黄河流域灌区生态环境演变仿真系统研究

姜仁贵　史仝乐　解建仓　

摘 要：當前黄河流域生态环境仍然脆弱，灌区作为一个开放式生态系统，较易受到自然和人类活动的影响，变化环境下灌区生态环境如何演变是当前研究热点。以黄河流域灌区生态环境为研究对象，融合多源数据资源，设计并研发了黄河流域灌区生态环境演变仿真系统。采用大数据和信息集成等技术实现灌区历史统计资料、空间地理信息和动态监测等多源数据资源的高效融合，构建黄河流域灌区生态环境数据资源库;基于数字地球开发组件化的灌区生态环境演变仿真系统，提供灌区多源信息融合、生态环境监测、演变可视化仿真和应急管理等应用服务，为灌区生态环境保护提供辅助决策支持。以黄河流域典型灌区为例开展了实例应用，结果表明：构建的仿真系统可视化效果好、适应性强、可扩展性好，可为黄河流域生态保护和高质量发展提供技术支撑。

关键词：流域生态保护;仿真系统;多源信息融合;灌区生态环境;黄河流域

中图分类号：S274; TV882.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.010

Research on the Simulation System for Irrigated Area Ecological

Environment Evolution in the Yellow River Basin

JIANG Rengui1，2， SHI Tongle1， XIE Jiancang1， YU Xiang1， LIANG Jichao1

（1.State Key Laboratory of Eco-Hydraulics in Northwest Arid Region of China， Xian University of Technology， Xian 710048， China;

2.Department of Geography， National University of Singapore， Singapore 117570， Singapore）

Abstract：Recently， the ecological environment in the Yellow River Basin （YRB） is still fragile. As an open ecosystem， irrigation area is more susceptible to be affected by both natural and human activities. The ecological environment evolution of irrigation area under changing environment is a current research hot spot. This paper focused on the ecological environment of irrigation area in YRB， integrated the multi-source information resources， designed and developed a simulation system for ecological environment evolution. The multi-source data resources such as historical statistics data， spatial geographic information and dynamic monitoring data were efficiently integrated by using big data and information integration technologies. The ecological environment for irrigation area database of YRB was established to support the system. The component-based simulation system for ecological environment evolution in irrigation was developed by using digital earth as the basic platform. The typical application service of the system including multi-source information fusion， ecological environment monitoring， evolution visualization simulation and emergency management were proposed. The simulation system could provide auxiliary decision support for the ecological environment protection in irrigation. Taking the typical irrigation area in the Yellow River basin as an example， the results show that the simulation system established has good visualization effect， strong applicability and good expansibility， which provides technical support for the ecological protection and high-quality development of YRB， thus it has good application prospect.

1.3 数字地球基础平台框架

为了给用户提供好的可视化效果，将三维数字地球基础组件WorldWind作为系统的基础平台，该组件由美国NASA组织开发，目前提供多种开发语言版本。考虑到系统的平台无关性和用户体验，将Java SDK作为基础组件[11]，该组件在高性能计算能力支持下，由一系列层次递进模型框架构成，主要包括可视化球体模型、图层管理器、视图加载器、配置文件、事件触发和监听等，组件底层通过遥感影像數据和数字高程模型（DEM）构造出研究区域的地形地貌，搭建基础的灌区实体要素三维仿真和虚拟现实环境，通过WebGIS与遥感影像无缝对接，增强GIS服务效能。融合多种空间信息规范以及水利行业标准，以瓦片金字塔和数据集成中间件方式对空间地理信息和灌区数据资源进行集成和融合，并在互操作综合服务环境支撑下，面向灌区生态环境演变提供虚拟现实环境接口，支持系统应用层的实现。

