劉小生 黃秋鋒 趙愛國

摘要：數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model， DEM）特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有利于數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算，但其數(shù)據(jù)量大，受計(jì)算機(jī)性能的限制，無法滿足大規(guī)模洪水淹沒分析的需要。針對(duì)單機(jī)計(jì)算能力有限以及有源淹沒分析遞歸算法占用計(jì)算機(jī)資源較多的問題，提出了一種利用Hadoop云平臺(tái)進(jìn)行洪水淹沒分析的并行算法。該算法對(duì)研究區(qū)域DEM按規(guī)則格網(wǎng)的思想進(jìn)行劃分，將大規(guī)模的研究區(qū)分割成多個(gè)規(guī)則的小區(qū)域。在指定水位下，對(duì)每個(gè)小區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，計(jì)算每個(gè)柵格單元的淹沒值，并將同一行中相連的淹沒柵格序列記為淹沒塊，每個(gè)淹沒塊包含該柵格序列所屬的區(qū)塊號(hào)、行號(hào)、起始列號(hào)、終止列號(hào)以及淹沒標(biāo)記;當(dāng)不同行或不同區(qū)域中的淹沒塊相互連通時(shí)，需對(duì)其淹沒標(biāo)記進(jìn)行一致性設(shè)計(jì)。最終，根據(jù)淹沒點(diǎn)所在淹沒塊的淹沒標(biāo)記提取出淹沒點(diǎn)所在的淹沒區(qū)，即為實(shí)際的淹沒范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在指定淹沒水位下，通過該算法可以快速提取淹沒范圍以及實(shí)現(xiàn)淹沒水深的計(jì)算。

關(guān) 鍵 詞：洪水淹沒分析; 并行運(yùn)算; 圖像處理; Hadoop; 數(shù)字高程模型

1 研究背景

受到極端天氣的影響，洪澇災(zāi)害爆發(fā)率越來越高，其強(qiáng)大的破壞性嚴(yán)重地威脅著國民經(jīng)濟(jì)和人民財(cái)產(chǎn)安全，為此，開展準(zhǔn)確的洪水淹沒分析可為防洪救災(zāi)工作提供強(qiáng)有力地科學(xué)依據(jù)[1]。如何高效率地進(jìn)行洪水淹沒分析與預(yù)報(bào)，是防洪救災(zāi)工作的重要環(huán)節(jié)[2]。目前，國際上的洪水淹沒分析主要以兩種方式為主，包括分布式架構(gòu)的水文模型和數(shù)字高程模型（DEM）結(jié)合GIS技術(shù)[3]。分布式架構(gòu)水文模型考慮到了水循環(huán)的基本過程[4-5]，包括蒸散發(fā)量、植物截留、地表下滲和土壤飽和度等，能夠較真實(shí)地反映洪水的淹沒過程;但是其針對(duì)性較強(qiáng)，普適性較差，并受地區(qū)和環(huán)境等因素的限制，數(shù)據(jù)采集困難，而且模型構(gòu)建較為復(fù)雜。在數(shù)據(jù)缺失的地區(qū)，分布式架構(gòu)的水文模型的可用性更低。

相關(guān)研究者發(fā)現(xiàn)，地形因素是形成洪水淹沒區(qū)的主要因素，而數(shù)字高程模型能夠真實(shí)地表達(dá)地面起伏情況[6-8]。因此，利用數(shù)字高程模型和GIS 技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行洪水淹沒分析，可以彌補(bǔ)分布式水文模型在數(shù)據(jù)缺少時(shí)的不足，而且數(shù)據(jù)采集更為容易，技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段更為簡(jiǎn)單。比如，劉仁義等[9]基于種子蔓延算法而提出的“無源淹沒”和“有源淹沒”算法;楊軍等[10]利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行的洪水淹沒分析和可視化表達(dá)。

