7.1.2.1　数字流域概述

随着以“3S”技术为代表的空间信息处理技术的日益发展和完善，同时也为了适应现代水资源利用和保护的需要，近年来，许多研究者纷纷提出“数字流域”的概念。数字流域是基于数字地球的理念发展而来的。“数字地球”于20世纪90年代末期提出，是人类以数字的形式再现的地球信息场，是信息化的地球，它以GPS为依托，包含有地球信息的获取、处理、传输、存储管理、检索、决策分析和表达等内容，具有多分辨率和海量数据的、可多维显示和表达的虚拟地球。伴随地学研究的飞速发展和IT技术的突飞猛进，数字地球正在从网络共享、虚拟现实、数字化生存、数字经济等模糊概念向一个以三维空间和多维信息处理为目的，能够真正共享与处理实时地球信息的概念体系过渡。“数字地球”正在为国家的可持续发展战略实施提供技术支撑。

“数字流域”是数字地球的微观化和精确化的应用和发展。数字流域是一个以流域空间信息为基础，融合流域内各种数字信息的系统平台，是对真实流域及其相关现象的统一的数字化重现，它把流域搬进了实验室和计算机，成为真实流域的虚拟对照体。数字流域由各种信息的数据库和数据采集、分析、交换、管理等子系统组成，可以根据不同的需要，对不同时间的数据进行比较分析，透视其变化规律。广义地说，所谓数字流域，就是综合运用遥感 （RS）、地理信息系统 （GIS）、全球定位系统 （GPS）、虚拟现实 （VR）、网络和超媒体等现代高新技术，对全流域的地理环境、基础设施、自然资源、人文景观、生态环境、人口分布、社会和经济状态等各种信息进行数字化采集与存储、动态监测与处理、深层融合与挖掘、综合管理与传输分发，构建全流域可视化的基础信息平台和三维立体模型，建立适合于全流域不同职能部门的专业应用模型库和规则库及其相应的应用系统（张秋文等，2001年）。狭义上讲，数字流域是以地理空间数据为基础，具有多维显示和表达流域状况的虚拟流域，是数字地球的重要组成部分。对采集到的流域地理数据进行分析、运算、过滤、重组，并进一步把人工智能 （AI）引入数字流域，形成数字流域系统的知识库（KB）、逻辑库 （LB）、方法库 （MEB）和模型库 （MOB），组成各个专题的“流域专家系统”（WES），最终发展为数字流域所需的“高级决策系统”（PMS），达到流域范围内各种事件的虚拟和仿真（汤君友等，2003年）。数字流域的建立，可以实现人类与流域环境之间关系的精确的、定量的、数字化的描述，借助于网络技术，实现对流域地理数据或信息的共享。数字流域还能演绎流域的地理变迁，并能模拟预测功能，对未来流域的远景进行预测。

7.1.2.2　数字流域构建的理论及技术基础

“数字地球”概念的提出和可视化技术、虚拟技术的发展，为数字流域的最终实现提供了全新的技术平台和发展空间。现代 “3S”技术与DPS （Doptal Photogrwop System，全数字摄影测量系统）的高度发展为数字流域高质量信息的获取提供了有效手段。从理论上来说，数字流域不仅要以水文学与水资源学、水利水电工程、电力生产与调度、规划与建设、环境保护和灾害学等各个领域的专业知识作为理论基础，而且更为重要的是还要充分应用系统科学、运筹学、控制理论、优化与决策理论、软件工程、复杂巨系统理论和可持续发展等众多学科领域的理论知识和研究方法，尤其是系统科学及优化与决策相关理论的应用，对实现和完成数字流域是极为重要的。

1.数字摄影测量技术和 “3S”技术

在 “数字流域”中，建设流域三维景观是一项重要的工作，摄影测绘是三维景观重现的主要数据源，特别是数字摄影测绘技术为三维数据的获取提供了经济、便捷的方法。数字摄影测绘技术的代表技术是所谓的 “4D”技术，是指DEM （数字高程技术）、DOQ（数字正射影像）、DRG （数字删格技术）和DLG/DTL （数字专题图）。而 “3S”技术及其集成则可以解决数字流域建设所需的三维空间信息的获取和处理的技术难题。数字摄影测量技术和“3S”技术的发展和应用使摄影测绘的输出结果发生了根本的变化：由传统的模拟产品转向计算机技术和基础地理数据集为支撑的高新数字技术产品，是数字流域构建的重要技术基础。

