Simulation软件营拓展阅读：什么是海岸线变迁模拟软件CEM？| Needle暑期软件营

暑期软件工作营

暑假快要来啦！Needle为同学们的暑假准备了丰富系统的软件课程，本次暑假软件工作营包含了基础课程和进阶课程。基础课程包括了景观学生必学的五大软件：PS+AI+GIS+Rhino+Grasshopper，进阶课程则涵盖了可做景观动态模拟的Simulation课程，可做景观参数化编程的Processing课程以及景观异形建模的Maya课程等。
如果你希望精进自己的软件制图能力及建模能力等，那么基础课程绝对适合你！如果你希望能够学些不一样的前沿技能以及深化研究方法，又或是已经工作但希望能提升自己的技能水平增加技能点，那么进阶课程也一定能够让你满意！
本次课程设置于七月和八月暑假期间，本次课程采取CCTALK的线上直播形式，课后提供课程视频回放及微信群内答疑，方便同学们自由灵活的学习与回顾。还不快下滑来看看我们的精彩课程设置！

关于滨海模拟

Coastal Evolution Model （CEM）

沉积物和长海岸漂移

我们的生活的环境中，时刻发生着各种类型的动态自然演变的过程。例如河流的会逐渐的越来越蜿蜒，沙丘的移动会侵蚀绿洲甚至形成沙尘暴以及海岸线的沉积和侵蚀的过程等等。

一般来说，海岸线可能是地球表面最具活力的地质边界，它是由海与陆的相互作用不断演变而来的。按照我们的常识，全球的大部分中心城市都位于沿海地区，人口众多。然而，城市面临着海岸水灾、侵蚀等风险。侵蚀和沉积的本质是波浪气候驱动的物理过程。基于对这些物理动态过程理论性的研究，这个物理过程是可以被描述成为多个数学公式的合集，包括物理环境的搭建，单体沙粒的运动过程以及在海浪中的沙粒受力体系等等。讲这些数学计算逻辑介个计算机语言进行运算以及可视化，便形成了这些物理过程的模拟平台。通过模拟的结果，可为滨海区域的城市化进程以及保护提供一个可靠地指导依据。
理论上来说，各类自然运动的物理过程，均可被转化成为基于计算机语言的数学运算过程，对其进行模拟。本文，主要试图讨论各类关于海岸线侵蚀和沉积的数字化模拟平台，Coastal Evolution Model （CEM）。
在进入数字化平台之前，我们先介绍两个关于海岸线沉积和侵蚀的基本概念。沉积物（Sedimentation）和长海岸漂移（Longshore drift）。

沉积物

沉淀物，定义为“沉淀到液体底部的物质；“渣滓”它具有一种不明显的非物质性。然而，它也有巨大的经济价值。当沉淀物从液体底部升起时，它们获得一个新的名字；沙子。这种材料的延展性使它既不可预测又不稳定。它是颗粒状的，介于液体和固体之间，可以用驳船或沙袋运输。有了足够的物质供应，它就可以开始形成对资本主义生产最基本、最有用的东西：土地。

沉积物填岛 - 迪拜棕榈岛
世界各地的港口都在不断地试图通过疏浚，摆脱它。同时一些需要更多土地的地方却急需这种资源。沉积物的这种附加价值会带来一定的社会经济利益交换或冲突。在自然条件下，沉积物从一个地方移动到另一个地方形成新的土地，这一自然现象却会引发了不同群体之间围绕土地所有权等问题的潜在冲突。

Illegal Sediment Movement

长海岸漂移

海岸带的演变是水动力气候的结果，泥沙资源的重塑和释放。海岸由柔性和非粘性沉积物资源组成，近岸沉积物资源输送中相对较小的梯度可以局部压倒海平面波动引起的海岸线位置变化，特别是沿着弯曲海岸线。具体地说，长海岸漂移可能是一个典型的泥沙运动过程沿弯曲海岸线取决于主导风向，冲淤和反冲。长岸输沙的动力是水流，它可以形成斜向破碎波，推动泥沙向前运动。

Longshore Drift in Spain
当海浪袭击海岸线时，它们的能量会使沙子悬浮，迫使沙子按照当前方向移动。沙主要受海浪的振荡力以及冲击力，从而引起的泥沙运动和长岸水流的海床的移动。然而，对于一个单一的海滩来说，如果缺乏延伸和柔软的冲浪区，则大部分长海岸运输发生在冲流带海滩。总之，影响长岸漂移过程的两个主要因素是海浪的气候条件和海岸带的物质组成。
虽然海岸带在侵蚀和沉积过程中并不稳定，但它在经济和生态两方面都有价值。政府和利益相关者通常选择沿海地区建设娱乐或水产养殖基础设施，为多个行业带来发展的可能性。基于这些海岸沉积和海岸动力学理论，海岸填海和建设项目是在过去几十年中建立的，以捕获沉积物。在城市化进程的推动下，尤其是在沿海地区，这些项目的花费越来越大。然而，大多数基础设施缺乏长期战略。由于这些工程仅凭理论研究很难对未来的岸线形态进行预测。