基于DEM數(shù)據(jù)的特殊結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)量較大的特點(diǎn)，許多學(xué)者在進(jìn)行洪水淹沒分析時(shí)，大多采用了遞歸算法，比如種子點(diǎn)蔓延法或八鄰域蔓延法[11]、分塊種子蔓延法[12]以及條帶壓縮法等[13]。盡管這些算法具有許多眾所周知的優(yōu)點(diǎn)，但是由于算法運(yùn)行時(shí)占用的計(jì)算機(jī)資源較多，而且當(dāng)遞歸深度達(dá)到一定時(shí)，計(jì)算效率就會(huì)大幅下降，不穩(wěn)定性就會(huì)越來越高，因此無法滿足大規(guī)模DEM數(shù)據(jù)處理的需要。為此，本文利用Hadoop云平臺(tái)能夠動(dòng)態(tài)地?cái)U(kuò)展數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)和支撐海量數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)[14-15]，提出了一種基于DEM數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模洪水淹沒分析的并行算法。

2 算法描述

本文構(gòu)建的Hadoop云平臺(tái)下的洪水淹沒分析并行算法，以解決大規(guī)模DEM數(shù)據(jù)在洪水淹沒分析中的應(yīng)用問題為目的。針對(duì)大范圍研究區(qū)，首先按規(guī)格格網(wǎng)的方法對(duì)其進(jìn)行劃分，按從左到右、從上往下的順序?qū)ζ溥M(jìn)行編號(hào);當(dāng)研究區(qū)足夠大，可以環(huán)繞整個(gè)地球、首尾相連時(shí)，需要考慮同一行首尾兩個(gè)數(shù)據(jù)塊的連通性。由于數(shù)據(jù)量巨大，考慮到計(jì)算不便等問題，采用數(shù)據(jù)壓縮的方式對(duì)數(shù)據(jù)的每一行進(jìn)行壓縮;在給定淹沒水位的情況下，計(jì)算每個(gè)柵格的淹沒水深，將同一行的淹沒柵格序列記為一個(gè)淹沒塊，該淹沒塊包含淹沒柵格序列所屬的淹沒塊編號(hào)、行號(hào)、起始列號(hào)、終止列號(hào)以及淹沒塊標(biāo)記等。將相互連通的淹沒塊的淹沒標(biāo)記設(shè)置成一樣，從而將研究區(qū)分割成不相連的幾個(gè)區(qū)域。對(duì)于有源淹沒分析，根據(jù)給定的淹沒點(diǎn)源，由其所在淹沒塊的淹沒標(biāo)記提取出所屬的淹沒區(qū)域，并確定最終的淹沒范圍。其核心理論與關(guān)鍵步驟詳述如下。

2.1 DEM數(shù)據(jù)分塊

在進(jìn)行大規(guī)模洪水淹沒分析時(shí)，用單一的DEM數(shù)據(jù)塊表示，其數(shù)據(jù)量巨大，無法在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行有效的處理。因此，為滿足大規(guī)模DEM數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中處理的需要，有必要對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分。本文采用規(guī)則格網(wǎng)的方式對(duì)研究區(qū)進(jìn)行劃分。南北方向以赤道為界，記為dx，向北為正，向南為負(fù)，緯度每增加1°，dx加1;東西方向以本初子午線為界，記為dy，向東為正，向西為負(fù)，經(jīng)度每增加1°，dy加1。此時(shí)，當(dāng)研究區(qū)域在東經(jīng)180°附近，同時(shí)跨越東西半球時(shí)，需要對(duì)不同DEM分塊之間的連通性進(jìn)行判斷。

