集成Web-GIS和水文模型：基于谷歌地图和IHACRES在橡树岭冰渍区的研究外文翻译资料

英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

集成Web-GIS和水文模型：基于谷歌地图和IHACRES在橡树岭冰渍区的研究

南安大略省，加拿大

作者A，

地理系，约克大学，多伦多，加拿大

邮箱yyh@yorku.ca

作者B

地球和大气科学系，约克大学，多伦多，加拿大

地质过程与矿产资源国家重点实验室

中国地质大学，武汉，中国

摘要

本文的目的是检查有关GIS（地理信息系统）和水文模式之间的集成的研究现状并提出系统与谷歌地图和IHACRES（单位线的识别和组件降雨，蒸发与径流数据流）模型之间的集成来预测加拿大安大略省南部橡树岭冰碛区的径流。与其他集成系统相比，本系统具有几个优点。首先，该系统是基于独立于平台的，并且不需要昂贵的地理信息系统软件的安装，用户只需要通过Web浏览器就可以访问整个系统。其次，与集成在Web-GIS中的系统，如ESRI 、ArcIMS的相比，本系统具有另一个优点。由于谷歌地图可提供重要的空间信息，包括高清晰度的图像，路网等，开发人员只需要处理一部分的空间数据，如流域边界，流网络和时间数据等。这个特性可以显著降低开发成本和时间。最后，不像其他集成系统，该系统只需要非常有限的GIS和水文知识以及基于人们熟知的的谷歌地图用户界面。这种优势显著地消除了公众想要访问此集成系统的障碍。

关键词：水文模型，谷歌地图，融合，集成

一、引言

水文模型的应用程序需要管理一个巨大的不同空间的数据量，例如DEM数据，土地利用数据，土壤数据等和各种时态数据，例如径流资料，降水资料等。作为一个获取，存储和处理空间数据的工具，GIS（地理信息系统）可以容纳这些水文模型的数据。20世纪80年代以来，许多研究者都采用了不同的方法，如松耦合，紧耦合和系统的嵌入，来整合GIS和水文模型。

然而，目前的集成系统的研究仍有几个重要的缺点。最重要的缺点在于用户必须以使用集成系统安装昂贵GIS软件和水文模式。同时，综合系统通常有复杂的用户界面，并依赖特定的操作系统，如Windows，UNIX等等。这种复杂的用户界面使得用户的访问变得非常困难。最后，该集成系统被隔离在不同的计算机上，其结果就是这些孤立的系统之间很难进行通信。因此，这些缺点也带来一些严重的问题，例如系统部署和系统维护的成本高，集成系统十分困难，而且不同用户之间的协作也会变得困难。总之，因为这些缺点显著地限制了这些综合系统的使用，现在只有非常有限的具有地理信息系统和水文模型具体知识的研究人员可以使用这些复杂的集成系统然而公众并没有受益于这些研究的任何东西。

作为一项在过去的十几年出现的新的GIS技术，网络的地理信息系统可以提供一个用户友好的微型接口，为用户访问使用Web浏览器地理数据和地理服务。为了利用这些优势，一些研究人员试图将水文模型使用Web-GIS集成。Al-Sabhan等人使用的通过Java编程语言开发并利用GIS和水文模型集成的实时洪水预报网。Castrogiovanni等设计的系统来预测与水文模型和开源免费的Web GIS软件：GRASS（地理资源分析支持系统）。 Choi等设计的基于Web的空间决策支持系统（SDSS）与开源Web-GIS的集成：地图服务器和水文模型来评估水文土地利用变化的影响。这些以Web-GIS为基础的系统，可以避免桌面软件的一些缺陷，同时为公众提供一个简单的方法来访问水文资料和水文建模服务。然而，网络的GIS和水文模型集成系统需要管理和处理各种空间数据，比如，数字高程模型，遥感影像，土地利用数据，地形数据等，以及各种时态数据，如数据径流，降水数据，温度数据等。这个缺点增加了系统的复杂性，并成为其应用于实际开发的一个困难。为了缓解这一问题，我们提出并制定了谷歌地图组合系统来预测加拿大南安大略省橡树岭冰渍区的径流。

二、系统描述

1、谷歌地图组合

组合系统是结合了本地内容与来自其他网站，如谷歌，亚马逊，eBay，雅虎等内容组成的一个公共接口的集成系统。在谷歌地图组合体系中，基础地图包括高分辨率遥感影像，道路地图等都由谷歌地图提供。开发者可以专注于水文模型发展的影响和其他空间数据的分析，如DEM，而不是基础地图信息的处理。这一特性可以显著简化Web-GIS和水文模型集成系统的开发。

在一个谷歌地图组合系统，最重要的技术就是Ajax（异步JavaScript和XML）。利用这种技术，一个在web浏览器内运行的JavaScript程序诸如微软的Internet Explorer和火狐，可与Web服务器进行通信，而不需要重新加载在Web浏览器中的网页。因此，在谷歌地图组合系统中，该JavaScript程序可以检索，分析时空数据与Web服务器存储，而Web浏览器不需要重新加载谷歌地图底图信息。通过这种方法，这种技术可以创建交互式Web应用程序。

