专利名称：水文模型与gis模型的二元结构共享方法
技术领域：
本发明属于水文模型与GIS模型集成技术领域，尤其涉及水文模型与GIS通过ニ 元结构共享实现完全集成的方法。
背景技术：
随着水专业模型和GIS技术不断的发展，GIS界渴求提高GIS的分析功能，同时水科学研究人员对精确地理信息的要求也越来越多，因此促成了水文模型同GIS模型集成的研究。该研究已成为改进GIS技术的控件分析和建模能力研究的重要組成部分。目前，水文模型和GIS集成的表现形式主要分为四种类型(I)GIS 功能嵌入水文模型，如RiverCAD、HEC-RAS0(2)水文模型嵌入 GIS 平台，如USACE 的 HEC-SAS、ESRI 的 ArcGIRD。(3)水文模型与GIS的松散耦合，多个单独的软件集成，如GIS软件包和水文/水利建模程序或者统计软件集成。(4)水文模型与GIS的紧密耦合，定制统一的应用程序界面，将多个软件的功能集
成在一起。以上四种集成方法都只是单纯的技术驱动，采用开放简单的接ロ，以数据的形式进行集成。耦合程度是浅表性的，是数据上的集成而不是结构上的集成。因此使得这类集成方式在结构上造成了一下三大问题(1)时空特征问题水文模型是时间上连续的过程性模型，GIS模型多为与时间无关的非过程性模型。(2)拓扑关系问题拓扑是研究地理实体在空间上的重要基础，是记录了各对象之间的控件结构关系。水文模型中研究的地理对象往往是ー些复杂的地理对象，这些复杂对象是由很多个简单地理对象(点、线、面)組成，不仅对象间存在拓扑关系，单个对象内部有特定的拓扑关系。因此用传统GIS的拓扑关系来描述复杂对象，工作讲非常繁琐，而且复杂水文分析难以实现。(3) GIS地理分析功能不足的问题GIS在对非过程性静态模型，如数字高程模型、 空间统计分析模型等，分析功能已经非常完善。而对过程性动态模型，如水文模型，分析能力不足。
发明内容
造成现有集成方式问题的原因在于水文模型与GIS模型结构不同。GIS模型的数据结构属于空间对象并联式离散结构，主要指点、线、面及像元等最基本的GIS构模对象， 因此GIS模型属于简单对象模型。水文模型结构属于地理对象串、并联混合式有机整体结构，主要指水系、河道、断面、山区、平原、城镇、农田、林地、草地等最基本的水文地理単元及其特定的組合水文地理对象，水文模型属于复杂对象模型。在讨论水文模型与GIS模型集成问题方面，将水文模型与GIS模型之间不同的模型对象结构称之为ニ元结构。
本发明解决上述ニ元结构差异问题所采用的技术方案是在兼容现有的水文模型与GIS模型结构的基础上，以水文模型及应用需求为主，以GIS模型为支撑，可以构建相同地理空间的双对象ニ元结构共享体。主要包括以下几个步骤包括一下步骤(1)对真实地理对象进行地理对象解析以及模型模拟对象解析。(2)在现有GIS模型对象引进另ー个对象簇，即水文模型对象簇系列，使得ー个 GIS模型对象对应ー个水文模型对象，内部实现一一对应的关系。(3)在步骤( 基础上形成的共同体，定义为双对象共享体，是ニ元结构共享方法的核心。本发明能够有效的解决现有集成方式产生的三大类问题(1) ニ元结构共享方法的核心在于共享体，共享体内部强调地理对象与模型对象的一一对应，实现了将拉格朗日运动观与欧拉运动观两种不同的时空概念在共享体中兼容与共享，解决了两者时空特征不同的问题。(2)共享体的实质就是复杂对象，因此将传统GIS的拓扑关系转换为复杂对象内部的属性特征，从而简化了描述拓扑关系的工作。(3)共享体内部强调地理对象与模型对象的一一对应，共享体即含有GIS对象的结构，又含有水文模型对象的结构特征，并且解决了两种时态的兼容与共享，因此在提高了 GIS对过程性动态模型，如水文模型的分析能力。
图1是GIS模型对象结构与水文模型对象结构存在重合部分。图2是双对象结构共享体示意图。图3是双对象ニ元结构共享关系示意图。图4是双对象结构共享体构成流程图。