第7期? ?劉小生，等：適用于Hadoop云平臺(tái)的洪水淹沒分析并行算法? ? 人 民 長(zhǎng) 江2019年 2.2 淹沒塊

淹沒塊Cell作為區(qū)域感染法的最小單位，記錄的是同一行中相連淹沒柵格所在的行號(hào)、起始列號(hào)、終止列號(hào)以及淹沒標(biāo)記，用（x， startY， endY，floodMark）表示。其中，淹沒標(biāo)記floodMark需具有唯一性，除了記錄淹沒塊所在的行列號(hào)，還應(yīng)記錄該淹沒塊所在的DEM在研究區(qū)域中的行列號(hào)，用dx：dy：x：startY：endY表示。假設(shè)某區(qū)域存在潛在淹沒區(qū)如圖1所示，其中顏色較深的部分代表潛在的淹沒區(qū)，數(shù)字代表潛在的淹沒水深，整個(gè)DEM數(shù)據(jù)塊左上角坐標(biāo)為（25，120）。

在給定的淹沒水位下，從DEM數(shù)據(jù)塊的第一行開始，依次判斷每一行中的柵格單元高程值是否小于指定淹沒水位。若該柵格單元的高程值不小于淹沒水位，則跳過當(dāng)前的柵格，繼續(xù)判斷下一個(gè)柵格單元的高程值，直到遇到一個(gè)柵格單元高程值小于淹沒水位時(shí)，新建一個(gè)淹沒塊，并標(biāo)記該淹沒塊的行號(hào)x為當(dāng)前柵格所在的行號(hào);該淹沒塊的起始列號(hào)startY為該柵格所在的列號(hào)，然后繼續(xù)判斷下一個(gè)柵格單元P的高程值;若P為該行最后一個(gè)柵格單元且其高程值小于淹沒水位時(shí)，記錄該淹沒塊的終止列號(hào)endY為P所在的列號(hào);若P的高程值大于或等于淹沒水位，則標(biāo)記該淹沒塊的終止列號(hào)為P所在列號(hào)減1。

2.3 淹沒塊連通域判讀

（1） 單個(gè)DEM數(shù)據(jù)塊中，若2個(gè)淹沒塊位于第i行和第i+1行中，而且存在其中一個(gè)淹沒塊的終止列號(hào)在另一個(gè)淹沒塊的起始列號(hào)和終止列號(hào)之間，則判定這2個(gè)淹沒塊連通，否則認(rèn)為這2個(gè)淹沒塊彼此相互分離。

（2） 當(dāng)2個(gè)淹沒塊位于不同的2個(gè)DEM數(shù)據(jù)塊（dem1和dem2）時(shí)，若dem1與dem2左右相鄰，2個(gè)淹沒塊所處的行號(hào)相同，而且左淹沒塊的終止列號(hào)等于左DEM數(shù)據(jù)塊的寬度減1，右淹沒塊的起始列號(hào)等于0，則認(rèn)為2個(gè)淹沒塊連通。

（3） 若dem1與dem2上下相鄰，且上淹沒塊的行號(hào)等于上DEM數(shù)據(jù)塊的高度減1，下淹沒塊的行號(hào)等于0，而且存在某個(gè)淹沒塊的終止列號(hào)在另一個(gè)淹沒塊的起始列號(hào)和終止列號(hào)之間，則判定這2個(gè)淹沒塊連通。

2.4 淹沒區(qū)分割

不同的淹沒區(qū)通過淹沒標(biāo)記進(jìn)行劃分，對(duì)具有相同淹沒標(biāo)記的淹沒塊劃分為同一淹沒區(qū)。在同一塊DEM數(shù)據(jù)中，對(duì)第i行中的每一個(gè)淹沒塊，分別判斷其與第i+1行的每一個(gè)淹沒塊的連通情況，將相互連通的淹沒塊的淹沒標(biāo)記改成相同的標(biāo)記。如圖3所示，以第一個(gè)淹沒塊（1，6，7，25∶120∶1∶6∶7）為淹沒源，分別遍歷下一行的每一個(gè)淹沒塊，當(dāng)遇到與淹沒源相連通的淹沒塊（2，7，8，25∶120∶2∶7∶8）時(shí)，將DEM數(shù)據(jù)中所有具有淹沒源標(biāo)記（25∶120∶1∶6∶7）的淹沒塊的標(biāo)記改成與淹沒源相連通的淹沒塊的淹沒標(biāo)記（25∶120∶2∶7∶8）。最終形成如圖4所示淹沒區(qū)。

