CN108108544B - 洪水分析模拟系统二维水动力学结果数据轻量化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种洪水分析模拟系统二维水动力学结果数据轻量化的方法，采用地理信息平台提供的数据处理工具，将大数据量的二维水动力学洪水计算结果数据进行轻量化处理；步骤1、洪水计算结果数据的转换和导入导出；步骤2、洪水计算结果时刻和计算结果属性的筛选；步骤3、矢量要素渲染分级设计；步骤4、结果矢量要素融合；步骤5、最终结果时态数据的生产。本发明将大数据量的二维洪水计算结果进行高度轻量化处理，在保证数据可视化效果的前提下，将计算结果数据压缩近1000倍，解决了在B/S架构水利信息化系统中，由于网速、浏览器渲染能力限制而难以直接在浏览器上进行高精度洪水动态展示的难题，促进了水利信息化技术的发展。
Description
技术领域
本发明涉及空间地理信息技术和水利工程信息化领域，尤其是涉及洪水分析模拟系统二维水动力学结果数据轻量化的方法。
背景技术
B/S架构，即浏览器+服务器模式，是WEB兴起后的一种网络结构模式，这种模式统一了客户端，简化了系统的开发、维护和使用。目前，在水利工程信息化领域，基于B/S架构开发应用系统是最为常用的方式。水动力学模型在各系统中的应用非常广泛，而二维水动力学模型由于计算结果可视化效果好，广泛用于洪水在线模拟和动态展示等方面。然而，由于高精度二维洪水计算结果数据少则几个G数据量，还需要浏览器同时渲染，其要素数量达几十万数据量；再加上网速、浏览器渲染能力等方面的限制，使得在B/S架构水利信息化系统中，难以直接在浏览器上对洪水计算结果进行实时高精度洪水动态的模拟展示。
为解决这一问题，目前采取的方法为：通过后台先对每一步的计算结果进行低精度的预渲染使其栅格化，然后将栅格化的图片一张张发送至前端，并叠加在地形图等基础底图上，最后按顺序显示和隐藏实现播放，但这样做使得展示效果和精度大为降低。
发明内容
本发明目的在于采用地理信息平台ArcGis所提供的数据处理工具，提供一种洪水分析模拟系统二维水动力学结果数据轻量化的方法。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述洪水分析模拟系统二维水动力学结果数据轻量化的方法，采用地理信息平台ArcGis所提供的数据处理工具，将大数据量的二维水动力学洪水计算结果数据进行轻量化处理，按照下述步骤进行：
步骤1、洪水计算结果数据的转换和导入导出：
通过洪水计算平台如MIKE等自身的工具，将各时刻洪水计算结果转换为ArcGis使用的shp格式，从而得到一系列shp结果图层文件，每个所述shp结果图层文件包含相同的矢量要素，每个所述矢量要素均包含水力要素结果属性字段；
步骤2、洪水计算结果时刻和计算结果属性的筛选：
根据系统前端（浏览器端）展示需要进行洪水结果时刻和结果属性的筛选，洪水计算结果时刻筛选根据展示精度和流畅度的需要进行筛选；所述计算结果属性筛选根据展示内容的需要进行筛选，筛选时，只需要筛选出展示需要的单个属性；
步骤3、矢量要素渲染分级设计：
在系统前端（浏览器端）对不同属性值的要素进行渲染时，采用不同的颜色或透明度表示要素属性值的大小（ArcGis数据可视化成熟技术）；分级数量基于精度、效果、易于分辨综合考虑；根据对属性值关注区域的不同，采取非线性分级，以使重点区域的属性值更易区分；
步骤4、结果矢量要素融合：
对于每一个所述shp结果图层文件，其处理方法均为：首先，按划分的水深层级，一遍遍在原shp结果图层文件要素中，筛选出水深属性值大于各水深层级的所有要素，并添加与筛选的水深层级值相同的新水深属性字段后，将其融合为一个面要素；接着根据展示精度需要，对各面要素进行顶点数据的概化，如按50%概化，则将减少一半的顶点数量；最后，由于水深越小的面要素范围越大，为了避免在系统前端（浏览器端）展示时水深小的面要素遮盖水深大的面要素，需要将面要素按水深从大到小进行排序叠加，水深约小越位于底层；
步骤5、最终结果时态数据的生产：