海岸演化模型（CEM）

前文中提到，数字化平台可以对岸线在自然条件下的运动进行模拟，其基本逻辑是将海岸动力过程转化或总结的算法和公式转化为计算语言，对海岸演变过程进行可视化和预测。它被称为海岸演化模型（CEM）。有许多科学家对CEM做出贡献，并开发出不同类型的模型。本文所研究的，CEM是指英国地质调查局在C#中开发的模型。该模型可以模拟和预测不同干预措施和围垦技术下的岸线运动，为决策提供参考。该模型可为沿海城市化建设提供一个较为完善的框架。
一般来说，CEM由一个Littoral Cell Model（LCM）和一个Bedrock Cutting Model（BCM）组成，两者在不同的时间和空间域中耦合并运行，这些时间和空间域由海平面和特定海平面和时间的滨海单元的海岸边界决定。在任何给定的海平面和时间，LCM说明了降雨对高地的侵蚀以及波浪和洋流沿海岸移动泥沙的输送，而BCM说明了在没有沉积覆盖层的情况下，波浪作用对基岩的切割。基于CEM的理论，研究者们开发了多种类型的模拟平台，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模型是由英国地理协会开发（British Geological Survey），基于C#的平台。它能够在数年到数千年的时间尺度和数公里到数百公里的空间尺度上模拟以沙质、波浪为主的海岸线，这是一种基于过程的数字化模型。该模型采用“单线”模型，基本上不模拟水深或地形，而是限制了沿陆地-水界面的单元面积。它基于这样一个假设，即在不同的波浪气候压力下，海岸的任何突出物都会开始延伸到海洋中（图10）。根据这一逻辑，可以建立多个参数方程，假设一个数学环境来模拟侵蚀过程和泥沙运动。

海岸运动示意图

首先，考虑了波浪的特征。浅滩可以降低速度和增加波高，波峰变得更平行于海岸，当波浪撞击海岸时。因此，波角和波高是相互依赖的。CEM主要集中在垂直尺度上，探索海岸线的变化过程。另外，波浪气候的不同角度也是影响海岸变迁的重要参数。当海岸线面对不同的波浪角度时，发生侵蚀和沉积的位置可能完全不同。第三，当沉积物延伸出海岸时，会形成一定的阴影区，从一个方向阻挡波浪。阴影区域可能导致沿海岸生长的多方向性。结合数学模型的工作原理，从区域、输沙、波浪遮蔽、岸线调整等方面进行了阐述。在这个模型中，也存在多个基础概念：
模型区域（Model Domain）。模型区域表示一个平面视图，其位置使用全局沿岸和两岸坐标定义。区域域被离散成正方形，每个“单元”都有一个固定的宽度（图11）。每个单元格都包含一个值，表示单元格中沙子和岩石的比例。在每个模拟步骤中，模型解释海岸线结构，确定沿岸输沙量，并根据沿岸通量梯度和质量守恒更新区域。

模型区域示意图
泥沙输移（Sediment Transportation）。这部分是基于波浪类型和波浪角度的公式。每个海岸线单元的泥沙输移以及是否穿过下游边界由所述的波浪角确定。此外，如果计算更复杂的波折射，则可以很容易地插入计算的波高和角度。该工具允许将人工泥沙资源添加到模拟中，此功能使这个模拟器更为贴合实际，适用于有额外沉积物来源的项目。
波浪阴影。在每个单元，在模拟过程中，将沿波浪方向进行线性搜索，以检查海岸部分是否被已形成的新的沉积物阻止靠近波浪。如果被阻挡，那这部分海岸区域就会被遮蔽在主导波之外。同时，阴影区域会影响上下海浪进入方案的选择，以保证下一个单元与原单元有不同的进出流。

波浪阴影示意图

在了解CEM的理论基础和功能逻辑的基础上，在一些简单的模拟海岸线模型中，对其准确性进行了尝试（见视频1），结果相对较为准确。

Test Simulation


完成准确性测试后，笔者对其进行了二次开发，由于CEM的输入文件是Excel格式的高程数据，因此很难手动设置该文件以适应某些特定的海岸线。由于数据量巨大，保证了仿真的准确性。原始CEM程序的一个局限性是，该程序只能应用于一个样本和理想的海岸线。

为了突破这一局限，尝试将CEM与三维模型平台Rhino相结合。为了连接这两个平台，创建了几个Python脚本作为应用程序编程接口，形成了一个集成的工作流。基本上，脚本允许在CEM中运行Rhino生成复杂的3D模型。同时也为CEM模拟上述不同的干预技术提供了可能，如抽砂、混凝土海堤和淤泥栅栏等。因为干预措施可以在犀牛身上进行修改，并作为岩石（不可侵蚀）导入CEM。一系列脚本旨在分析CEM产生的数据，并提供有用的信息，如侵蚀或堆积区域、陆地和海洋之间的线界面以及由此产生的地形的中轴线。这些过程是关于在不同的程序之间建立联系和最终的反馈系统。该工作流程在埃及北部海岸线进行了测试，并取得了成功。

同时，笔者也开发了多类型的可视化系统用于模拟结果，来反应被侵蚀以及沉积物堆积的区域个海岸线在各个模拟时期的形态。

然而，这一体系并没有得到充分发展。最初的意图是开发一个基于先入为主的规则的自动自我调节系统。从理论上讲，如果在Rhino中手动绘制的线或点与模拟交互，则可以根据Python脚本的输入在CEM控制台中自动进行。模拟将自动检测被侵蚀的区域并添加干预措施。这可以通过允许两个平台自动交互来实现。这个想法借用了“‘technological singularity”的概念，涉及到计算机发展自我校准的能力。这可能会是改工具后续发展的一个重要方向。