當(dāng)存在多個(gè)DEM數(shù)據(jù)塊時(shí)，若2個(gè)DEM數(shù)據(jù)塊左右相鄰，分別提取左DEM每行的最后一個(gè)淹沒塊，右DEM每行的第一個(gè)淹沒塊，分別判斷所提取的左DEM數(shù)據(jù)塊中的淹沒塊是否與右DEM數(shù)據(jù)塊中淹沒塊是否相互連通。若連通，則將DEM數(shù)據(jù)中每個(gè)具有與淹沒源標(biāo)記相同的淹沒塊改成與淹沒源相連通淹沒塊的標(biāo)記;若兩個(gè)DEM數(shù)據(jù)塊上下相鄰，則分別提取上DEM最后一行的淹沒塊以及下DEM第一行的淹沒塊，若存在相連通的2個(gè)淹沒塊，則將具有淹沒源標(biāo)記的淹沒塊的標(biāo)記改成與淹沒源相連通淹沒塊的標(biāo)記，其算法如圖5所示。

3 算法實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的洪水淹沒分析算法建立在單機(jī)環(huán)境中，受計(jì)算機(jī)性能的限制，無法滿足大規(guī)模DEM數(shù)據(jù)處理的需要。本文采用Hadoop云計(jì)算平臺(tái)的MapReduce框架[16-18]，采用分而治之的方法。將研究區(qū)域劃分成一序列規(guī)則的DEM數(shù)據(jù)塊，以每一塊DEM數(shù)據(jù)塊作為一個(gè)分片，設(shè)計(jì)相應(yīng)的map和reduce函數(shù)[19]，其處理流程如圖6所示。

在進(jìn)行無源淹沒分析時(shí)，各數(shù)據(jù)塊彼此獨(dú)立，不需要考慮其關(guān)聯(lián)性，通過Map過程，可以很好地實(shí)現(xiàn)DEM數(shù)據(jù)的并行處理問題。在進(jìn)行有源淹沒分析時(shí)，由于同一個(gè)淹沒區(qū)可能跨越多個(gè)DEM數(shù)據(jù)塊，在對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行分解處理后，需要考慮其關(guān)聯(lián)性，即實(shí)現(xiàn)Reduce過程。但由于每個(gè)DEM文件的數(shù)據(jù)量都比較大，當(dāng)傳輸?shù)酵粋€(gè)Reduce節(jié)點(diǎn)時(shí)，其處理效率類似于在單機(jī)中進(jìn)行處理。為了減少數(shù)據(jù)遷移成本和計(jì)算量，本文在進(jìn)行有源淹沒分析時(shí)，通過Map過程提取淹沒塊、并對(duì)淹沒塊進(jìn)行壓縮的方式，減少了數(shù)據(jù)量，從而實(shí)現(xiàn)了更大量DEM數(shù)據(jù)的計(jì)算問題?？紤]到MapReduce的處理流程，首先對(duì)淹沒塊和DEM數(shù)據(jù)類進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后實(shí)現(xiàn)MapReduce鍵值對(duì)的設(shè)計(jì)。

3.1 淹沒塊設(shè)計(jì)

作為洪水淹沒分析的最小單位，淹沒塊是實(shí)現(xiàn)DEM數(shù)據(jù)壓縮的關(guān)鍵。為了識(shí)別淹沒塊在研究區(qū)域中的具體位置以及對(duì)不同淹沒塊進(jìn)行比較，對(duì)每個(gè)淹沒塊需要標(biāo)記淹沒塊所在的行號(hào)、起始列號(hào)、終止列號(hào)和屬于不同淹沒區(qū)的淹沒標(biāo)記等信息，而且需要繼承Comparable接口以實(shí)現(xiàn)淹沒塊大小的比較，其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2 DEM類設(shè)計(jì)