为进行矢量时态数据服务的发布，从而最终实现在系统前端的洪水动态展示，需要将各时刻shp结果图层文合并成一个包含时态数据的shp图层文件，并添加对应的时间字段属性。
在所述地理信息平台ArcGis中，实现步骤4结果矢量要素融合的数据处理方法为：
S11：要素筛选，采用ArcGis中的“筛选”工具，按划分的水深层级，一遍遍筛选出水深属性值大于各水深层级的所有面要素，得到筛选出的各面要素shp结果图层文件；
S12：添加新属性字段，采用ArcGis中的“添加字段”工具，将筛选出的各要素shp结果图层文件里添加一个新的水深属性字段，字段值为对应的筛选水深层级值；
S13：要素融合，采用ArcGis中“融合”工具，以新的水深属性字段为融合字段，将筛选出的各要素shp结果图层文件里的所有要素融合为一个面要素；
S14：要素顶点概化，采用ArcGis中“概化”工具，根据展示精度需要，按一定比例进行面要素顶点的概化；
S15：要素叠加和排序，采用ArcGis中的“追加”工具，将经过顶点概化处理后的各面要素shp结果图层文件，按新水深属性字段值从大到小的顺序，叠加合并成为一个shp结果图层文件。
在所述地理信息平台ArcGis中，实现步骤5最终结果时态数据的生产方法为：
S21：添加时间属性字段，采用ArcGis中的“添加字段”工具，在经过第步骤1~4处理后的各时刻shp结果图层文件里，添加与该步骤时刻对应的时间字段属性；
S22：要素和图层合并，采用ArcGis中的“追加”工具，按时间从前到后的顺序，对添加完时间字段属性的各时刻shp结果图层文件进行合并，使之最终成为一个整体的shp结果图层文件；l
S23：设置为时态数据，在最终的shp结果图层文件属性里启用时间，使之成为时态数据，并设置时间字段、时间步长间隔等参数。
本发明优点在于将大数据量的二维洪水计算结果进行高度轻量化处理，在保证数据可视化效果的前提下，将计算结果数据压缩近1000倍，解决了在B/S架构水利信息化系统中，由于网速、浏览器渲染能力限制而难以直接在浏览器上进行高精度洪水动态展示的难题，促进了水利信息化技术的发展。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明方法步骤的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本发明所述洪水分析模拟系统二维水动力学结果数据轻量化的方法，现以一个洪水计算结果数据量为7.8G的二维洪水计算结果为例进行描述：
该二维洪水计算结果包括22.8万个三角矢量网格，每个矢量网格包含水位、水深、流速、流向、U向流速、V向流速、U向通量、V向通量（U表示东西向，V表示南北向）水力要素结果属性，模拟步长2分钟，即每2分钟就有一个对应时刻的计算结果，总共模拟时长36小时，共1080步。
如图1所示，具体步骤如下：
步骤1：结果数据的转换和导入导出；二维洪水计算结果数据由一系列时刻的结果组成，本实施例就包含1080个结果，每一个结果为对应该时刻的洪水计算结果，其中包括所有的用于存储各水力要素结果属性的矢量面要素，在本实例中有22.8万个三角形面要素；各时刻结果包含的面要素是完全相同的，水力要素结果属性类型也相同，但值不同；一般通过洪水计算平台如MIKE自身的工具即可将各时刻洪水计算结果转换为ArcGis使用的shp格式，从而得到一系列shp结果图层文件；本实施例将得到1080个shp结果图层文件，每个shp结果图层文件包含相同的矢量三角形面要素（共22.8万个），每一个三角形面要素均有水位、水深、流速、流向、U向流速、V向流速、U向通量、V向通量水力要素属性字段。
步骤2：结果时刻和结果属性的筛选；根据浏览器端展示需要进行结果时刻和结果属性的筛选；在时刻筛选方面，根据展示精度的需要进行筛选，本实施例，当以每秒3帧、每帧20分钟时间间隔动态展示洪水淹没演进过程时，在精度和流畅度方面效果均较好，则从1080个时刻中每隔10步筛选出一个（各时刻时间间距2分钟），从而将结果时刻缩减到108个；在结果属性筛选方面，根据展示内容的需要进行筛选；如当展示洪水淹没范围、水深时，则只需要筛选出水深属性；当展示流速时，只需要筛选出流速属性；以采用水深属性展示洪水淹没演进过程为例，本实施例中，经过该步处理后，shp结果图层文件缩减到108个，每个图层文件中的每个三角形面要素属性值只有1个，则总数据量将缩减到原始大小的约1/25，即300M左右。