1.4 系统标准化互操作服务

基于数字地球基础平台，采用投影变换并行算法，对遥感影像按影像金字塔模型进行切片处理，构建遥感影像瓦片描述及网络地图服务（WMS）环境，进而建立空间影像瓦片索引及邻域检索机制和层次模型，实现视域内像素点及经纬度之间的转换[12]。通过瓦片金字塔服务构建系统三维视域模型，瓦片金字塔作为一种多分辨率层次模型，在统一的空间投影参照下，按照不同空间分辨率将整幅影像或DEM数据分割成块进行存放，通过经纬度记录子块位置的空间索引，响应不同分辨率数据的访问和存储需求，通过空间代价换取时间代价，提高系统访问效率。影像金字塔所提供的分层数据管理和数据缓存技术，可以实现对海量地理数据的高效组织管理，并容易实现与数据内容、显示区域无关的多分辨率流畅显示。采用开放地理空间信息联盟（OGC）标准空间地理信息规范实现地图数据发布、叠加和渲染，以及数据通信、信息编码和地理信息的建模、传输和存储等服务[13]。

2 应用实例

2.1 研究区概况

黄河发源于青海省巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地，全长5 464 km，流域面积79.5万km2。据统计，截至2018年年底，黄河流域省份总人口和生产总值分别占全国的30.3%和26.5%[1]。流域内典型灌区主要包括黄河上游宁夏回族自治区的青铜峡灌区和内蒙古自治区的河套灌区，黄河中游陕西省的东雷抽黄灌区和泾惠渠灌区，黄河下游河南省的人民胜利渠灌区和山东省的簸箕李灌区等。通过对搜集数据资料和生态环境动态监测数据分析发现，灌区水资源和生态环境等方面还存在一些问题，制约着黄河流域生态保护与高质量发展。

2.2 系统应用功能

结合黄河流域灌区生态环境现状和存在的问题，将设计的灌区生态环境演变仿真系统应用到黄河流域灌区生态环境演变中，以黄河流域典型灌区为例，验证构建的仿真系统的可行性和实用性。受篇幅限制，重点以基于系统的多源信息融合服务、灌区生态环境影响因素监测、典型灌区土壤含盐量动态模拟和典型灌区干旱评价服务4个功能为例阐述系统的应用效果。

基于系统的河套灌区多源信息融合服务应用实例见图2。该服务为河套灌区基础信息、空间地理信息、工情和雨水情信息等提供多源信息融合、分析和三维可视化展示等，基础信息和空间地理信息主要包括灌区DEM、GIS、遥感影像和土地利用数据等，雨水情信息主要包括河套灌区生态环境相关的降水、径流、水位等因素，工情主要包括河套灌区内水库工程、水电站工程和机电井工程等信息。

图2 基于系统的河套灌区多源信息融合服务

基于系统的泾惠渠灌区生态环境因素监测服务应用实例见图3。该服务在剖析泾惠渠灌区生态环境问题的基础上识别泾惠渠灌区生态环境影响因子，基于系统对泾惠渠灌区生态环境的影响因素进行动态监测和可视化仿真，潜在的影响因素主要包括雨水情、流量和水位等水文因素，供用水量等水资源因素，灌区土壤含盐量、墒情、种植结构等。采用线性回归、Mann-Kendall检验等方法对长时序统计资料进行特征分析，基于系统的三维可视化基础环境对其进行可视化展示。

图3 基于系统的泾惠渠灌区生态环境因素监测服务

基于系统的青铜峡灌区土壤含盐量动态模拟应用实例见图4。该服务改变传统静态分析为基于系统的动态可视化模拟，采用多源信息融合技术剖析青铜峡灌区生态环境影响因素，包括土壤含盐量、墒情和地下水水位等，基于系统对上述影响因素进行分析，并将分析结果通过插值进行空间展布，按照系统提供的互操作服务将结果进行可视化展示。

图4 基于系统的青铜峡灌区土壤含盐量动态模拟

基于系统的泾惠渠灌区干旱评价应用实例见图5。该服务采用标准化降水指数（SPI）评价泾惠渠灌区干旱情况[14]，将SPI计算过程组件化，从系统构建的灌区生态环境数据资源库中获取相关的数据计算得到结果，并将计算结果进行插值和空间三维展布，进而得到不同时期灌区干旱空间分布情况，为灌区相关管理人员提供决策支持。

