劉佳璇，黃 梅

（1.北京市水土保持工作總站，100038，北京；2.云南省勐?？h水利局，666200，勐海）

“數(shù)字流域”是“數(shù)字地球”的一個(gè)重要層次，是數(shù)字地球概念的具體運(yùn)用。通過綜合運(yùn)用遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體及虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代高新技術(shù)對全流域的地理、自然、生態(tài)、人文、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)狀態(tài)等各種信息進(jìn)行采集和數(shù)字化管理，構(gòu)建全流域綜合信息平臺。

為適應(yīng)現(xiàn)代流域管理和信息化建設(shè)的需要，通過數(shù)字流域建設(shè)，可以使各級部門能夠有效管理整個(gè)流域的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，增強(qiáng)流域管理決策的科學(xué)性。其核心思想是,用數(shù)字化的手段，整體性地解決流域管理問題，最大限度地實(shí)現(xiàn)資源共享。

一、數(shù)字流域的理念產(chǎn)生

20世紀(jì)80年代初期到90年代中期，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用興起，部分發(fā)達(dá)國家隨之開展數(shù)字化、建模、虛擬仿真的研究。在不到30年時(shí)間里，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在傳統(tǒng)水利上的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，流域管理的觀念產(chǎn)生根本改變。實(shí)現(xiàn)流域的數(shù)字化管理，是世界各國發(fā)展和追求的共同目標(biāo)。數(shù)字流域的研究和建設(shè)非常迅猛，但數(shù)字流域的概念比較多樣化。

發(fā)達(dá)國家在數(shù)字化管理方面的研究和應(yīng)用起步較早，將數(shù)字流域與流域管理緊密結(jié)合，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在傳統(tǒng)水利上得到了充分的應(yīng)用。如美國、加拿大、日本、澳大利亞及西歐發(fā)達(dá)國家，在自然資源管理、流域現(xiàn)代化管理等工程中已獲得良好的效益。

1998年中國工程院張勇傳院士提出了“數(shù)字流域”的思想并結(jié)合湖北清江流域的水能綜合利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展提出“數(shù)字清江”的構(gòu)想，這是我國學(xué)者首次提出“數(shù)字流域”概念。近年，我國信息化發(fā)展迅速，各地紛紛響應(yīng)數(shù)字流域建設(shè)。目前，我國在數(shù)字流域基礎(chǔ)平臺建設(shè)方面已經(jīng)初具規(guī)模。先后提出“數(shù)字黃河”“數(shù)字黑河”“數(shù)字海河流域”“數(shù)字清江流域”和“數(shù)字長江”等各種大小流域工程的設(shè)計(jì)思想及研究方法。

對“數(shù)字流域”一直以來沒有明確的定義和含義。由于認(rèn)識的差異，現(xiàn)有數(shù)字流域建設(shè)，普遍情況是包括數(shù)據(jù)庫及查詢系統(tǒng)、數(shù)字化三維虛擬演示系統(tǒng)，以及集成了局部應(yīng)用模型的封閉系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下包括信息傳輸?shù)男畔⑾到y(tǒng)，更多的是包羅眾多應(yīng)用技術(shù)在內(nèi)的集成系統(tǒng)。

二、數(shù)字流域的構(gòu)架

數(shù)字流域的核心是構(gòu)建一個(gè)流域性的地理信息系統(tǒng)，以流域空間信息為基礎(chǔ)，融合流域內(nèi)各種數(shù)字信息，建立系統(tǒng)平臺，對真實(shí)流域及其相關(guān)現(xiàn)象統(tǒng)一數(shù)字化重現(xiàn)，它把流域搬進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室和計(jì)算機(jī)，成為真實(shí)流域的虛擬對照體。根據(jù)數(shù)字流域整體思想，普遍認(rèn)為數(shù)字流域整體結(jié)構(gòu)包括3個(gè)層面的內(nèi)容，即數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用和綜合決策層。由于數(shù)字流域沒有明確的定義，數(shù)字流域的構(gòu)架方案也不盡相同。通常，數(shù)字流域的架構(gòu)遵循以下原則：①要構(gòu)建規(guī)范統(tǒng)一的共享平臺，消除信息壁壘和信息孤島，提高信息資源效率。②必須考慮流域和行政兩個(gè)空間邏輯的統(tǒng)一性，注重海量空間數(shù)據(jù)連續(xù)分析。③科學(xué)實(shí)用,立足長遠(yuǎn)，近處著手。

綜上所述，本研究分析數(shù)字流域構(gòu)架分為用戶層、應(yīng)用和綜合決策層、模型層、數(shù)據(jù)層。具體設(shè)計(jì)如圖1。