以geotiff格式存儲(chǔ)在HDFS中的DEM數(shù)據(jù)無法像訪問本地文件系統(tǒng)一樣進(jìn)行訪問?；贖DFS流式數(shù)據(jù)訪問模式，本文將每個(gè)DEM數(shù)據(jù)塊以BytesWritable的方式讀取到內(nèi)存中，讀取DEM數(shù)據(jù)塊的基本信息，如坐標(biāo)信息、投影信息與像素值等。其基本結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.3 MapReduce的鍵值對(duì)設(shè)計(jì)

MapReduce處理的是形式的數(shù)據(jù)，并不能直接對(duì)文件流進(jìn)行處理，只有經(jīng)過序列化的類型才能夠充當(dāng)這個(gè)框架中的鍵或者值。只有繼承Hadoop的序列化接口Writable才可以作為值類型，而繼承自WritableComparable接口的類型既可以作為鍵類型，也可以作為值類型。由于淹沒塊在數(shù)據(jù)處理時(shí)只做內(nèi)部分析用，而且DEM數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量太大，因此無論是淹沒塊還是DEM都無法直接作為鍵值對(duì)。在進(jìn)行洪水淹沒分析時(shí)，以DEM數(shù)據(jù)塊的路徑作為Map的輸入key，以DEM數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)流作為Map的輸入value，將處理后的每個(gè)DEM數(shù)據(jù)塊的所有淹沒塊Table作為map過程的輸出value。其基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9中，fileName代表DEM數(shù)據(jù)塊在HDFS中的文件名，dx、dy代表其所在的行列號(hào)，Row代表每行所有淹沒塊的集合。在Reduce過程中，進(jìn)行淹沒區(qū)的合并，并根據(jù)淹沒源Point所在淹沒塊的淹沒標(biāo)記來提取淹沒源所屬的淹沒區(qū)，舍去不包含淹沒區(qū)的Table，并將余下的Table傳遞到下一個(gè)Map過程中;由fileName讀取DEM數(shù)據(jù)，根據(jù)淹沒塊及淹沒水位修改其像素值，并輸出到指定的位置。

4 算法測(cè)試分析

為了驗(yàn)證本文所提出的洪水淹沒分析并行算法的有效性，采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置環(huán)境如下：Centos7操作系統(tǒng)由2個(gè)2.6GHz的IntelR Core TM i7-6700HQ的CPU、4G的運(yùn)行內(nèi)存和100G的磁盤構(gòu)成，運(yùn)行的Hadoop云計(jì)算平臺(tái)包含一個(gè)主節(jié)點(diǎn)hqf0和2個(gè)子節(jié)點(diǎn)hqf1和hqf2，其中的主節(jié)點(diǎn)hqf0開啟NameNode、JobHistoryServer和ResourceManager服務(wù);第一個(gè)子節(jié)點(diǎn)hqf1開啟SecondNameNode、DataNode和NodeManager服務(wù);第二個(gè)子節(jié)點(diǎn)開啟DataNode和NodeManager服務(wù)。由于集群節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)機(jī)架上，而且數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)只存在2個(gè)，因此，將文件塊的副本數(shù)設(shè)置為1。盡管DEM數(shù)據(jù)在HDFS中能夠進(jìn)行分塊存儲(chǔ)，但DEM數(shù)據(jù)量巨大，受子節(jié)點(diǎn)計(jì)算性能的限制，大DEM數(shù)據(jù)塊在單個(gè)節(jié)點(diǎn)中的處理效率低下。因此，在Hadoop集群中對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，有必要對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。本文采用地理空間數(shù)據(jù)云上按規(guī)則劃分的DEM數(shù)據(jù)，其分辨率為30 m，尺寸大小為360 1×360 1。

