1.3 河流模拟信息化发展趋势

1.3.1 河流模拟信息化意义

当今世界已经进入信息时代。基于互联网环境的物联网、大数据、云计算、移动网、智慧水利等热门技术发展方兴未艾，其应用正在迅速促进社会发展，加剧市场竞争，深刻地改变着人们的生活。网络宽带化、数据集约化、应用智能化是当前信息化发展的显著标志，也会深刻影响我们的科研方式甚至思维模式。我们要用信息化的尺度来衡量我们的科研方式和成果技术含量。

近年来，随着经济社会的不断进步、信息技术的迅猛发展和水利事业的全面推进，水利信息化逐步深入，全面提升了水利为国民经济和社会发展服务的能力和水平。作为中国第一大河，长江水利信息化建设在取得显著成效的同时，为应对全球气候变化及人类活动加剧而带来的洪涝灾害、水污染、水环境恶化、水土流失等问题，也对水利信息化中的应用系统建设提出了更新、更高的要求。目前，河道监测和水文数据采集自动化水平越来越高，各类河道水文数据可通过远程传输及时获得，水文预报和河流模拟水平也在不断提高，各类模拟预测数据也越来越多。随着经济的发展，许多河流干支流上兴建了大量的水库，还有许多的桥梁、码头、取排水口工程、航道整治工程、管道跨越等工程也在河流上兴建。另外，根据流域治理、保护与开发需要，岸线利用规划、河道治理规划、采砂规划、航道规划等规划相继出台，河道中各类治理与开发利用工程不断增多。如何对这些信息有效管理，以便进行统计查询，无论是对河流研究人员，还是流域管理人员都是非常急需的。作为水利信息化应用系统的重要科技支撑部分，因此基于地理信息技术，建立包含水情、河道、航道、水库、防洪工程、涉水工程、规划工程、河流数值模拟成果的河流信息管理平台，并将其进行直观、生动的全息演示，能够对流域和水利对象进行有效的跟踪、模拟、展示与管理，从而为流域的防汛抗旱减灾、水资源评价、水资源开发利用规划、水土保持规划、经济发展规划、生态与环境建设规划和用水政策制定等科学决策提供强有力的科技支撑。

目前，国内外已建立的信息平台大都针对单一目的研制，如水文部门建立的实时水情信息平台，航道部门建立的数字航道平台，还有GIS地理信息平台等，而长江流域河流信息量非常之大，包括水文、河道、航道、工程、规划等各个方面，如何在一个统一的平台中将各类信息进行有效的规划与整合，最终建立功能完备、可视化强的河流信息管理平台，是将来信息化发展的必然趋势。其次，以往研制的信息平台，偏重于信息的数据库管理和数据的查询，缺乏空间位置概念，其查询为简单的数据搜索，缺乏具体场景的表达，因此在结合目前先进的地理信息技术，实现河流信息在航拍地貌和建筑物模型环境中的时空查询管理是非常有意义的。再次，以往的信息平台，其数据多为监测的数据，缺乏对未来情况的预测，因此影响人们对发展趋势的判断和决策，为此将现实数据与模拟预测数据信息相结合，实现监测、模拟信息在三维空间中的展示、查询和管理。

因此，结合国家加快水利信息化建设的要求，借助计算机技术与信息技术的不断进步，对长江流域各类河流信息进行数字化，并与模拟成果进行有效的规划与整合，最终建立功能完备、可视化强的河流信息管理平台，能够对流域水沙循环和流域治理开发与管理的各类信息进行管理、查询和展示，并提供可视化的决策支持，增强决策的科学性和预见性，对于加快长江水利信息化建设、提高长江流域管理的整体性与全局性水平、增强水利决策预期可视化程度、提高流域主管部门对水利日常工作及应急处理的支撑与服务能力，提高各类河流数学模型的科技支撑能力均是十分迫切和必要的。

