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魏加华，博士，清华大学水利水电工程系、水沙科学与水利水电工程国家重点实验室副研究员，中国水利学会水利信息化专业委员会委员，主要从事水利信息化、流域水量调控等方面的研究工作。
HydroEarth是对各种信息进行数字化采集、存储、综合管理、动态模拟和知识挖掘的多维可视化系统。它是如何对流域进行数字化模拟的呢？
在全球气候变暖的环境背景下，各种异常的天气所造成的自然灾害以及所导致的损失有逐年加重的趋势，中国及世界很多国家都处于洪水、暴雨、台风、泥石流等自然灾害频发地带，由此造成的生命和财产损失也日益加剧，加强各种灾害的防灾减灾工作日渐重要。
水利信息系统的建立，能大大提高雨情、水情、工情、旱情和灾情信息采集传输的时效性，提高预测和预报的及时性和准确性，为制定防洪抗旱调度方案、提高决策水平提供科学依据，达到充分发挥已建水利工程设施效能的作用。
HydroEarth是综合应用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、数字流域模型和三维仿真等现代高新技术，通过建设宽带多媒体信息网络，对地形地貌、流域水系、土地利用、水利工程、水文、河流水沙过程等各种信息，进行数字化采集、存储、综合管理、动态模拟和知识挖掘的多维可视化系统。
本文将介绍构建HydroEarth的思路和技术框架体系。
构建水信息平台
HydroEarth的近期目标：构建水信息服务平台，实现世界河流(河网)信息、水利工程信息的查询和水利知识管理系统；针对专业用户，初步完成典型流域历史洪水的重现和演进过程，结合遥感场景和河网数据供用户进行二维模式的网上查询和检索。
它的远期目标：给全球用户提供在三维场景下具有查询功能的水文信息网络服务和水文数据预报服务平台，给领导决策者提供防洪预报、水土流失(生态环境)的决策支持系统，给专业用户提供并行计算和专业模型模拟平台软件。
HydroEarth总体框架包括三个层次：数据服务层、应用服务层、应用层。
数据服务层 它由各类数据构成，向数据访问层提供查询结果，包括基础地理数据、河流水系、水利工程、水情、社会经济等数据。
应用服务层 它是HydroEarth的核心，是系统资源的管理者，也是服务的提供者，由地图服务、数字流域模型服务、数据挖掘、知识获取服务及信息服务中间件等组成。
应用层 HydroEarth建设的最终目的是为社会公众、研究人员和决策者提供一个开放式的决策支持信息平台。在可视化的信息服务平台下，HydroEarth开发服务于不同层次人员的应用，在GIS空间数据库的支持下，以方便快捷的方式查询气象、降雨、水情、工情、历史洪水过程、预报结果、控制断面的水沙过程及工程运行状况等全面信息。
核心是数字流域模型
HydroEarth的核心是数字流域模型。模型是对于现实世界的事物、现象、过程或系统的简化描述，是对现实问题的逻辑抽象。HydroEarth中的模型主要是对河流水沙过程中的数据分析和数据处理行为进行抽象或模拟。鉴于流域过程的复杂性，HydroEarth的模型系统包括庞大的模型体系，目前重点开发了降雨空间分布、河网自动提取、流域产流产沙、河道汇流、河道演进、水沙平衡分析等模型。
HydroEarth流域模型是为研究流域降雨、径流、水沙运移、水资源、水环境、生态等问题，为进行流域水文模拟、水资源水环境评价、流域规划与整治等而编写的，是可调用的、通用的、涉及多种理论模型的流域计算机模型集合。
在现阶段，流域模型按流域涉及的系统可以划分为三种类型：第一类是空间数据模型，它是描绘流域地理属性的模型，如数字高程模型、河网提取模型等；第二类是水循环系统模型，它是流域特殊问题的体现，包括产流、产沙模型，蒸散发模型，河道演进模型，地表(土壤、地下)水动力学模型等；第三类是人工循环过程模型，它是对流域人类社会活动的描述，如水资源开发/利用、经济发展模型等。