具体实施例方式(I)GIS模型的解析方法论GIS时空概念是基于拉格朗日运动观。Goodchild提出地理信息科学的学科，新型地理概念的模型、地理概念的计算实施和信息社会的地理三个核心要素，从理论上提出了解决目前GIS中关于时空概念是基于拉格朗日运动观的局限，对于基于地理信息科学的水文建模的研究进程很关键，但无法解决基于欧拉运动时空概念观的过程性模型(如流域水文模型)的问题。GIS模型采用的是解析论方法。如GIS对复杂地理对象采用最基本的点、线、面矢量结构和点阵栅格解析，各种基本地理信息采取分类分层的离散式管理，同类型、同结构归为ー层。一般ー个地区的GIS信息图层少则数十层，多达数百层，而对区域复杂地理问题表达与处理方法是采用多层基本地理信息图层有机叠加组合。这种地理图层组合，根据所需要反映的地理问题，选择适当的图层，采用适当方式叠加组合而成。GIS多图层组合可以把复杂地理对象直观地“呈现”给用户，而不是将形成这种复杂地理现象的机理有机地“解析”给用户。因为各图层的基本地理对象之间没有明确的地理原理，只有显性的空间位置。再如用DEM表示山川地形变化，用遥感图像反映地物景观，技术上只要获得或赋予特定区域网格点阵(PIXCELL)数值即可，不必了解各点与其周围点的关系。对于DEM或遥感图像所反映出来何种地理现象、地理特征等问题，由判读该DEM或遥感图像的人员根据其专业或经验予以解译，可以是多种解译。因GIS模型侧重干“形”，只要能满足干“形”的表达的对象结构都可以使用。GIS 将复杂地理问题用最简单方法处理与表达出来，如何理解这些复杂的地理问题交给使用它的用户。这也赋予用户与GIS具有良好的交互性，不同行业背景、不同专业需求可以采用不同的GIS图层组合，展示他们关心的地理问题，表达他们需要的地理问题。(2)水文模型的系统方法论流域水文模型的时空概念主要是基于欧拉运动观。如用水文模型分析计算某一河段的洪水过程，需要将流域的降雨、蒸发、土壌水、地下水、河道径流等的时空分布及其相互转换相关參数，产汇流计算的过程与结果需要符合水量平衡和能量平衡原理。从地理对象角度，降雨、蒸发、土壌水、地下水、河道径流属于不同类型的地理对象，每ー种对象都不是简单的地理对象，每ー种转换关系都不是简单的地理关系。简单地理对象、简单地理关系可赋予ー个均值，而复杂地理对象及关系是非均值。水文模型的方法论以系统论为指导，将各种水文地理単元，按照水循环系统的流域水文地理基本规律，四水转化过程，形成山地水文、平原水文、河口水文、小岛水文、岩溶水文、沙漠水文、冰川水文、冻土水文等水文地理模型，甚至将包含多种水地理特征的典型大河流域冠以典型流域水文模型，如新安江水文模型、太湖水文模型、淮河水文模型、陕北水文模型等。因水文模型侧重干“神”，主要是掲示水文机理，水文模型是将看不见、摸不着的水文机理与过程解析给用户，所以他的专业性強，服务于涉水的专业领域。(3) ニ元结构共享理论基础在解决具体流域地理空间问题吋，水文模型对象与GIS模型对象是ー个问题的两个方面，只是二者的服务目的不同，关注的问题不同，解决的方法不同，各自数据要求不同。 但二者共同关注的地理对象是相同的，如流域、水系、地形等。点、线、面、栅格等数据结构均为水文模型对象与GIS模型对象的基本数据结构， 只是几何解析的点、线、面、栅格可满足GIS模型需求，而不能完全满足水文模型对象的系统性需求。因此水文模型对象与GIS模型对象绝大部分具有空间相同、对象相同、基本数据结构相同的特征，即水文模型与GIS模型的对象具有重合性，如图1所示。但水文模型对象需要在基本数据结构的基础上进行系统重組。对象的可重合性是二者信息需要结合在一起、可以结合在一起的理论基础。本发明认为水文模型与GIS模型可共建一个复杂地理对象共享体，即公共的复杂地理対象体。复杂地理对象具有空间特征与地理过程的复合属性，而且复杂地理对象是由系列基本地理对象有机组合而成，其基本对象的空间信息可以普通GIS和专业GIS获取，但其水文地理特性可以通过水文监测或模型计算赋予。从GIS模型角度，具有了地理过程机理分析属性，从水文模型角度，具备了地理空间关系分析与表达能力。