1.3.2 河流模拟信息化方法

信息化的最终发展方向是与云计算、大数据、物联网、可视化技术相结合，相互交融，共同为人们快速、直观地提供可供决策参考的信息。可以预见，将来河流数值模拟将大部分通过云计算来实现。河流数值模拟一方面需要大量的河流基础数据，通过模拟后又产生大量的模拟数据，因此需要采用大数据分析技术，来快速处理这些数据。河流数值模拟需要大量的原型观测数据，通过物联网技术将大大提高监测数据的获取和传输效率，从而提高河流模拟数据输入效率。河流模拟输出的数据需要可视化，可视化是“科学之眼”，是数学模型逐步取代物理模型的重要手段，可视化虽然是信息化的重要组成部分，但不能等同于信息化，信息化的本质特征是对外发布，或者说是信息共享。

本书拟基于谷歌地球来实现河流模拟的信息化。具体而言，是基于Google Earth和Google Maps平台进行二次开发，将河流基础数据和模拟数据在Google Earth和Google Maps平台上进行管理和显示。

其优点在于：①有助于我们结合实际的地貌和建筑物更好地分析各类信息，同时还可利用Google Earth软件缩放、平移、鸟瞰等功能，更直观展示河流基础信息和模拟成果；②可充分利用谷歌地球中大量的航拍地貌及建筑物三维模型，节省了大量的人力物力，可将精力集中于河流模拟技术的提高和与地理信息系统的有机结合方面；③同时随着谷歌地球数据的更新和功能的扩展，河流模拟可视化和信息化效果也同步提高；④还可充分利用气象、交通、国土等其他部门构建的谷歌地球平台基础数据。

从未来发展趋势来看，由于Google Earth和Google Maps软件本身就是一个浏览器，并已成功运用了云计算、大数据、可视化等技术，因此开发基于Google Earth和Google Maps的河流信息平台，将有助于将河流数值模拟技术与现代信息技术相结合，将河流数值模拟技术融入到智慧地球之中，更好地为水利科研和流域管理提供技术支撑。

1.3.3 河流模拟与信息化发展趋势

（1）模型由低维向高维方向发展。一般而言一维模型用于解决长河段的问题，二维和三维模型用于解决局部河段的问题，随着并行技术的运用和数值计算方法的改进，使得较长河段、大范围二维模型成为可能，三维模型也用于较长时段的计算。

（2）模型模拟功能不断丰富。在传统的模拟水沙运动基础上，增加浓度场、温度场，以及污染物随泥沙颗粒输运的模拟，水环境与水生态的模拟等。由单一河段、单一功能的模拟向整个流域和多功能的方向发展。

（3）在线模拟与云计算。云计算是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给计算机和其他设备。人们运用数学模型是为了得到可供决策的信息，而不是模型本身，未来的模型应位于后台服务器之中，通过网络登录运算界面，实现在线模拟和人机交互。

（4）大数据管理与分析。随着云时代的来临，大数据也吸引了越来越多的关注。大数据不再仅用来描述大量的数据，还涵盖了处理数据的速度。大数据分析相比于传统的数据仓库应用，具有数据量大、查询分析复杂等特点，常和云计算联系到一起。将来模型计算成果将通过云计算并以数据库形式进行保存，便于今后的查询、管理和及时提取有用的信息，并能通过互联网终端进行信息发布。

（5）模拟成果的信息化与可视化。信息化是以现代通信、网络、数据库技术为基础，对各种数据进行汇总存储，供人们进行查询，可视化是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来。因此将模拟成果进行信息化和可视化处理后，可以极大地提高模型计算的效率，实现计算成果的发布和查询，推动数值模拟技术与信息技术的发展。

（6）自动校正和智能决策。模型应能根据不断更新的实测资料，自动对模型参数进行校正，并能根据模拟结果，进行智能分析和判断，为决策者提供指导，譬如在洪水演进模拟中，根据洪水等级自动发出警报，在河道稳定性模拟中，能预测判断崩岸或河势调整的可能性。

总之，随着物联网、移动互联网、云计算、大数据时代的到来，可以预测，未来河流数值模拟将向系统集成化、模型可视化、数据信息化和决策智能化方向发展。