图5 基于系统的泾惠渠灌区干旱评价服务

3 结 语

针对灌区生态环境演变关键问题，从非工程措施出发，基于数字地球三维可视化环境设计、研发了灌区生态环境演变仿真系统，并以黄河流域典型灌区为例开展了实例应用，结果表明：该系统在对灌区生态环境相关数据资源整合和分析的基础上，构建灌区生态环境数据资源库，实现灌区空间地理信息、历史统计资料和动态监测生态环境相关数据的高效组织和管理，通过系统的可视化集成环境为用户提供个性化灌区信息管理、生态环境监测、应急管理、空间分析等服务，具有较好的三维可视化效果，并且具有较好的适应性。

系统为灌区生态环境演变提供三维可视化仿真环境，在黄河流域青铜峡灌区、河套灌区和泾惠渠灌区的应用实例表明：模拟效果和实际调研资料分析结果较为吻合;系统采用组件化软件开发技术，将数据资源和计算过程以组件的方式提供信息服务和计算服务，可扩展性好，避免了传统应用系统重复建设等问题。

参考文献：

[1] 习近平.在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话[J].求是，2019（20）：1-7.

[2] 左其亭.黄河流域生态保护和高质量发展研究框架[J].人民黄河，2019，41（11）：1-6.

[3] 李国英.黄河治理的终极目标是“维持黄河健康生命”[J].人民黄河，2004，26（1）：1-2.

[4] 杨龙，高占义.灌区建设对生态环境的影响[J].水利发展研究，2005（9）：18-23.

[5] KANG S Z， HAO X M， DU T S， et al. Improving Agricultural Water Productivity to Ensure Food Security in China Under Changing Environment： from Research to Practice[J]. Agricultural Water Management， 2017， 179： 5-17.

[6] LI R H， LIN H， NIU H P， et al. Effects of Irrigation on the Ecological Services in an Intensive Agricultural Region in China： a Trade-off Perspective[J]. Journal of Cleaner Production， 2017， 156： 41-49.

[7] ZHANG P Y， QIN C Z， HONG X， et al. Risk Assessment and Source Analysis of Soil Heavy Metal Pollution from Lower Reaches of Yellow River Irrigation in China[J]. Science of the Total Environment， 2018， 633： 1136-1147.

[8] 柴立，張晴，解建仓，等.基于主题分类和组件技术的灌区生态环境动态评价[J].农业工程学报，2017，33（24）：174-181.

[9] 杨柳，汪妮，解建仓，等.基于多源信息融合决策的灌区生态环境评价指标优选[J].农业工程学报，2015，31（14）：225-231.

[10] 姜仁贵，解建仓，李建勋，等.组件式雨水情应用集成平台设计与开发[J].水力发电学报，2012，31（6）：89-95.

[11] 姜仁贵，解建仓，李建勋.面向防汛的三维预警监视平台研究与应用[J].水利学报，2012，43（6）：749-755.

[12] 姜仁贵，杨思雨，解建仓，等.城市内涝三维可视化应急管理信息系统研究[J].计算机工程，2019，45（10）：46-51.

[13] 姜仁贵，于翔，解建仓，等.水利电子沙盘研究与应用[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2017，38（1）：13-17.

[14] JIANG R G， XIE J C， HE H L， et al. Use of Four Drought Indices for Evaluating Drought Characteristics Under Climate Change in Shaanxi， China： 1951-2012[J]. Natural Hazards， 2015， 75（3）： 2885-2903.

【责任编辑 吕艳梅】

收稿日期：2019-10-26

基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0401409）;国家自然科学基金资助项目（51679188，51509201，51979221）;陕西省自然科学基础研究计划项目（2018JM5031）

作者简介：姜仁贵（1985—），男，江西玉山人，副教授，研究方向为城市防洪减灾与应急管理

通信作者：解建仓（1963—），男，陕西眉县人，教授，研究方向为水资源管理及决策支持系统、水利信息化

E-mail：jcxie@xaut.edu.cn