(4) ニ元结构共享体基于水文模型与GIS模型在结构上具有重合性的客观现实以及构建复杂地理对象共享体的可行性，本文认为要跨跃水文模型与GIS模型ニ元结构的信息交互鸿沟，需要构建水文模型与GIS模型之间公共的复杂地理对象。技术路线为在兼容现有的水文模型与 GIS模型结构的基础上，以水文模型及应用需求为主，以GIS模型为支撑，构建相同地理空间的双对象ニ元结构共享体。双对象是指GIS模型对象与水文模型对象。本文双对象是指他们在密切关联的部分，其模型的系列信息结构保持一致，以保证GIS模型对象与水文模型对象二者之间的信息交互与共享，即双对象共享结构。GIS模型对象与水文模型对象间是通过数据集成实现。由前述可知流域管理模型中的过程性动态模型(如数字水文模型)，是基于欧拉运动观的时空概念，因此在GIS中引进另ー个对象簇系列——模型对象簇系列(图2)，并且系统内部两个对象簇系列间的对象一一对应，它们之间通过相同的数据结构实现共享(图3)，即可以使GIS在两种不同的时空运动观(拉格朗日运动观与欧拉运动观)概念之间共享并兼容。由于地理对象数据结构与模型对象数据结构的不一致，导致两者间虽然在系统内部一一对应，但还无法解决两者间信息交互的高效、流畅的问题。为此引进双对象结构共享体的概念同吋，通过对两个对象间的数据结构分析，形成一个两者共用的统ー数据结构 (图4)，该数据结构称之为共享体。利用共享体作为双对象共享结构的载体，解决模型对象与地理对象间的交互效率低的问题。
权利要求
1.一种水文模型与Gis模型的ニ元结构共享方法，其特征在于在兼容现有的水文模型与GIS模型结构的基础上，以水文模型及应用需求为主，以GIS模型为支撑，构建具有相同地理空间、统ー数据结构的双对象结构，利用双对象结构作为ニ元结构共享体的载体，实现水文模型同GIS模型的完全集成；构建双对象结构的方法包括以下步骤(1)对真实地理对象进行地理对象解析以及模型模拟对象解析；(2)在现有GIS模型对象引进另ー个对象簇，即水文模型对象簇系列，使得ー个GIS模型对象对应ー个水文模型对象，内部实现一一对应的关系；(3)在步骤( 基础上行的共同体，为双对象共享体。
2.根据权利1所述的水文模型与GIS模型的ニ元结构共享方法，其特征是双对象共享体是指他们在密切关联的部分，其模型的系列信息结构保持一致，以保证GIS模型对象与水文模型对象二者之间的信息交互与共享。
3.根据权利1所述的水文模型与GIS模型的ニ元结构共享方法，其特征是共享体是水文模型对象与GIS模型对象共用的统ー数据结构，利用共享体作为双对象共享结构的载体，解决模型对象与地理对象间的交互效率低的问题。
全文摘要
本发明公布了一种水文模型与GIS模型的二元结构共享方法，所述方法在兼容现有的水文模型与GIS模型的基础上，以水文模型及应用需求为主，以GIS模型为支撑，构建具有相同地理空间、统一数据结构的双对象结构，在双对象结构体系中引入共享体的概念，解决模型对象与地理对象间的交互效率低的问题，实现水文模型与GIS的完全集成。本发明实现了将拉格朗日运动观与欧拉运动观两种不同的时空概念在共享体中兼容与共享，解决了两者时空特征不同的问题。简化了描述拓扑关系的工作。解决了两种时态的兼容与共享，提高了GIS对过程性动态模型，如水文模型的分析能力。
文档编号G06F17/30GK102591957SQ20111045126
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者丁贤荣, 任立良, 向小华, 张晓祥, 杨勇, 王船海, 马腾飞 申请人:河海大学