2.监测和传输网络技术

数字流域涉及到大量的图形、影像、视频等数据，数据量非常大，需要功能强大的数字监测和传输技术作为支撑。随着通信、网络的发展，电话通信网、计算机网络和有线电视网络将逐渐融合而“三网合一”，同时与卫星通信系统，移动通信网等构成天地空一体化网络，并向高带宽、多媒体方向发展，提供了“数字流域”的外部网络环境。随着千兆以太网、ATM以及第三层交换技术从实验室走向应用，将大大解决空间数据及多媒体海量数据传输的带宽和延迟等问题。利用先进的遥测、自动控制、通信及计算机技术，建设流域信息的自动采集、传输、存储、管理、交换系统，并且实现与省市信息的资源共享，及时、全面、准确地掌握流域各种信息。

3.大容量数据存储技术

海量数据存储包括计算机硬件和软件技术。随着计算机硬件技术的发展，多CPU高性能的硬件价格不断降低，已经能够满足应用的要求。海量数据压缩、解压、快速检索、查询语言设计、数据融合等技术是数字流域需要解决的关键技术。目前，激光全息存储、蛋白质存储等方面已经获得巨大进展，可以实现存储千万亿字节级的数据；新的压缩技术和激光技术的进步将允许在一个光盘上空纳数吉字节的数据。先进的压缩技术使在网络上移动海量数据、图像数据成为可能。因此，数字流域将可以处理更大的空间数据集，更高空间分辨率的遥感图像、更复杂的空间和地学分析模型可以得到更好的显示和可视化输出。

4.流域模拟模型技术

在进行流域管理活动的时候，管理机构和人员需要面对复杂的流域事件，如洪涝过程、水污染迁移降解过程、流域生源物质的输移转化过程、城市化过程、社会经济发展过程等。现代数学尤其是多元统计学、数量模型、模糊数学、灰色关联理论以及运筹学等知识的发展和应用为模拟和处理复杂现象的数学建模提供了很好的理论基础。与此同时，包括计算软件的开发应用和运算速度的提高，计算机技术的飞速发展也为流域模型的实际应用提供了很好的技术支撑。目前的流域模拟模型构建已经可以很好地模拟许多流域时间，为流域的数字化管理决策提供了很好地工具和手段，是实现数字流域的重要技术内容。

5.可视化与虚拟现实技术

为了将整个流域栩栩如生地展现在人们面前，在身临其境地感觉和欣赏流域风光、享受信息化社会带来的便捷的同时，随时了解流域的各种信息，对流域建设与发展进行全面规划，必须在流域三维建模和可视化的基础上，运用虚拟现实 （VR）技术，用赛博空间取代传统的抽象地图及其相应描述文件，而以生动的流域模型及相关图片来模拟和显示流域的三维空间现实，以人机互动方式实现流域三维景观的漫游。虚拟现实技术是20世纪末发展起来的，以计算机技术为核心，集多学科高新技术为一体的综合集成技术，它是人与计算机通信的最自然的手段，是人类的自然技能与计算机的完美结合，将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。由于计算机软硬件的限制，虚拟现实研究一直停留在简单的三维显示。目前，虚拟飞行、虚拟路径徒步穿行等在一些软件上已能方便实现，这为“数字流域”景观全景模拟提供了条件。(www.daowen.com)

7.1.2.3　数字流域的框架结构和主要功能

构建数字流域的主要内容是建立数字流域基础数据库，并在相应技术的支撑下，以流域基础数据库为平台，实现流域空间信息的获取、处理传输，流域的可视化再现和流域事件的数字化全真模拟，流域数字化管理和决策等功能。因此，从总体框架来看，数字流域可以划分为一个核心、三个层次，即：以流域数字基础数据库为核心，划分为可视化基础信息平台（基础层）、数字流域专业应用系统 （专题层）以及数字流域综合管理与决策系统 （综合层）三个层次。数字流域以基础数据库为核心，三个层次既相互独立，又相辅相成，共同实现数字流域的目标和功能。

1.数字流域基础数据库

基础数据库是数字流域的核心和基础，数字流域的各项功能是基于数据库的基础之上实现的。数字流域基础数据库的构建原理和方法与水资源管理信息系统基础数据库的构建类似，所要解决的问题都是空间信息的收集、处理、存贮、查询、传输和共享等问题，所不同的是设计对象的范围有所差别。根据系统构建的管理对象和目的不同，水资源管理信息系统对信息的采集和处理有可能包括所有水资源信息及其相关信息，而数字流域对空间信息的收集和处理一般而言只涉及流域水资源信息及相关信息，将全流域的地理环境、基础设施、自然资源、人文景观、生态环境、人口分布、社会和经济状态等各种信息进行数字化采集和存储，分别建立全流域各类信息的空间数据库以及与其相对应的属性数据库，构建一个基于“3S”、具有全流域基础信息的数据平台。