HydroEarth中模型的建设，不再是只为某个流域系统进行建模，而是把具有通用性的基础模型按照一定的组织形式加入到基础模型库中，由组件模型的连接实现具体流域模型的仿真。HydroEarth流域模型作为一个整体，各应用软件系统之间的有机联系是必需的，应用系统集成就是要解决这个问题。建立应用系统集成平台，可以指导和实现应用系统的集成，保证各应用系统之间数据共享和协调工作的有序进行，保证采集到的基础数据及时传输和有效控制，在各应用系统之间实现数据交换和协调工作，为决策和决策实施提供支持，同时将应用软件系统的共享数据存放在中心信息库中，供进一步分析或Web发布使用。
模型库必须满足跨平台、开放性、兼容性、扩展性等方面的需求。
面向三类用户
HydroEarth面向公众、专业用户、决策者三类用户，主要功能包括信息查询、模拟和知识管理。
公众用户 以Web GIS的方式，通过图表方式对河流、水利工程、景观信息进行查询，包括河流基本情况(名称、流路、河网)、水利工程(水库、大坝、景观等)、水情信息(在全部的空间范围内和一定的历史范围内还原历史数据，尤其包括用户感兴趣的、实现对历史洪水的重现和淹没范围的重现)。
专业用户 在公众用户的基础上，可以设置不同场景，并能够进行自动(或给定条件下的)计算。根据用户设定的时空范围和不同的输入条件，计算不同场景下的地表水文响应过程，实现多种条件下的水沙过程模拟，并能够进行情景分析。
决策者 公众更关心的是预报数据，能查询历史数据即可。领导则还关心数据挖掘和决策支持，比如多个防洪方案比较后的淹没效果等。
HydroEarth以坡面和沟道为基本水文单元，河网线条的显示方式主要对应于沟道相关属性的显示。信息的展示方式主要包括线宽、颜色和矢量箭头等，不同表现方式可以综合应用，如通过线宽表示某一河段的宽度以及通过物质量的大小。
用户在HydroEarth用户交互环境下发出查询命令。系统将分辨此查询命令的具体含义，以便做进一步的执行。若是地理空间数据查询，则提交给地图数据服务。地图数据服务继续分析是何种比例尺的请求，并交付给相应的地图数据服务。对应的地图数据服务完成数据的查询并返回查询结果，并由用户界面在三维场景下以恰当的比例呈现。
流域模拟面临着许多新的挑战，包括需要处理空间变化和尺度的问题，随着计算机技术、信息技术、3S技术、数据挖掘技术的出现，使得以Web分布式模型为骨架的流域模型整合与耦合成为可能。现阶段，HydroEarth的研究刚刚起步，开发和应用还任重道远。
HydroEarth系统框架结构
HydroEarth是对各种信息进行数字化采集、存储、综合管理、动态模拟和知识挖掘的多维可视化系统。它是如何对流域进行数字化模拟的呢？
在全球气候变暖的环境背景下，各种异常的天气所造成的自然灾害以及所导致的损失有逐年加重的趋势，中国及世界很多国家都处于洪水、暴雨、台风、泥石流等自然灾害频发地带，由此造成的生命和财产损失也日益加剧，加强各种灾害的防灾减灾工作日渐重要。
水利信息系统的建立，能大大提高雨情、水情、工情、旱情和灾情信息采集传输的时效性，提高预测和预报的及时性和准确性，为制定防洪抗旱调度方案、提高决策水平提供科学依据，达到充分发挥已建水利工程设施效能的作用。
HydroEarth是综合应用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、数字流域模型和三维仿真等现代高新技术，通过建设宽带多媒体信息网络，对地形地貌、流域水系、土地利用、水利工程、水文、河流水沙过程等各种信息，进行数字化采集、存储、综合管理、动态模拟和知识挖掘的多维可视化系统。
本文将介绍构建HydroEarth的思路和技术框架体系。
构建水信息平台
HydroEarth的近期目标：构建水信息服务平台，实现世界河流(河网)信息、水利工程信息的查询和水利知识管理系统；针对专业用户，初步完成典型流域历史洪水的重现和演进过程，结合遥感场景和河网数据供用户进行二维模式的网上查询和检索。
它的远期目标：给全球用户提供在三维场景下具有查询功能的水文信息网络服务和水文数据预报服务平台，给领导决策者提供防洪预报、水土流失(生态环境)的决策支持系统，给专业用户提供并行计算和专业模型模拟平台软件。
HydroEarth总体框架包括三个层次：数据服务层、应用服务层、应用层。
数据服务层 它由各类数据构成，向数据访问层提供查询结果，包括基础地理数据、河流水系、水利工程、水情、社会经济等数据。