1.用戶層

用戶層作為流域管理相關(guān)職能部門業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的集成平臺與對外信息服務(wù)的窗口，按照不同權(quán)限劃分為決策人員、業(yè)務(wù)人員、社會(huì)公眾等3種用戶。采用門戶技術(shù)實(shí)現(xiàn)對內(nèi)業(yè)務(wù)管理和對外業(yè)務(wù)受理與信息發(fā)布的服務(wù)。

2.應(yīng)用和綜合決策層

以流域空間信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為流域管理業(yè)務(wù)支撐，建立數(shù)字流域管理業(yè)務(wù)邏輯，構(gòu)建各項(xiàng)管理事務(wù)流程，涵蓋業(yè)務(wù)分析、管理、信息服務(wù)等內(nèi)容。

應(yīng)用和綜合決策層在數(shù)據(jù)層和模型層的基礎(chǔ)上提供兩種類型的服務(wù)，即數(shù)據(jù)提供和決策支持。數(shù)據(jù)提供服務(wù)包括各種形式的數(shù)據(jù)查詢和顯示，決策支持服務(wù)是在數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)和模型模擬結(jié)果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上綜合應(yīng)用專家知識庫和各種評價(jià)體系進(jìn)行決策評價(jià)，并給出處理方案。

3.模型層

模型層是由各種能夠模擬流域某種現(xiàn)象或行為的功能模塊組成，現(xiàn)有的這些模塊只能模擬有限的行為，需要不斷完善。流域的各種過程非常復(fù)雜，如洪澇過程、水污染遷移降解過程、流域生源物質(zhì)的輸移轉(zhuǎn)化過程、城市化過程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程等。流域事件往往同時(shí)涉及多個(gè)過程，各模型與數(shù)據(jù)的融合，模型如何利用數(shù)據(jù)得到分析結(jié)果，以及分析結(jié)果如何作為數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)源為決策者和公眾提供服務(wù)等，都是需要解決的關(guān)鍵問題。

當(dāng)今數(shù)字流域涉及的模型有：流域空間分析模型、分布式時(shí)空水文模型、氣象模型、水環(huán)境模型、水資源模型、防洪減災(zāi)決策模型、水土保持模型、其他專業(yè)模型等。

圖1 數(shù)字流域構(gòu)架圖

4.數(shù)據(jù)交換平臺

數(shù)據(jù)交換平臺主要為數(shù)據(jù)流域空間信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享服務(wù)，可有效隔離下層數(shù)據(jù)與上層應(yīng)用之間的直接聯(lián)系，方便系統(tǒng)靈活擴(kuò)展。

5.數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層也叫數(shù)字流域基礎(chǔ)層，是數(shù)字流域建設(shè)的基礎(chǔ)平臺。包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)層是模型層的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)層是信息匯集的目的地，是數(shù)據(jù)存儲與管理的基礎(chǔ)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲包括：水資源數(shù)據(jù)庫、水文數(shù)據(jù)庫、水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫、水利工程數(shù)據(jù)庫、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫等各類和流域相關(guān)的專題數(shù)據(jù)庫，及與其對應(yīng)的元數(shù)據(jù)庫、代碼庫。針對不同業(yè)務(wù)級別和分工，還應(yīng)建立權(quán)限管理數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)的存儲區(qū)可以分相對靜態(tài)空間數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，要充分考慮數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)時(shí)序，優(yōu)化應(yīng)用。

6.關(guān)鍵技術(shù)支撐

數(shù)字流域的關(guān)鍵技術(shù)主要有：基本地理信息技術(shù)數(shù)字倉儲技術(shù)、模型庫技術(shù)、決策支持技術(shù)、基于DEM的流域地型自動(dòng)提取和分析技術(shù)、流域—水系拓?fù)浼夹g(shù)、海量柵格數(shù)據(jù)管理、海量連續(xù)分析技術(shù)信息共享與互操作、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。

三、數(shù)字流域軟件體系

數(shù)字流域系統(tǒng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程。從軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，其涉及領(lǐng)域龐大、復(fù)雜易變，應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)數(shù)量和種類繁多，系統(tǒng)之間的交互關(guān)系復(fù)雜，數(shù)字流域系統(tǒng)部件之間存在很多相似。盡管數(shù)字流域軟件體系龐大而復(fù)雜，這些復(fù)雜關(guān)系卻也正是數(shù)字流域系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本文介紹3種數(shù)字流域軟件體系結(jié)構(gòu)：正交軟件體系結(jié)構(gòu)、三層C/S軟件體系結(jié)構(gòu)、C/S和B/S混合軟件體系結(jié)構(gòu)。

1.正交軟件體系結(jié)構(gòu)