2、IHACRES降雨径流模型的交互式Web应用程序

IHACRES（单位线的识别和组件降雨，蒸发与径流数据流）降雨径流模型包括两个模块（非线性损耗模块和线性路由模块）来模拟降雨径流过程。

图1.IHACRES模型结构

在非线性损失模块，雨量根据从日常温度计算的蒸散损失转换成有效降雨。所以水分流失主要发生此模块中。在这个模块中，有效降雨时间 k 由下式给出：

其中c是质量平衡参数； ID是土壤湿度指数阈； p是非线性响应条件；是在k时刻观察到的降雨量；是在k时刻观察到的土壤湿度指数，这是由下列方程中的和决定的：

其中是在k时刻的干燥速率，由k时刻的温度决定，此关系由下式给出：

其中是参考干燥速率；是温度调制；是参考温度（10℃）；是在k时刻的空气温度。如果I被设置为零并且p被设置为1，则线性损耗模块只需要三个参数。

在线性路由模块方面有几个选择。在一个线性路由模块，所述有效降雨分为两部分：快速流量和慢速流量。他们的方程式由下式给出：

其中和是在k时刻和k-1时刻的快速流量；和是在k时刻和k-1时刻的慢速流量；是k时刻的有效降雨；是k时刻的径流；和是由以下关系约束的模型参数：

所以线性路由模块只需要通过SRIV（简单精确的模型变量）估计三个模型参数。

3、谷歌地图和IHACRES集成系统

整个系统可大致分为三个部分。第一部分是一个Ajax程序，目的是组合来自谷歌地图的内容和来自本地Web服务器中的内容。根据由浏览器发出的请求，Web服务器的结果数据以XML（可扩展标记语言）文件的形式返回。Ajax程序解析XML文件，并把解析内容存放在谷歌地图。例如，浏览器发送出一个特定的时间阶段内的水流测量站的位置的请求后，Web服务器将查询空间数据库中的XML文件并将查询结果返回到浏览器。浏览器中的Ajax程序将解析XML文件，并把径流水位站的信息存放至谷歌地图。类似的此功能还可用于流域边界和河流网络。

图2.谷歌地图和IHACRES集成系统

第二部分包括三个JSP（Java服务器页）程序服务器 查询数据库并以XML文件或图像文件的形式返回结果给Web服务器。根据给定的位置，第一个JSP程序查询数据库并返回该现场的图像作为一种现场工作的演示。According 根据河川水位站的位置，第二个JSP程序查询空间数据并将流域边界的空间信息返回Web服务器并最终送给浏览器中的Ajax程序。.根据该站的位置，第三个JSP程序查询实时的数据库，并产生一个图像描述沉淀运动，降雨，降雪，温度（最大值，最小值，平均值），测定径流，和预测径流。

最后一部分包括IHACRES将于径流模型，它使用降雨量，温度数据作为输入数据和测量的水流数据来校准模型参数。.在模型的参数校准后，HACRES模型通过降雨和温度数据来预测径流。

目前集成系统可以提供以下功能。首先，用户可以使用它来检查水流计量站在特定时间阶段的位置（图3）。由于本系统是一个谷歌地图组合系统，用户可以使用来自谷歌地图的道路网络和高分辨率遥感图片来确定位置。因为基本地图由谷歌地图提供所以本地服务器仅需要存储和提供非常有限的空间数据。其次，用户可以在水流计量站上点击获取相关流域边界和街道网络的信息（图4）。通过这种方式，用户可以轻松地运用谷歌地图识别流域边界和街道网络。同时，它也可以提供在此站拍摄的一些图像。最后但并非最不重要的，用户可以使用该系统使用所生成的图表（图5），以获得在该特定水流站的径流预测。

图3.1990-2000年间橡树岭径流测量站位置

图4.流域边界流网络 流域水文站02HD012

图5.可视化径流数据，雨量数据，降雪数据，最高气温，平均气温，最低温度

橡树岭流域水文站02HD010 1990年5月和1990年10月区间

三、总结

桌面化的GIS和水文模型之间的整合有一些缺点。为了解决这些问题，研究人员在过去的数年中已经几次试图整合Web-GIS与水文模型。然而，网络地理信息系统和水文模型之间的整合仍然需要大量的工作来管理复杂的基础地图信息。. 本文证明了谷歌地图与水文模型集成的谷歌地图组合系统是可行的。在这个系统里, 开发人员可以利用谷歌地图作为基础地图来提供一个易于操作的用户界面并致力于构建水文模型。

参考文献

[1] R.A. McDonnell, “Including the spatial dimension: Using geographical Information systems in hydrology,” Prog. in Phys. Geog., vol. 20, pp. 159-177, June 1996.

[2] M. Mendoza, G. Bocco, and M. Bravo, “Spatial prediction in hydrology status and implications in the estimation of hydrological processes for applied research,” Prog. in Phys. Geog., vol. 26, pp. 319-338, September 2002.

[3] W. Al-Sabhan, M. Mulligan, G.A. blackburn, “A real-time hydrological model for flood prediction using GIS and the WWW,” Comp. Environ. Urban Systems, vol. 27, pp. 9-32, January 2003

[4] D.Z. Sui and R.C. Maggio, “Integrating GIS with hydrological modeing: practices, problems, and prospects,” Comp. Environ. Urban Systems, vol. 23, pp. 33-51, January 1999

[5] E. M. Castrogiovanni, G. La Loggia, L. V. Noto, “Design storm prediction and hydrologic modeling using a web-GIS approach on a free-software platform,” Atmos. Res., vol. 77, pp. 367-377, May 2005

[6] J. Y. Choi, B. A. Engel, L. Theller, J. Harbor, “Utilizing web-based GIS and SDSS for hydrological land use change impact assessment,” Trans. of the ASAE, vol. 48, pp. 815-822, March 2005

[7] Wikipedia,

http://en.wikipedia.org/wiki/Mashup_(web_application_hybrid)

[8] Wikipedia,

http://en.wikipedia.org/wiki/Ajax_(programming)

[9] A.J. Jakeman, I.G. Littlewood, P.G. Whitehead, “Computation of the instantaneous unit-hydrograph and identifiable component flows with application to 2 small upland catchments,” Jour. of Hydro., vol. 117, pp. 275-300, September 1990

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[148033]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word