应用服务层 它是HydroEarth的核心，是系统资源的管理者，也是服务的提供者，由地图服务、数字流域模型服务、数据挖掘、知识获取服务及信息服务中间件等组成。
应用层 HydroEarth建设的最终目的是为社会公众、研究人员和决策者提供一个开放式的决策支持信息平台。在可视化的信息服务平台下，HydroEarth开发服务于不同层次人员的应用，在GIS空间数据库的支持下，以方便快捷的方式查询气象、降雨、水情、工情、历史洪水过程、预报结果、控制断面的水沙过程及工程运行状况等全面信息。
核心是数字流域模型
HydroEarth的核心是数字流域模型。模型是对于现实世界的事物、现象、过程或系统的简化描述，是对现实问题的逻辑抽象。HydroEarth中的模型主要是对河流水沙过程中的数据分析和数据处理行为进行抽象或模拟。鉴于流域过程的复杂性，HydroEarth的模型系统包括庞大的模型体系，目前重点开发了降雨空间分布、河网自动提取、流域产流产沙、河道汇流、河道演进、水沙平衡分析等模型。
HydroEarth流域模型是为研究流域降雨、径流、水沙运移、水资源、水环境、生态等问题，为进行流域水文模拟、水资源水环境评价、流域规划与整治等而编写的，是可调用的、通用的、涉及多种理论模型的流域计算机模型集合。
在现阶段，流域模型按流域涉及的系统可以划分为三种类型：第一类是空间数据模型，它是描绘流域地理属性的模型，如数字高程模型、河网提取模型等；第二类是水循环系统模型，它是流域特殊问题的体现，包括产流、产沙模型，蒸散发模型，河道演进模型，地表(土壤、地下)水动力学模型等；第三类是人工循环过程模型，它是对流域人类社会活动的描述，如水资源开发/利用、经济发展模型等。
HydroEarth中模型的建设，不再是只为某个流域系统进行建模，而是把具有通用性的基础模型按照一定的组织形式加入到基础模型库中，由组件模型的连接实现具体流域模型的仿真。HydroEarth流域模型作为一个整体，各应用软件系统之间的有机联系是必需的，应用系统集成就是要解决这个问题。建立应用系统集成平台，可以指导和实现应用系统的集成，保证各应用系统之间数据共享和协调工作的有序进行，保证采集到的基础数据及时传输和有效控制，在各应用系统之间实现数据交换和协调工作，为决策和决策实施提供支持，同时将应用软件系统的共享数据存放在中心信息库中，供进一步分析或Web发布使用。
模型库必须满足跨平台、开放性、兼容性、扩展性等方面的需求。
面向三类用户
HydroEarth面向公众、专业用户、决策者三类用户，主要功能包括信息查询、模拟和知识管理。
公众用户 以Web GIS的方式，通过图表方式对河流、水利工程、景观信息进行查询，包括河流基本情况(名称、流路、河网)、水利工程(水库、大坝、景观等)、水情信息(在全部的空间范围内和一定的历史范围内还原历史数据，尤其包括用户感兴趣的、实现对历史洪水的重现和淹没范围的重现)。
专业用户 在公众用户的基础上，可以设置不同场景，并能够进行自动(或给定条件下的)计算。根据用户设定的时空范围和不同的输入条件，计算不同场景下的地表水文响应过程，实现多种条件下的水沙过程模拟，并能够进行情景分析。
决策者 公众更关心的是预报数据，能查询历史数据即可。领导则还关心数据挖掘和决策支持，比如多个防洪方案比较后的淹没效果等。
HydroEarth以坡面和沟道为基本水文单元，河网线条的显示方式主要对应于沟道相关属性的显示。信息的展示方式主要包括线宽、颜色和矢量箭头等，不同表现方式可以综合应用，如通过线宽表示某一河段的宽度以及通过物质量的大小。
用户在HydroEarth用户交互环境下发出查询命令。系统将分辨此查询命令的具体含义，以便做进一步的执行。若是地理空间数据查询，则提交给地图数据服务。地图数据服务继续分析是何种比例尺的请求，并交付给相应的地图数据服务。对应的地图数据服务完成数据的查询并返回查询结果，并由用户界面在三维场景下以恰当的比例呈现。
流域模拟面临着许多新的挑战，包括需要处理空间变化和尺度的问题，随着计算机技术、信息技术、3S技术、数据挖掘技术的出现，使得以Web分布式模型为骨架的流域模型整合与耦合成为可能。现阶段，HydroEarth的研究刚刚起步，开发和应用还任重道远。
HydroEarth系统框架结构