在開展洪水淹沒分析時(shí)，對(duì)每一個(gè)DEM數(shù)據(jù)塊啟動(dòng)一個(gè)Map任務(wù)進(jìn)行處理，將處理完的淹沒塊數(shù)據(jù)在同一個(gè)Reduce任務(wù)中進(jìn)行匯總，根據(jù)淹沒點(diǎn)的淹沒標(biāo)記提取相連的淹沒區(qū)，重置DEM數(shù)據(jù)的淹沒值，并由Map任務(wù)將屬于淹沒區(qū)的DEM數(shù)據(jù)寫入到指定的位置。其詳細(xì)的運(yùn)行情況如表1所示。

由于每個(gè)DEM數(shù)據(jù)塊中淹沒塊的數(shù)量各不相同，在運(yùn)行環(huán)境一致的情況下，其處理時(shí)間各不相同。淹沒塊多的DEM數(shù)據(jù)塊，壓縮率低，洪水淹沒范圍較大，淹沒區(qū)情況復(fù)雜，連通性較差，所需要的處理時(shí)間較多。受壓縮率的影響，當(dāng)淹沒塊數(shù)據(jù)量超過Reduce計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力時(shí)，需分批執(zhí)行DEM數(shù)據(jù)的處理。在Reduce節(jié)點(diǎn)計(jì)算性能允許的情況下，對(duì)大規(guī)模DEM數(shù)據(jù)的處理，適當(dāng)增加子節(jié)點(diǎn)，可以減少淹沒塊計(jì)算與淹沒區(qū)提取的總時(shí)間，但其數(shù)據(jù)匯總時(shí)間并不會(huì)減少;在子節(jié)點(diǎn)一定的情況下，若DEM數(shù)據(jù)量少于或等于子節(jié)點(diǎn)數(shù)，其Map過程所需要的時(shí)間與淹沒塊最多的DEM數(shù)據(jù)塊處理所需要的時(shí)間成正比，其Reduce過程隨著DEM數(shù)據(jù)量的增加而增加，而且受到DEM數(shù)據(jù)塊中淹沒塊數(shù)量的影響。

以江西省內(nèi)的青嵐湖、軍山湖、陳家湖和鄱陽湖為例，提取出8 m和10 m淹沒水位下的淹沒范圍，結(jié)合某個(gè)時(shí)期（2010年3月）的遙感影像，對(duì)其淹沒效果進(jìn)行模擬并對(duì)其淹沒范圍的變化情況進(jìn)行分析，如圖10～12所示。

由表1以及圖10～12的淹沒分析結(jié)果可知，本文研究過程中，對(duì)較大規(guī)模的流域或者研究區(qū)所采用的方法具有較好的模擬效果，并且該方法能夠較好地識(shí)別出湖中的孤島，如圖13所示。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)DEM數(shù)據(jù)量大、單機(jī)環(huán)境計(jì)算力有限，以及現(xiàn)存洪水淹沒分析算法無法滿足分布式洪水淹沒分析的需要，提出了一種能夠適用于Hadoop云平臺(tái)的洪水淹沒分析并行算法。該算法具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1） 能夠解決在Hadoop云平臺(tái)上利用大規(guī)模DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洪水淹沒分析時(shí)所存在的問題。

（2） 在沒有指定淹沒點(diǎn)時(shí)，該算法能夠同時(shí)而且快速地提取出研究區(qū)中所有的淹沒區(qū);在給定淹沒點(diǎn)時(shí)，該算法能夠較快地提取出淹沒點(diǎn)所在的淹沒區(qū)。

（3） 在進(jìn)行洪水淹沒分析時(shí)，該算法能夠快速地計(jì)算出每個(gè)淹沒柵格的淹沒水深并提取出洪水的最終淹沒范圍。

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（編輯：趙秋云）