5]，运用BIM技术对水利水电工程进行可视化仿真等[6]。

目前，把可视化技术运用在灌区信息化上的案例比较少，大部分的灌区信息化管理系统还是以简单的图片和报表形式来展示数据。此外，也有一些大型灌区采用了GIS技术、RS遥感技术等，建设了基于三维的可视化信息管理系统[7]。不过这种建设方案投入的资金较大，不适合一些中小型灌区。对此，本文结合几种常见的可视化技术和工具，为中小型灌区的信息化系统建设提供一个投入相对较低、使用高效、设计美观的解决方案，为其他灌区信息化管理系统的开发提供借鉴。

3 锦江灌区工程概况

锦江灌区工程位于恩平市大田镇境内，设计灌溉面积为20.20万亩，是恩平市境内最大的灌溉工程。锦江灌区灌溉水源主要以锦江水库供水、干渠拦截坡面径流、凤子山水库供水为主，结合渠道沿线各小水库、小山塘，组成一个“长藤结瓜”式灌溉工程。锦江灌区以锦江河为界分为两部分，锦江河右岸为江南灌区(又称河排灌区)，锦江河左岸为江北灌区(又称锦北灌区)。

锦江水库位于锦江河上游山区，锦江水库下游4.5km处为江南干渠引水枢纽，拦河建筑物为水占陂，江南干渠进水闸位于水占陂上游右岸45m处，设计引水流量为35m3/s。水占陂下游5.9km处为江北干渠引水枢纽，拦河建筑物由江北陂和江北水闸组成，江北干渠进水闸位于江北水闸上游左岸300m处，设计引水流量为6.5m3/s。

目前，整个灌区共设置了34个水位流量监测站、2个水位监测站和1个图像监测站，分布于干渠渠首和重要支渠的分水口。

4 锦江灌区工程可视化技术设计及应用分析

锦江灌区信息系统涵盖灌区水位测量、水量计量、用水调度、水务管理、统计分析等应用子系统，对采集的空间地理数据、水利水文数据、水工建筑物数据进行分析处理，然后运用可视化技术，把数据结果直观、简洁地呈现给用户。

4.1 灌区信息系统WebGIS的可视化

灌区信息系统WebGIS采用OpenLayers技术进行开发。OpenLayers按照OGC(开放地理空间信息联盟，Open Geospatial Consortium)的规范封装了访问WMS及其他OCG服务的接口，是一个用于开发WebGIS客户端的JavaScript包[8]。其支持的地图来源包括Google Maps、百度地图、Yahoo、微软Virtual Earth等，甚至还可以用简单的图片地图作为背景图，与其他图层在OpenLayers中进行叠加。本案例使用new ol.layer.Tile设置地图来源为Google Maps，用Ajax发送网络请求从数据库获取监测站点、渠道等地理信息数据，矢量数据经过处理后转化为json格式的数据源，因此采用地理数据解析接口(new ol.format.GeoJSON)作为数据的解读器，通过矢量数据配置接口(new ol.source.Vector)设置矢量数据。最后，运用ol.Map的layers方法设置图层加载，例如瓦片底图、矢量图等，添加相应的图层，监控站图层见图1。

图1 WebGIS地图监控站图层

利用OpenLayers中已封装的控件和函数，可以配置地图上的比例尺(ol.control.ScaleLine)、图例、坐标(ol.control.MousePosition)、渠道边界(ol.layer.Vector)以及操作响应事件，常见的应用有：在地图上移动鼠标时，在地图左下角显示鼠标所在的经纬度，可调用鼠标方法(new ol.control.MousePosition)方法进行配置，然后用控件添加方法(map.addControl)将方法与地图绑定即可；可在单击执行方法内编写执行代码，实现在地图上单击元素时，弹出小窗口，例如：单击地图上的图标，弹出信息展示窗口，用于用户与地图进行动态交互，见图2。

