寒区流域虚拟仿真系统

学校名称：兰州大学

指导老师：刘军志

队员姓名：徐进帅

系统设计背景

考虑到地理学的特性，地理实践十分重要，而在寒区流域，冰川、冻土等典型地貌的地理实践受到时间成本、恶劣环境、经费条件的限制难以有效开展；数字孪生的虚拟仿真场景能提供用户近乎真实的体验，推动地理教学的改革。因此，开发寒区流域的虚拟仿真系统具有重要意义。

系统架构与设计

系统基于B/S总体架构设计，前端使用Vue框架，基于SuperMap iServer服务器提供的三维切片服务、地形服务、影像服务等，通过SuperMap iClient3D for WebGL实现了三维场景可视化浏览、交互操作、功能等；后端使用Springboot框架，基于Mybatis plus实现对PostgreSQL数据库的增删改查，服务层接口响应前端数据请求，可以将观测数据录入数据库中，以及按特定条件查询所需的观测数据。

图1 系统架构

系统功能设计主要包括流域跳转，流域概览（包括流域河流、大坝、树木、冰川、冻土、气象站、量水堰、观测站和湖泊等），空间分析（包括淹没分析、地形分析），以及模拟仿真（包括雨雪天气的模型、大坝闸门的控制、冻土年际动态模拟以及降水模拟）。

图2 系统功能设计

系统界面设计主要包括头部信息栏、显示主界面和功能模块栏。头部信息栏包括系统名称，实时时间显示和流域跳转菜单；显示主界面包括地图显示、可视化图表以及时间轴；功能模块栏包括系统的所有功能模块。

图3 系统界面设计

系统数据库设计主要包括观测和采样数据的存储，分为样点表和样品表。样点表主要存储采样或观测点所在的位置。样品表主要存储采样的属性值json以及采样时间。可以通过key查询特定的属性值，通过查询特定时间范围的采样数据，也可以通过Postgis基于Location空间字段进行空间查询等。

图4 样点表设计

图5 样品表设计

系统实现

系统的实现路线主要包括数据获取与组织、流域环境建模、流域场景搭建、系统功能实现、数据建库以及系统完善。

图6 系统实现路线

数据获取主要包括观测站数据，遥感影像数据和DEM。数据组织按属性数据和空间数据来分开组织，属性数据通过文件和数据库管理，空间数据通过主流数据格式和超图数据格式，以工作空间、shp目录文件、三维切片缓存的方式在iServer中发布为服务。流域环境建模主要包括地形建模和地物建模，地形建模是基于DEM数据在Supermap iDesktop软件中生成三维地形，并叠加上谷歌高清遥感影像生成，其中流域范围基于课题组开发的全球精细小流域划分结果；地物建模主要包括冰川、重力大坝、冻土芯、量水堰以及气象站，通过revit三维建模模型和插件，导出为supermap数据源格式，在iDesktop中生成三维切片缓存，在iServer中发布服务。流域场景搭建是结合地形、地物建模，在工作空间中根据空间拓扑关系，加上流域内湖泊动态水面/植被等环境要素，进行构建。数据建库基于数据表设计，通过Java实现数据录入和更新接口。将观测和采样数据录入pg数据库，这些数据来源于国家数据中心以及课题组野外采集样本，在兰大实验室测样得到，直接用于科研，数据可靠，其中样点数据主要分布在青藏高原寒区流域，共2321个采样点；样品数据是在2321个样点上进行的时间和深度的不同观测、采样，共有近一千万条数据，每条记录包括84种环境因子属性值。

图7 数据组织

图8 地物建模

图9 数据建库（样品表）

系统功能实现，在菜单栏中点击流域切换，选择在葫芦沟流域和龙匣宰陇巴流域切换

图10 葫芦沟流域

图11 龙匣宰陇巴流域

基础的空间分析功能：淹没分析，用户设定不同的最大淹没高度，模拟淹没过程。

图12 淹没分析

地形开挖，基于流域三维地形，根据用户指定的开挖深度和绘制的开挖区域进行开挖。

图13 地形开挖

气象站、量水堰模型渲染，点击流域地形上的气象站标识跳转到气象站所在位置，或者点击功能模块中的气象站、量水堰按钮跳转。

图14 气象站

图15 量水堰

天气模拟，通过粒子特效模拟流域雨雪天气变换模拟。

图16 雨天气

图17 雪天气

冻土仿真模拟，在虚拟场景中，基于建立的冻土芯模型，进行冻土深度的动态可视化

图18 冻土仿真模拟

冰川仿真模拟，基于建立的冻土模型，对冰川的结构组成、运动路径进行模拟仿真实地学习

图19 冰川仿真模拟

观测站时序数据可视化，基于观测站实测数据csv文件，进行时间序列数据可视化。

图20 观测站时许数据可视化

大坝闸门控制，基于重力大坝模型，用户可在虚拟场景中模拟控制大坝闸门的启闭。

水文模拟，基于课题组开发的冰川-水文-水动力耦合模型，在给定一定时长的降水量，基于DEM模拟流域内的地表汇流过程，为用户学习高寒流域的水文相关机制和特征提供平台。

图21 大坝闸门控制

环境因子查询，基于千万条数据量，查询pg数据库中样点数据的特定属性值。

图22 环境因子查询

系统亮点

一是对寒区小流域环境进行三维仿真表达，包括地形、冰川、冻土、水利设施、植被、气象站、量水堰等；二是基于多模型耦合的寒区流域水文过程模拟，包括降水（雨雪）、积雪、冰川积雪融化、下渗、产流、汇流等；三是对模型模拟结果的地表径流和冻土深度的时空变化过程进行三维可视化表达。

小结

本系统实现了在寒区流域的虚拟仿真，用户可在Web端浏览冰川、冻土、气象站等三维模型和观测数据，耦合水动力模型进行流域水循环模拟，并对模拟结果和冻土深度变化进行了动态三维可视化表达。

指导老师点评

本系统提供能直观表达寒区流域环境的虚拟仿真模型，通过耦合冰川-水文-水动力模型模拟冰川流域的水循环过程，在三维场景下对模拟结果进行仿真渲染，为地理教育从业者和学生提供接近真实的寒区流域学习体验；后续将完成更多典型寒区流域的虚拟仿真，耦合更多的水动力模型，实现真实模拟流域水循环；在研究流域布设传感器网络，实现实时查看流域状态，用户可以通过Web端控制传感器。

团队合影

图23 团队合影