2.数字流域可视化基础信息平台

数字流域的一个基本功能就是实现流域的全真数字化模拟和可视化再现，可视化基础信息平台的建设正是基于基础数据库，借助于现代数字技术，实现全流域三维流域景观模型的可视化数字流域统一基础信息框架或平台，特别是流域的水文地理信息平台，此平台上实现各种信息的查询、显示及多媒体输出，研制相应的信息综合管理和分析系统，实现全流域各类不同信息之间的共享和交流，并进行更深层次的信息融合、挖掘和综合，提供全流域基础信息的社会化服务。因此，数字流域可视化基础信息平台主要包括全流域三维模型及其相应的管理与分析平台两个方面，具体内容包括流域基础地理信息、流域资源与环境信息、流域社会经济信息、流域水文地质信息、流域降水分布信息、水资源工程管理信息、流域灾害监测信息等7个方面的内容。

3.数字流域专题应用系统

数字流域专业应用子系统是数字流域系统工程的专题应用层。一个流域的管理、保护、研究和开发涉及了农业、工业和服务业等行业和部门，这些行业和部门既可能包括政府机构，也可能涉及企事业单位，还可能涉及科研单位等。每个单位和部门对数字流域的需求有所不同，其所对应的专业信息也会有所差异。因此，数字流域建设的一个主要内容就是根据涉及流域的各级水利、电力、能源、交通、通信、规划、教育等职能部门以及相关企事业单位和科研单位的信息需求建立专题应用系统，并在此基础上，按照数字流域的统一信息标准和规范，实现各专题应用系统的数据共享。特别是对于水利水电部门来说，主要是依托数字流域基础信息平台，建立处理、解决全流域关于雨情、水情动态分析和预测、洪水演进模拟和仿真、洪水预警和预报、防洪和抗旱减灾指挥、水资源梯级调度和分配、堤防规划与优化、大坝及电厂安全监控和运行、电力综合调度与指挥、生态环境保护与水污染防治以及水利水电工程管理和运行等具体实际应用问题的规则库和模型库，并开发出相应的基于数字流域的水利水电行业各职能部门信息管理及辅助决策系统，为全流域水利水电事业的总体规划、设计、建设、服务和管理以及水土资源的合理开发、优化配置和有效利用，缓解水资源的供求矛盾，做好水资源和水生态环境的保护，提高防洪抗旱标准和能力，确保旱涝保收等提供现代化的工具。

4.综合应用层

数字流域综合管理与决策系统是数字流域系统工程的综合应用层，目的是以数字流域基础信息平台为依托，通过对全流域的基础地理、自然资源以及社会和经济等各个领域的不同信息进行综合处理、分析和研究，并结合水利水电以及其他行业的专业信息处理和专题分析成果，研究流域仿真、虚拟现实和决策分析等定量模型，建立优化全流域整体规划、设计、建设、管理和服务等运行机制的计算机模型，为制定全流域整体发展战略、优化整体运行等宏观、全局性问题提供计算机辅助工具，直接服务于整个流域的综合规划、设计、建设和管理等。

7.1.2.4　数字流域的应用

数字流域是一种多层次的结构，既可应用于国家战略、政府决策，又可为科研教学服务，还可应用于商业开发领域。随着技术的逐渐成熟和完善，数字流域也必将不断影响人们的生存、生活、生产方式。它的整体性和系统性的全局观念，将为水资源管理和利用带来崭新的局面。

数字流域具有十分广阔的发展前景，可以应用于政府管理、决策，科研教学和航运、气象服务等众多领域，包括水资源的规划与管理、水资源的合理配置、洪涝灾害的预警与损失评估、环境变化对生物多样性的影响、流域过程模拟、水污染物质迁移与输送、水土流失、土地利用结构变化及其驱动力等。流域模拟模型是数字流域的核心应用，包括流域可持续发展模型（评价指标体系、发展的可持续性评估、发展阶段调控）、流域健康性评价（评价指标、评价方法）、流域活力评价、生态经济模型、环境灾害模型、水文水力学模型、流域人口承载力以及与这些模型有关的评价指标和模型设计所涉及到的算法。模型的定量描述，包括生态经济、环境变化驱动力及其影响、流域健康性的指标体系和评估、各种指标的敏感度、指示指标等。在数字流域的支持下，可方便地获得地形、土壤类型、气候、植被、土地利用变化数据，应用空间分析与虚拟现实技术，模拟人类活动对生产和环境的影响，制定可持续发展对策。数字流域可以应用在防洪减灾、防汛调度、水资源、流域环境质量控制与管理、土地利用动态变化、资源调查、环境保护等方面，可对重大决策实行全流域数字仿真预演，为流域经济带的可持续发展提供决策支持。同时，在国家重大项目的决策、工程项目设计与建设、社会生活等方面，数字流域也能够提供全面、高质量的服务。