步骤3：要素渲染分级设计；如图2所示，为进一步进行二维洪水结果数据的轻量化处理，需先进行要素的渲染分级设计；在浏览器端对不同属性值的要素进行渲染时，通常采用不同的颜色或透明度表示要素属性值的大小（ArcGis数据可视化为成熟技术）；由于渲染分级设计的原则是尽量直观展示要素属性值大小，故分级不能过多，否则人眼难以分辨，同时出于精度和效果考虑，也不宜过少，否则过于粗糙；此外，根据对属性值关注区域的不同，分级一般采取非线性分级；本实施例中，最小水深0.05m，最大水深10.5m，重点需要区分的数据区域是2m以下，2m以上均为危险水深故不需要太过细分，为此将2m以下水深按0.1m~0.5m进行层级划分，2m-10.5m按0.5m~1m进行层级划分，总共划分了17个层级，则水深属性值位于每一个水深层级范围内的矢量要素，不管其属性值大小，在渲染时均采用同一种颜色和透明度。
步骤4：结果矢量要素融合；在浏览器上进行矢量要素的可视化渲染时，由于浏览器渲染能力的限制，当同时渲染的矢量要素数量达到几千、几万的级别时，将会无法实时完成渲染，表现为系统出现卡顿甚至崩溃；为此，通过本步骤大幅缩减要素数据，并通过概化各要素顶点数量进一步缩减要素数据量大小；如图2所示，本实施例中，对于每一个shp结果图层文件，其处理方法均为：首先，按划分的水深层级，一遍遍在原shp结果图层文件要素中，筛选出水深属性值大于各水深层级的所有要素，并添加与筛选的水深层级值相同的新水深属性字段后，将其融合为一个面要素，则22.8万个三角面要素会被融合成不大于17个面要素（部分时刻最大水深达不到最大值，故将少于17个面要素）；接着，根据展示精度需要，对各面要素进行顶点数据的概化，如按50%概化，则将减少一半的顶点数量；最后，由于水深越小的面要素范围越大，为了避免在浏览器端展示时水深小的面要素遮盖水深大的面要素，需要将面要素按水深从大到小进行排序叠加，水深约小越位于底层；经过本步处理后，总结果数据量将进一步缩减到原始大小的1/1000左右，在要素数量（已不足17个）和单个要素数据大小方面均将满足浏览器端洪水动态展示的需要；本处理方法在ArcGis中通过一套空间数据处理流程实现。
该空间数据处理流程为：S11、要素筛选，采用ArcGis中的“筛选”工具，按划分的水深层级，一遍遍筛选出水深属性值大于各水深层级的所有面要素，得到筛选出的各面要素shp结果图层文件；S12、添加新属性字段，采用ArcGis中的“添加字段”工具，将筛选出的各要素shp结果图层文件里添加一个新的水深属性字段，字段值为对应的筛选水深层级值；S13、要素融合，采用ArcGis中“融合”工具，以新的水深属性字段为融合字段，将筛选出的各要素shp结果图层文件里的所有要素融合为一个面要素；S14、要素顶点概化，采用ArcGis中“概化”工具，根据展示精度需要，按一定比例进行面要素顶点的概化；S15、要素叠加和排序，采用ArcGis中的“追加”工具，将经过顶点概化处理后的各面要素shp结果图层文件，以新水深属性字段值最大的shp结果图层文件为追加目标，按新水深属性字段值从大到小的顺序，逐个将其他shp结果图层文件的要素追加进该shp结果图层文件后, 合并成为一个shp结果图层文件。
步骤5：最终结果时态数据的生产；各时刻结果shp图层文件全部经过步骤1~4的方法处理后，为进行矢量时态数据服务的发布，从而最终实现在浏览器端的洪水动态展示，需要将各时刻shp结果图层文件合并成一个包含时态数据的shp结果图层文件，并添加对应的时间字段属性；本步在ArcGis中通过一套空间数据处理流程实现，该空间数据处理流程为：S21、添加时间属性字段，采用ArcGis中的“添加字段”工具，在经过第1~4步处理后的各时刻shp结果图层文件里，添加与该步时刻对应的时间字段属性；S22、要素和图层合并，采用ArcGis中的“追加”工具，按时间从前到后的顺序，对添加完时间字段属性的各时刻shp结果图层文件进行合并，使之最终成为一个整体的shp结果图层文件；S23、设置为时态数据，在最终的shp结果图层文件属性里启用时间，使之成为时态数据，并设置时间字段、时间步长间隔等参数。
