暑期軟件工作營

暑假快要來啦！Needle為同學(xué)們的暑假準(zhǔn)備了豐富系統(tǒng)的軟件課程，本次暑假軟件工作營包含了基礎(chǔ)課程和進(jìn)階課程。基礎(chǔ)課程包括了景觀學(xué)生必學(xué)的五大軟件：PS+AI+GIS+Rhino+Grasshopper，進(jìn)階課程則涵蓋了可做景觀動(dòng)態(tài)模擬的Simulation課程，可做景觀參數(shù)化編程的Processing課程以及景觀異形建模的Maya課程等。
如果你希望精進(jìn)自己的軟件制圖能力及建模能力等，那么基礎(chǔ)課程絕對(duì)適合你！如果你希望能夠?qū)W些不一樣的前沿技能以及深化研究方法，又或是已經(jīng)工作但希望能提升自己的技能水平增加技能點(diǎn)，那么進(jìn)階課程也一定能夠讓你滿意！
本次課程設(shè)置于七月和八月暑假期間，本次課程采取CCTALK的線上直播形式，課后提供課程視頻回放及微信群內(nèi)答疑，方便同學(xué)們自由靈活的學(xué)習(xí)與回顧。還不快下滑來看看我們的精彩課程設(shè)置！

關(guān)于濱海模擬

Coastal Evolution Model （CEM）

沉積物和長(zhǎng)海岸漂移

我們的生活的環(huán)境中，時(shí)刻發(fā)生著各種類型的動(dòng)態(tài)自然演變的過程。例如河流的會(huì)逐漸的越來越蜿蜒，沙丘的移動(dòng)會(huì)侵蝕綠洲甚至形成沙塵暴以及海岸線的沉積和侵蝕的過程等等。

一般來說，海岸線可能是地球表面最具活力的地質(zhì)邊界，它是由海與陸的相互作用不斷演變而來的。按照我們的常識(shí)，全球的大部分中心城市都位于沿海地區(qū)，人口眾多。然而，城市面臨著海岸水災(zāi)、侵蝕等風(fēng)險(xiǎn)。侵蝕和沉積的本質(zhì)是波浪氣候驅(qū)動(dòng)的物理過程?；趯?duì)這些物理動(dòng)態(tài)過程理論性的研究，這個(gè)物理過程是可以被描述成為多個(gè)數(shù)學(xué)公式的合集，包括物理環(huán)境的搭建，單體沙粒的運(yùn)動(dòng)過程以及在海浪中的沙粒受力體系等等。講這些數(shù)學(xué)計(jì)算邏輯介個(gè)計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行運(yùn)算以及可視化，便形成了這些物理過程的模擬平臺(tái)。通過模擬的結(jié)果，可為濱海區(qū)域的城市化進(jìn)程以及保護(hù)提供一個(gè)可靠地指導(dǎo)依據(jù)。
理論上來說，各類自然運(yùn)動(dòng)的物理過程，均可被轉(zhuǎn)化成為基于計(jì)算機(jī)語言的數(shù)學(xué)運(yùn)算過程，對(duì)其進(jìn)行模擬。本文，主要試圖討論各類關(guān)于海岸線侵蝕和沉積的數(shù)字化模擬平臺(tái)，Coastal Evolution Model （CEM）。
在進(jìn)入數(shù)字化平臺(tái)之前，我們先介紹兩個(gè)關(guān)于海岸線沉積和侵蝕的基本概念。沉積物（Sedimentation）和長(zhǎng)海岸漂移（Longshore drift）。

沉積物

沉淀物，定義為“沉淀到液體底部的物質(zhì)；“渣滓”它具有一種不明顯的非物質(zhì)性。然而，它也有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。當(dāng)沉淀物從液體底部升起時(shí)，它們獲得一個(gè)新的名字；沙子。這種材料的延展性使它既不可預(yù)測(cè)又不穩(wěn)定。它是顆粒狀的，介于液體和固體之間，可以用駁船或沙袋運(yùn)輸。有了足夠的物質(zhì)供應(yīng)，它就可以開始形成對(duì)資本主義生產(chǎn)最基本、最有用的東西：土地。

沉積物填島 - 迪拜棕櫚島
世界各地的港口都在不斷地試圖通過疏浚，擺脫它。同時(shí)一些需要更多土地的地方卻急需這種資源。沉積物的這種附加價(jià)值會(huì)帶來一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)利益交換或沖突。在自然條件下，沉積物從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方形成新的土地，這一自然現(xiàn)象卻會(huì)引發(fā)了不同群體之間圍繞土地所有權(quán)等問題的潛在沖突。

Illegal?Sediment Movement

長(zhǎng)海岸漂移

海岸帶的演變是水動(dòng)力氣候的結(jié)果，泥沙資源的重塑和釋放。海岸由柔性和非粘性沉積物資源組成，近岸沉積物資源輸送中相對(duì)較小的梯度可以局部壓倒海平面波動(dòng)引起的海岸線位置變化，特別是沿著彎曲海岸線。具體地說，長(zhǎng)海岸漂移可能是一個(gè)典型的泥沙運(yùn)動(dòng)過程沿彎曲海岸線取決于主導(dǎo)風(fēng)向，沖淤和反沖。長(zhǎng)岸輸沙的動(dòng)力是水流，它可以形成斜向破碎波，推動(dòng)泥沙向前運(yùn)動(dòng)。