正交軟件體系結(jié)構(gòu)由組織層和線索的構(gòu)件構(gòu)成。組織層是由一組具有相同抽象級別的構(gòu)件構(gòu)成。線索是子系統(tǒng)的特例，它是由完成不同層次功能的構(gòu)件組成并通過相互調(diào)用實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，每一條線索完成整個(gè)系統(tǒng)中相對獨(dú)立的一部分功能。與其他線索的實(shí)現(xiàn)無關(guān)或關(guān)聯(lián)很少，在同一層中的構(gòu)件之間不存在相互調(diào)用。

正交軟件體系結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)清晰，易于理解。由于線索之間相互獨(dú)立，當(dāng)軟件需求發(fā)生變化時(shí)，可以將新需求分解為獨(dú)立的子需求，然后以線索和其中的構(gòu)件為主要對象，分別對各個(gè)子需求進(jìn)行處理。

根據(jù)正交軟件體系結(jié)構(gòu)模式和特定流域的應(yīng)用需求，數(shù)字流域正交軟件體系設(shè)計(jì)如圖2。某數(shù)字流域—水土保持—水土保持監(jiān)測預(yù)報(bào)—降雨量監(jiān)測—土壤侵蝕模型—數(shù)字流域綜合數(shù)據(jù)庫是一條線索，ABCDEF也是一條線索。

2.三層C/S軟件體系結(jié)構(gòu)

C/S軟件體系結(jié)構(gòu)，即Client/Server（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，將應(yīng)用一分為二，服務(wù)器（后臺）負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理，客戶機(jī)（前臺）完成與用戶的交互任務(wù)。三層C/S結(jié)構(gòu)是將應(yīng)用功能分成表示層、功能層和數(shù)據(jù)層等3個(gè)部分。

從數(shù)字流域的功能需求上，根據(jù)三層式C/S體系結(jié)構(gòu)模式，對應(yīng)地將系統(tǒng)分為數(shù)字流域基礎(chǔ)信息平臺、數(shù)字流域?qū)I(yè)應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)字流域綜合管理與決策系統(tǒng)。如圖3所示。

在三層式C/S軟件體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序一般分為若干部分，分別運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)上，通過局部網(wǎng)絡(luò)或Internet共享數(shù)據(jù)信息。三層C/S軟件體系結(jié)構(gòu)采用多層分布式應(yīng)用程序服務(wù)組件開發(fā)，為數(shù)字流域系統(tǒng)的功能提供了良好的結(jié)構(gòu)擴(kuò)展空間。對各個(gè)子系統(tǒng)用不同語言編寫的情況，采用三層C/S軟件體系結(jié)構(gòu)，可以使系統(tǒng)在邏輯上保持相對的獨(dú)立性，從而使系統(tǒng)整體邏輯結(jié)構(gòu)更為清晰。根據(jù)應(yīng)用擴(kuò)展，可靈活地配置系統(tǒng)軟、硬件平臺，以提高系統(tǒng)的整體性能。數(shù)據(jù)庫的建立也可以采取異構(gòu)數(shù)據(jù)源互聯(lián)結(jié)構(gòu)。利用功能層有效地禁止非授權(quán)的訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，提高了系統(tǒng)的安全性。另外，三層C/S軟件體系結(jié)構(gòu)模式容易向B/S模式轉(zhuǎn)換，具有很好的應(yīng)用前景。

3.C/S與B/S混合軟件體系結(jié)構(gòu)

B/S結(jié)構(gòu)（Browser/Server結(jié)構(gòu)）即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。它是隨著Internet技術(shù)興起，對C/S結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶界面是通過www瀏覽器來實(shí)現(xiàn)的，極少部分事務(wù)邏輯在前端實(shí)現(xiàn)。在全球信息網(wǎng)絡(luò)化的今天，網(wǎng)絡(luò)查詢成為大眾的生活方式，作為流域管理，其各方面的動(dòng)態(tài)變化都與人們的生活息息相關(guān)。所以，流域信息通過網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議發(fā)布出來，具有類似因特網(wǎng)的互操作性，可實(shí)現(xiàn)對流域地理數(shù)據(jù)信息的查詢、共享和可視化及相關(guān)空間分析交互操作。

C/S軟件體系結(jié)構(gòu)中，客戶端的應(yīng)用程序配置復(fù)雜，特別是對于非專業(yè)的公眾用戶而言，Internet結(jié)構(gòu)中的瀏覽器足以滿足需要。因此，在應(yīng)用結(jié)構(gòu)中將B/S與C/S結(jié)合不僅滿足專業(yè)用戶的需求，而且也可以為公眾用戶提供一定的服務(wù)。將網(wǎng)絡(luò)與流域各類數(shù)據(jù)信息集成在一起，實(shí)現(xiàn)流域空間數(shù)據(jù)及其處理方法最大化的方便和有效的共享。

