EcoHAT(分布式水文生态模型)

系统介绍发布时间：2015-03-05EcoHAT系统以生态水文过程机理研究为基础，从基本的水循环过程入手，在水循环过程中加入营养物质迁移转化过程，综合考虑陆水生态系统中植被/生物生长与水循环要素、营养物质的相互影响，EcoHAT系统的模型结构如图1所示。EcoHAT系统的模型构建在综合国内外具有物理化学机制的生态水文过程模型优点基础上，自主创新与国际前沿，经过对模型调整，采用适合中国自然条件的参数，建立本地化的数据库。EcoHAT系统通过区域空间网格参数的输入，实现基于象元的模型运算，因此EcoHAT系统是一个完全分布式的生态水文过程综合模拟的新系统。EcoHAT系统包括水分循环、营养元素循环、植物生长及水生物环境响应四大组成部分，其中水分循环是系统的核心，并贯穿其它三部分的始终。EcoHAT系统中水分循环模拟包括降雨入渗、地表径流、蒸散发、根系吸水和土壤水分五个过程；营养元素循环主要包括土壤中硝化反应、反硝化反应和氨挥发过程模拟，土壤中盐基阳离子循环模拟，以及伴随土壤侵蚀过程产生的吸附态磷元素定量的模拟等；植物生长包括植被生态用水模拟、植被NPP(净第一性生产力)模拟、生产力分配过程模拟和植被营养元素吸收模拟。EcoHAT系统中各个生态水文过程的子模块组成和主要的方程如表1所示。图1EcoHAT系统的模型结构表1EcoHAT系统生态水文过程的主要方程EcoHAT系统紧密集成了参数管理工具、RS参数反演工具、模型定制工具、GIS分析工具，在这些模块的辅助下实现分布式的区域生态水文模拟，从而为生态效益评价、生态流域建设和生态设计等一系列流域可持续管理问题提供科学分析工具。EcoHAT系统的结构框架如图2所示。图2EcoHAT系统结构的框架适应大量的空间参数管理、地表空间参数获取、分布式生态水文过程模拟、分布式模型的网格运算、模拟结果可视化等问题，EcoHAT系统的开发突出以下功能模块：(i)参数管理模块由于生态水文过程涉及到的参数众多，数据类型包括数据库和文本格式数据，点、线、多边形等矢量数据，影像的栅格格式数据，因此EcoHAT系统利用数据库管理系统建立本地化的数据库，实现各种数据的融合管理。(ii)遥感参数反演模块遥感资料作为重要的数据源。EcoHAT系统集成了目前国内外遥感反演地表参数的算法，反演的基本地表参数包括各种植被指数、地表反照率、地表温度、叶面积指数、土壤水分、土壤温度、太阳辐射等地表参数。通过遥感参数的反演，为分布式生态水文过程模拟提供了空间数据源。(iii)分布式生态水文过程模拟模块EcoHAT系统集成国内外成熟的、应用广泛的、并且都具有一定物理化学机制、经过调整后适合中国自然条件的模型。该模块通过数据输入界面，提供多种输入方式，包括单波段文件，多波段文件，文件夹路径等多种输入方式，对各个生态水文过程进行模拟。在模拟过程中，利用栅格数据分块运算技术，解决了分布式模型的网格运算速度慢和占用内存大的问题。(iv)生态流域模块根据流域管理中生态水文模拟实际的需求，以各个独立的生态水文过程的分布式模拟为基础，通过对不同生态水文过程的组合，实现流域一系列流域可持续管理。EcoHAT系统目前提供的生态流域模块有土壤酸化及酸雨胁迫下的植被生产力模拟、库岸带模拟、非点源污染模拟、生态需水量计算等。(v)河流生态水文模块根据河流生态水文模拟的需求，开发独立而又紧密结合的各个子模块，主要包括以下方面：水质演变、生态需水、藻类演变、水生物指示水质、水生物环境响应、水生态分区模型、人类活动对水生态影响、气候变化与人类活动对河流过程影响等。(vi)GIS分析工具模块EcoHAT系统自主开发了GIS分析工具，可以对空间参数和计算结果进行空间可视化，利用金字塔显示技术，解决了大影像显示效率的问题；可以对站点数据进行多种方法的空间插值。EcoHAT系统的开发采用IDL(InteractiveDataLanguage)语言。IDL是可视化分析和应用系统开发的理想软件工具，利用IDL语言进行开发具有快速高效、与ENVI遥感图像处理系统紧密结合的优点。因此，以IDL/ENVI为平台上，采用面向对象的编程方法，对各个功能模块和过程子模型模块进行集成。EcoHAT系统开发的技术核心与HIMS一样，是模块化的模型界面开发与集成、栅格数据分块运算和金字塔显示技术。EcoHAT系统的界面如图3所示。(i)模块化的模型界面开发与集成运用面向对象的编程方法，分别把EcoHAT系统中的生态水文过程的各个子模块定义成类。每个类里包含了该生态水文过程的属性和方法，类的属性包括了输入输出参数，类的划分包括了实现模型多种算法的方法。通过类的创建，可以实现对任何一个模块的调用和集成。由于模型的参数众多，在参数输入界面采用了文件路径输入的参数输入方式。程序自动读取文件路径下的相应文件作为参数输入，解决了分布式模型运行时参数输入繁复的问题。(ii)栅格数据分块运算和金字塔显示技术针对大流域高分辨率栅格数据的运算和显示问题，开发了栅格数据分块运算和金字塔显示技术。栅格数据分块运算技术把参与模型运算的所有栅格数据分割为相同的小块，分别把每一个小块作为参数输入参与运算。一个小块运算结束后，先存储到磁盘上，再接着处理下一个分块。通过运算分块，解决了分布式模型的网格运算速度慢的问题。金字塔显示技术对要显示的大栅格数据创建栅格金字塔，在显示大栅格数据时根据显示的比例尺和范围读取相应的金字塔层的数据，避免了重复重采样耗时，减少了占用内存，提高了栅格数据的显示速度和系统的运行速度。图3EcoHAT系统界面和部分计算结果