Longshore Drift in Spain
當(dāng)海浪襲擊海岸線時(shí)，它們的能量會(huì)使沙子懸浮，迫使沙子按照當(dāng)前方向移動(dòng)。沙主要受海浪的振蕩力以及沖擊力，從而引起的泥沙運(yùn)動(dòng)和長(zhǎng)岸水流的海床的移動(dòng)。然而，對(duì)于一個(gè)單一的海灘來說，如果缺乏延伸和柔軟的沖浪區(qū)，則大部分長(zhǎng)海岸運(yùn)輸發(fā)生在沖流帶海灘?？傊绊戦L(zhǎng)岸漂移過程的兩個(gè)主要因素是海浪的氣候條件和海岸帶的物質(zhì)組成。
雖然海岸帶在侵蝕和沉積過程中并不穩(wěn)定，但它在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)兩方面都有價(jià)值。政府和利益相關(guān)者通常選擇沿海地區(qū)建設(shè)娛樂或水產(chǎn)養(yǎng)殖基礎(chǔ)設(shè)施，為多個(gè)行業(yè)帶來發(fā)展的可能性?；谶@些海岸沉積和海岸動(dòng)力學(xué)理論，海岸填海和建設(shè)項(xiàng)目是在過去幾十年中建立的，以捕獲沉積物。在城市化進(jìn)程的推動(dòng)下，尤其是在沿海地區(qū)，這些項(xiàng)目的花費(fèi)越來越大。然而，大多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施缺乏長(zhǎng)期戰(zhàn)略。由于這些工程僅憑理論研究很難對(duì)未來的岸線形態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

海岸演化模型（CEM）

前文中提到，數(shù)字化平臺(tái)可以對(duì)岸線在自然條件下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，其基本邏輯是將海岸動(dòng)力過程轉(zhuǎn)化或總結(jié)的算法和公式轉(zhuǎn)化為計(jì)算語言，對(duì)海岸演變過程進(jìn)行可視化和預(yù)測(cè)。它被稱為海岸演化模型（CEM）。有許多科學(xué)家對(duì)CEM做出貢獻(xiàn)，并開發(fā)出不同類型的模型。本文所研究的，CEM是指英國地質(zhì)調(diào)查局在C#中開發(fā)的模型。該模型可以模擬和預(yù)測(cè)不同干預(yù)措施和圍墾技術(shù)下的岸線運(yùn)動(dòng)，為決策提供參考。該模型可為沿海城市化建設(shè)提供一個(gè)較為完善的框架。
一般來說，CEM由一個(gè)Littoral Cell Model（LCM）和一個(gè)Bedrock Cutting Model（BCM）組成，兩者在不同的時(shí)間和空間域中耦合并運(yùn)行，這些時(shí)間和空間域由海平面和特定海平面和時(shí)間的濱海單元的海岸邊界決定。在任何給定的海平面和時(shí)間，LCM說明了降雨對(duì)高地的侵蝕以及波浪和洋流沿海岸移動(dòng)泥沙的輸送，而BCM說明了在沒有沉積覆蓋層的情況下，波浪作用對(duì)基巖的切割。基于CEM的理論，研究者們開發(fā)了多種類型的模擬平臺(tái)，如Delft 3D，Casear Isflooding等等。

Simulation from Delft 3D for Sand Engine

Simulation in Casear?Isflooding
而在本文中的CEM模型是由英國地理協(xié)會(huì)開發(fā)（British Geological Survey），基于C#的平臺(tái)。它能夠在數(shù)年到數(shù)千年的時(shí)間尺度和數(shù)公里到數(shù)百公里的空間尺度上模擬以沙質(zhì)、波浪為主的海岸線，這是一種基于過程的數(shù)字化模型。該模型采用“單線”模型，基本上不模擬水深或地形，而是限制了沿陸地-水界面的單元面積。它基于這樣一個(gè)假設(shè)，即在不同的波浪氣候壓力下，海岸的任何突出物都會(huì)開始延伸到海洋中（圖10）。根據(jù)這一邏輯，可以建立多個(gè)參數(shù)方程，假設(shè)一個(gè)數(shù)學(xué)環(huán)境來模擬侵蝕過程和泥沙運(yùn)動(dòng)。