與C/S體系結(jié)構(gòu)相比，B/S體系結(jié)構(gòu)也有許多不足。B/S體系結(jié)構(gòu)對動(dòng)態(tài)頁面的支持能力仍然有限，數(shù)據(jù)庫處理功能不足，系統(tǒng)擴(kuò)展能力差，安全性難以控制，采用B/S體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)速度等性能上，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于C/S體系結(jié)構(gòu)。B/S體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)提交一般以頁面為單位，數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交互性不強(qiáng)，不利于在線事務(wù)處理應(yīng)用。

根據(jù)上述特點(diǎn)，數(shù)字流域軟件體系采用C/S與B/S混合軟件體系結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖2 數(shù)字流域正交軟件體系結(jié)構(gòu)圖

圖3 數(shù)字流域三層C/S體系結(jié)構(gòu)圖

C/S與B/S混合軟件體系結(jié)構(gòu)，是一種典型的異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)既發(fā)揮了C/S體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又利用B/S體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)解決了C/S體系結(jié)構(gòu)的不足。這一結(jié)構(gòu)在數(shù)字流域應(yīng)用上具有很好的前景。

四、數(shù)字流域應(yīng)用

流域是一個(gè)有機(jī)的整體，其資源和環(huán)境、自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)密不可分，勢必需要從整體上全面地進(jìn)行管理。數(shù)字流域是指以地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，具有多維顯示和表達(dá)流域狀況的虛擬流域。數(shù)字流域是對流域過去的記錄和展示，對現(xiàn)在的數(shù)字實(shí)時(shí)在線，以及對流域未來的預(yù)測。所以，數(shù)字流域是流域現(xiàn)代化管理的重要技術(shù)手段，是我國流域管理的發(fā)展方向。

圖4 數(shù)字流域C/S與B/S混合軟件體系結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字流域作為一個(gè)信息共享服務(wù)的基礎(chǔ)平臺，具有廣泛的應(yīng)用前景，可以包括洪澇災(zāi)害的預(yù)警與損失評估、環(huán)境變化對生物多樣性的影響、水資源的合理配置與管理調(diào)度、流域過程模擬、物質(zhì)遷移與輸送、水土保持監(jiān)測、水利工程建設(shè)管理、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與布置、土地利用結(jié)構(gòu)變化、水利勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)、水利數(shù)字圖書館、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、水利信息政府服務(wù)和公眾服務(wù)等。數(shù)字流域可以對重大決策實(shí)行全流域數(shù)字仿真預(yù)演，為流域經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。同時(shí)，在國家重大項(xiàng)目的決策、工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與建設(shè)、社會(huì)生活等方面，數(shù)字流域也能夠提供全面、高質(zhì)量的服務(wù)。數(shù)字流域整體性和系統(tǒng)性的全局觀念，將為資源開發(fā)與管理帶來嶄新的局面。

數(shù)字流域的具體應(yīng)用主要包括決策和實(shí)施兩個(gè)階段。決策是建立在全面分析流域信息的基礎(chǔ)上，綜合考慮各方面因素，根據(jù)所建立的決策模型和決策支持系統(tǒng)作出決策，并制定相應(yīng)的實(shí)施措施。實(shí)施是對決策的執(zhí)行，包括命令的下達(dá)、接收及采取相應(yīng)的措施。從決策到實(shí)施的過程要以數(shù)字流域的技術(shù)體系為基礎(chǔ)，才能發(fā)揮最佳效益。

在數(shù)字流域的構(gòu)架和軟件體系設(shè)計(jì)上，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求選擇。正交軟件體系結(jié)構(gòu)和三層C/S軟件體系結(jié)構(gòu)適用于業(yè)務(wù)部門內(nèi)部使用，專業(yè)性較強(qiáng)，安全性要求較高或涉及機(jī)密的業(yè)務(wù)。C/S與B/S混合軟件體系結(jié)構(gòu)，可以全面、整體地管理業(yè)務(wù)，在部門內(nèi)部可使用C/S結(jié)構(gòu)，社會(huì)公眾瀏覽、通知公示等內(nèi)容可用B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

五、結(jié) 語

數(shù)字流域是數(shù)字地球在流域尺度上的一種嘗試。目前，數(shù)字流域的研究和建設(shè)發(fā)展迅速，但還存在一些問題，如數(shù)據(jù)共享無法實(shí)現(xiàn)、缺乏強(qiáng)有力底層核心技術(shù)支撐、難以提高應(yīng)用效益等。數(shù)字流域的建設(shè)需要多種理論和技術(shù)的高度集成和應(yīng)用，其架構(gòu)和軟件體系研究也需要在實(shí)踐中繼續(xù)探索。

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