水文模拟是指用数值计算方法将复杂的水文现象和循环过程进行模拟仿真，实现对大气层水汽、地表水及地下水的运动分布和变化规律的分析、计算与预测，为开发利用水资源、控制洪水和保护水环境等方面提供预测手段和决策依据。在水文模拟中，地理空间数据是一种必不可少的基础数据，研究人员可以利用空间数据提取流域表面形态信息和水文特征参数，如坡度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域边界等，根据特定的算法也可以确定地表水流路径、河流网络、流域边界情况等。
在实际的水文模型研究和应用的过程中，采用平坦下垫面和单一的地表粗糙度假设并不能与实际情况相吻合，计算结果的准确性无法得到保证；跨尺度的流域地形、土壤物性等也存在空间和时间上的分异性，导致水文模型依赖大量的物理性地表参数率定。
常见的地理信息系统并不能为研究人员提供能够直接参与计算的地表物理属性，包括地形、地貌、土壤、植被、河道等要素的基本参数及衍生参数。因此，复杂地质要素的参数化处理一直以来都是制约水文水利从业人员的主要瓶颈，也是近年来从事水文模型研发人员努力解决的问题之一。
针对这一难题，智慧创新研究院（以下简称“研究院”）提出利用元细胞的优良特性，对流域复杂地形进行高分辨率的参数化处理，使其能够作为水文模型的特征参数直接参与计算，从而让研究人员从繁杂的基础数据预处理工作中解放出来，将注意力集中在业务模型的研究和应用之中。
水文地质要素及水文下垫面是水文学的专业术语之一，由地表岩石、土壤、植被和水域等覆盖物组成，是能够影响水量平衡及水文过程的一个综合体。水文地质要素的分类标准在业界并未形成统一的认识，研究院根据水文模型对地理空间数据的使用要求，将其分为地质、地貌、植被和建筑等4类要素，地质要素是指地表覆盖物中的岩土组成，地貌要素是指地表覆盖物的表面形态，植被要素是指地表植物的种类、密度等，建筑要素是指人为形成的房屋、道路等。在常规的地理信息系统中，空间数据大多是以金字塔瓦片的形式进行切分、存储、检索和服务的。瓦片数据虽然具有响应速度快、服务效率高等优势，但也存在功能单一、无法编辑、信息有限等不足。在水文模拟的过程中，地理信息耦合水文地质要素具有种类繁多、规模庞大、结构复杂等特性，地理瓦片并不能直接作为计算参数输入计算模型，而是需要通过多种处理工具进行提取和转化，这就对水文研究人员造成了很大的障碍。为了对地理空间数据耦合水文地质要素进行参数化转化，研究院采用二阶六面体元细胞作为承载数据的基本单元，并利用离散化的思路改进数据结构、算法模型和服务方式，在实现参数化的同时也充分考虑了大规模数据的存储、传输及在线服务等问题。
二阶元细胞单元
如图所示，元细胞单元具有8个节点和12个控制点，采用一组形函数来描述单元内部任意点的位置变化，通过不同大小、不同数量元细胞的排列组合，以及各节点位置的变化来实现复杂地表模型的构建。通过改变元细胞单元的表面属性、材质属性、位置属性、水文属性、地质属性即可反映宏观地表要素的变化情况。另外，模拟计算过程中的输入输出数据及过程迭代数据均可利用元细胞单元的边界进行高效的组织和更新。地形要素参数化：如下图所示，元细胞单元可利用原始的地形采样数据重建高精度的三维高程模型，准确的采样坐标值可通过元细胞节点和控制点进行存储和定义，单元内部各点的连续坐标值可通过空间插值函数计算获得。地形要素参数化
空间插值函数定义如下：
地质要素参数化：如下图所示，地质要素被定义在元细胞的中心位置，地质类型主要分为5种，地质参数主要分为6种，地质层边界主要分为2种，各参数可通过继承的方式进行扩展，并支持自定义量纲及函数关系。
地质要素参数化
地貌要素参数化：如下图所示，地貌要素被定义在元细胞的上表面的中心点上，其中地貌类型主要分为6种，地貌参数定义为9种；各参数可通过继承的方式进行扩展，并支持自定义量纲及函数关系，地貌参数需要和地质参数配合使用。地貌要素数据字典
植被要素参数化：如下图所示，植被要素被定义在元细胞的上表面上，其中植被类型分为5种，地貌参数定义为5种；各参数可通过继承的方式进行扩展，并支持自定义量纲及函数关系。植被类型数据字典
数据结构设计：参数化的水文地质要素具有容量大、类型多、结构复杂等特性，这些数据在大规模水文模拟中输入输出效率是需要重点研究的问题之一。研究院采用HDF5数据模型作为存储和传输地理信息耦合水文要素的数据容器，如图所示，一个数据容器可以包含多个多源异构的数据集，数据集可以是图像、表格、图形、文档等。数据集创建：单一类型数据对象采用较低等级的数据集来存储，单个数据集由元数据和主数据两部分组成。元数据包括数据空间、数据类型、数据对象、数据属性等，主数据按照一定的规则进行分块、压缩和存储；高等级的数据对象则利用多个数据集的组合来实现，数据集之间的关系通过消息队列和指向索引来完成，如下图所示。数据集创建
数据集访问：对于整个数据集的访问操作，只需要按一定的顺序分别访问元数据和主数据即可。如果需要对数据集中的部分数据进行操作，则需要定义相应的访问模板和筛选器，访问模板主要分为以下4种：a、从二维数组中读取较小的一块二维数组，存储在一小块内存中；b、从二维数组中读取一系列规则的块，存储在内存的一维数组中；c、从二维数组中读取没有规则的点序列，存储在内存的三维数组中；d、从数据空间中读取多个数据块，经过布尔运算后存储在内存数据空间中。水文模拟在水资源利用、水环境保护、洪水控制等方面起着非常重要的作用，能够在缺少数据的前提下为工作人员提供有效的预测手段和决策依据。在水文模拟的过程中，地理空间数据是一种必不可少的基础数据，但常见的瓦片空间数据并不能为研究人员提供可直接参与计算的水文地质要素，包括地形、地貌、土壤、植被、河道等要素的基本参数及衍生参数。高阶元细胞单元具有很多优良的特性，可对流域复杂地质要素进行高分辨率的参数化转化，使其能够直接作为水文模型的特征参数，且该参数化方法并不针对某种特定的水文模型，而是具备普适性，能够满足不同技术路线水文模型的使用要求。另外，随着科研人员对计算精度和计算性能的不断追求，先进计算系统的网格数量可达到百亿量级，输入输出数据规模更达到了TB级。因此，具有高并发读写能力和传输能力的数据模型和数据容器，也是满足高分辨率水文模拟计算的必要条件之一。公司简介
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