海岸運(yùn)動(dòng)示意圖

首先，考慮了波浪的特征。淺灘可以降低速度和增加波高，波峰變得更平行于海岸，當(dāng)波浪撞擊海岸時(shí)。因此，波角和波高是相互依賴的。CEM主要集中在垂直尺度上，探索海岸線的變化過程。另外，波浪氣候的不同角度也是影響海岸變遷的重要參數(shù)。當(dāng)海岸線面對(duì)不同的波浪角度時(shí)，發(fā)生侵蝕和沉積的位置可能完全不同。第三，當(dāng)沉積物延伸出海岸時(shí)，會(huì)形成一定的陰影區(qū)，從一個(gè)方向阻擋波浪。陰影區(qū)域可能導(dǎo)致沿海岸生長(zhǎng)的多方向性。結(jié)合數(shù)學(xué)模型的工作原理，從區(qū)域、輸沙、波浪遮蔽、岸線調(diào)整等方面進(jìn)行了闡述。在這個(gè)模型中，也存在多個(gè)基礎(chǔ)概念：
模型區(qū)域（Model Domain）。模型區(qū)域表示一個(gè)平面視圖，其位置使用全局沿岸和兩岸坐標(biāo)定義。區(qū)域域被離散成正方形，每個(gè)“單元”都有一個(gè)固定的寬度（圖11）。每個(gè)單元格都包含一個(gè)值，表示單元格中沙子和巖石的比例。在每個(gè)模擬步驟中，模型解釋海岸線結(jié)構(gòu)，確定沿岸輸沙量，并根據(jù)沿岸通量梯度和質(zhì)量守恒更新區(qū)域。

模型區(qū)域示意圖
泥沙輸移（Sediment Transportation）。這部分是基于波浪類型和波浪角度的公式。每個(gè)海岸線單元的泥沙輸移以及是否穿過下游邊界由所述的波浪角確定。此外，如果計(jì)算更復(fù)雜的波折射，則可以很容易地插入計(jì)算的波高和角度。該工具允許將人工泥沙資源添加到模擬中，此功能使這個(gè)模擬器更為貼合實(shí)際，適用于有額外沉積物來源的項(xiàng)目。
波浪陰影。在每個(gè)單元，在模擬過程中，將沿波浪方向進(jìn)行線性搜索，以檢查海岸部分是否被已形成的新的沉積物阻止靠近波浪。如果被阻擋，那這部分海岸區(qū)域就會(huì)被遮蔽在主導(dǎo)波之外。同時(shí)，陰影區(qū)域會(huì)影響上下海浪進(jìn)入方案的選擇，以保證下一個(gè)單元與原單元有不同的進(jìn)出流。

波浪陰影示意圖

在了解CEM的理論基礎(chǔ)和功能邏輯的基礎(chǔ)上，在一些簡(jiǎn)單的模擬海岸線模型中，對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行了嘗試（見視頻1），結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確。

Test?Simulation


完成準(zhǔn)確性測(cè)試后，筆者對(duì)其進(jìn)行了二次開發(fā)，由于CEM的輸入文件是Excel格式的高程數(shù)據(jù)，因此很難手動(dòng)設(shè)置該文件以適應(yīng)某些特定的海岸線。由于數(shù)據(jù)量巨大，保證了仿真的準(zhǔn)確性。原始CEM程序的一個(gè)局限性是，該程序只能應(yīng)用于一個(gè)樣本和理想的海岸線。

為了突破這一局限，嘗試將CEM與三維模型平臺(tái)Rhino相結(jié)合。為了連接這兩個(gè)平臺(tái)，創(chuàng)建了幾個(gè)Python腳本作為應(yīng)用程序編程接口，形成了一個(gè)集成的工作流。基本上，腳本允許在CEM中運(yùn)行Rhino生成復(fù)雜的3D模型。同時(shí)也為CEM模擬上述不同的干預(yù)技術(shù)提供了可能，如抽砂、混凝土海堤和淤泥柵欄等。因?yàn)楦深A(yù)措施可以在犀牛身上進(jìn)行修改，并作為巖石（不可侵蝕）導(dǎo)入CEM。一系列腳本旨在分析CEM產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并提供有用的信息，如侵蝕或堆積區(qū)域、陸地和海洋之間的線界面以及由此產(chǎn)生的地形的中軸線。這些過程是關(guān)于在不同的程序之間建立聯(lián)系和最終的反饋系統(tǒng)。該工作流程在埃及北部海岸線進(jìn)行了測(cè)試，并取得了成功。

同時(shí)，筆者也開發(fā)了多類型的可視化系統(tǒng)用于模擬結(jié)果，來反應(yīng)被侵蝕以及沉積物堆積的區(qū)域個(gè)海岸線在各個(gè)模擬時(shí)期的形態(tài)。

然而，這一體系并沒有得到充分發(fā)展。最初的意圖是開發(fā)一個(gè)基于先入為主的規(guī)則的自動(dòng)自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)。從理論上講，如果在Rhino中手動(dòng)繪制的線或點(diǎn)與模擬交互，則可以根據(jù)Python腳本的輸入在CEM控制臺(tái)中自動(dòng)進(jìn)行。模擬將自動(dòng)檢測(cè)被侵蝕的區(qū)域并添加干預(yù)措施。這可以通過允許兩個(gè)平臺(tái)自動(dòng)交互來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)想法借用了“‘technological singularity”的概念，涉及到計(jì)算機(jī)發(fā)展自我校準(zhǔn)的能力。這可能會(huì)是改工具后續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。