Claims (1)
1.一种洪水分析模拟系统二维水动力学结果数据轻量化的方法，采用地理信息平台ArcGis所提供的数据处理工具，将大数据量的二维水动力学洪水计算结果数据进行轻量化处理，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1、洪水计算结果数据的转换和导入导出：
通过洪水计算平台自身的工具，将各时刻洪水计算结果转换为ArcGis使用的shp格式，从而得到一系列shp结果图层文件，每个所述shp结果图层文件包含相同的矢量要素，每个所述矢量要素均包含相同类型和数量的水力要素结果属性字段；
步骤2、洪水计算结果时刻和计算结果属性的筛选：
洪水计算结果时刻筛选根据展示精度和流畅度的需要进行筛选；所述计算结果属性筛选根据展示内容的需要进行筛选，筛选时，只需要筛选出展示需要的单个属性；
步骤3、矢量要素渲染分级设计：
在系统前端对不同属性值的要素进行渲染时，采用不同的颜色或透明度表示要素属性值的大小；分级数量基于精度、效果、易于人眼分辨综合考虑；根据对属性值关注区域的不同，采取非线性分级；
步骤4、结果矢量要素融合：
对于每一个所述shp结果图层文件，其处理方法均为：首先，按划分的水深层级，一遍遍在原shp结果图层文件要素中，筛选出水深属性值大于各水深层级的所有要素，并添加与筛选的水深层级值相同的新水深属性字段后，将其融合为一个面要素；接着根据展示精度需要，对各面要素进行顶点数据的概化；最后，由于水深越小的面要素范围越大，为了避免在系统前端展示时水深小的面要素遮盖水深大的面要素，需要将面要素按水深从大到小进行排序叠加，水深越 小越位于底层；
步骤5、最终结果时态数据的生产：
为进行矢量时态数据服务的发布，从而最终实现在系统前端的洪水动态展示，需要将各时刻shp结果图层文合并成一个包含时态数据的shp图层文件，并添加对应的时间字段属性；
在所述地理信息平台ArcGis中，实现步骤4结果矢量要素融合的数据处理方法为：
S11：要素筛选，采用ArcGis中的“筛选”工具，按划分的水深层级，一遍遍筛选出水深属性值大于各水深层级的所有面要素，得到筛选出的各面要素shp结果图层文件；
S12：添加新属性字段，采用ArcGis中的“添加字段”工具，将筛选出的各要素shp结果图层文件里添加一个新的水深属性字段，字段值为对应的筛选水深层级值；
S13：要素融合，采用ArcGis中“融合”工具，以新的水深属性字段为融合字段，将筛选出的各要素shp结果图层文件里的所有要素融合为一个面要素；
S14：要素顶点概化，采用ArcGis中“概化”工具，根据展示精度需要，按一定比例进行面要素顶点的概化；
S15：要素叠加和排序，采用ArcGis中的“追加”工具，将经过顶点概化处理后的各面要素shp结果图层文件，按新水深属性字段值从大到小的顺序，叠加合并成为一个shp结果图层文件；
在所述地理信息平台ArcGis中，实现步骤5最终结果时态数据的生产方法为：
S21：添加时间属性字段，采用ArcGis中的“添加字段”工具，在经过第步骤1~4处理后的各时刻shp结果图层文件里，添加与该步骤时刻对应的时间字段属性；
S22：要素和图层合并，采用ArcGis中的“追加”工具，按时间从前到后的顺序，对添加完时间字段属性的各时刻shp结果图层文件进行合并，使之最终成为一个整体的shp结果图层文件；
S23：设置为时态数据，在最终的shp结果图层文件属性里启用时间，使之成为时态数据，并设置时间字段、时间步长间隔参数。
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