通过WebGIS技术，把晦涩难懂的渠道、水源地、渠系建筑物、监测站点等地理空间数据转换成通俗易懂的图形和线条，在数字地图上直观地呈现给用户，提高用户的交互体验，从而实现灌区内各种信息的统一管理，全面提升灌区信息化管理的水平，实现灌区水资源的优化配置、高效利用。

4.2 灌区渠系概化图的可视化

灌区系统WebGIS上显示的信息繁复，内容抽象，无法以便捷的方式有效地把用户关注的特别信息，如干渠与支渠的关系、各渠段的用水量和渠段水利用系数等，直观地展示出来，不能满足灌区用水配水的决策需求。因此，有必要对灌区的基础数据进行集成，使其图形化、可视化，最终形成灌区渠系概化图[9]。

首先，利用Photoshop软件，根据灌区实际的渠系分布情况，把渠系的分布特点提取出来，如干渠与各支渠的关系、各支渠上下游位置关系、各个水量站所在渠道位置等，使用对比强烈的色彩(红蓝两色)，运用简单的线条、点和图形(水库、水量站、干渠、支渠)画出静态的灌区渠系概化图。

然后，通过HTML5技术，对灌区渠系概化进行下一步的加工，例如加上文字说明窗口、用户交互按钮等。最后，通过JavaScript中的Ajax方法调用数据接口，从数据库获取灌区的水量、渠道数据，实现在Web系统上动态展示的功能，见图3。

图3 灌区渠系概化

运用渠系概化图，能直观清晰地了解到整个灌区的来水和用水情况，提高灌区用水管理的效率，实现灌区各级管理部门根据采集的水资源数据进行总量掌握和各分量控制，实现对各级渠系水位流量的自动监测和调控，达到节约用水、合理配置水资源的目的，为灌区管理员制定用水计划提供数据支撑。

4.3 采集数据的可视化

灌区信息化系统中，运用EchartChart可视化工具，可使数据表达更加简洁美观。EchartChart是一个纯JavaScript的图表库[10]，能够在电脑及移动设备上稳定运行，且对目前大部分浏览器都具有良好的兼容性，其底层由轻量级Canvas类库ZRender构成，与传统的报表相比，能提供直观、生动、可交互、可高度个性化定制的数据可视化图表。常用的图表包括折线图、柱状图、饼图、散点图、热力图等，案例中主要使用到折线图和柱状图。选用合适的图表类型，能把数据中隐含的重要信息直观地展示给用户，无须数据筛选等手段就能获取有用数据。在图4中，折线图和柱状图显示一段时间内水深和流量的变化趋势，并且标识了水深的最大值和最小值，而两者的结合，体现了水位和流量之间存在着正相关的关系，水深越高，流量越大，使用户能直观地了解到该监测站点的大致情况。

图4 监测站点水深-流量关系图

当图表切换为水深-流速关系图时，两者都采用了折线图来展示数据变化的趋势，见图5。通过两者之间的对比，能看出流速随着水深的变化而变化，水越深，流速越快。在时间上，流速的变化相对于水深的变化要慢一些，往往是水先变深，然后流速再变大；水先变浅，流速再变小。

图5 监测站点水深-流速关系图

此外，对灌区雨量数据可选用热力图来制作雨量等值线图，从而分析降雨分布对灌区的影响；散点图可以分析监测站点的水位流速流量关系；盒形图(也叫箱形图)可用于对灌区用水量进行分析，能显示一组数据的最大值、最小值、中位数及上下四分位数，为用水配水提供数据支撑。

5 结 语

可视化技术运用到灌区信息化系统中，不仅提高了系统的可用性和交互性，而且提高了灌区管理人员的工作效率和整个灌区的管理水平，实现科学、及时、准确地调配灌溉用水，达到节约用水，高产、高效的目的。为了对灌区进行更有效的管理和监控，未来可以使用BIM技术对灌区内所有的水工设施、建筑物和渠道进行建模，实现灌区数字化管理及对灌区进行智能化监控，通过屏幕就能掌控灌区的整体运行状况，为智慧灌区健康发展提供支撑。