3DGIS支持下的洪水風(fēng)險(xiǎn)三維動(dòng)態(tài)推演

馬 瑞義崇政

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010； 2.長(zhǎng)江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，武漢 430010；3.湖北省水利信息感知與大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

洪水災(zāi)害既是一種造成災(zāi)害的自然現(xiàn)象，又是保持自然生態(tài)平衡所不可少的生態(tài)過(guò)程。近年來(lái)，水利科學(xué)研究、工程運(yùn)用乃至社會(huì)各界都在從不同角度探討利用現(xiàn)代高新技術(shù)及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)洪水演進(jìn)過(guò)程。隨著信息數(shù)字化技術(shù)研究的深入，洪水演進(jìn)的推算必須上升到模擬仿真的高度，才能為洪水事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、范圍和強(qiáng)度提供快速、準(zhǔn)確和直觀有效的預(yù)報(bào)手段。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)洪水?dāng)?shù)值模擬及可視化方法進(jìn)行了深入研究[1-4]，通過(guò)技術(shù)手段對(duì)洪水過(guò)程進(jìn)行模擬和可視化，將其轉(zhuǎn)化為受眾面廣的直觀形態(tài)，對(duì)洪水淹沒(méi)的災(zāi)害評(píng)估與應(yīng)急決策管理具有重要的意義。

在洪水的數(shù)值模擬方面，丹麥水力研究所開(kāi)發(fā)的MIKE系列軟件提供了河網(wǎng)、河口和地表水體等的水動(dòng)力學(xué)模型，為洪水的數(shù)值計(jì)算提供了基礎(chǔ)性工具[5]，大量研究者使用該軟件針對(duì)特定區(qū)域開(kāi)展了應(yīng)用。劉娜等[6]運(yùn)用MIKE11模型分析閘壩式電站潰壩洪水過(guò)程；丁曼等[7]應(yīng)用MIKE21模型對(duì)月亮泡蓄滯洪區(qū)的洪水?dāng)U散情況進(jìn)行模擬；王欣等[8]綜合應(yīng)用MIKE FLOOD模塊模擬城區(qū)潰壩后的洪水淹沒(méi)情況。

在洪水過(guò)程的可視化方面，由于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)表格和過(guò)程曲線等方式難以直觀描述洪水的空間演進(jìn)過(guò)程，研究者逐步將GIS可視化技術(shù)應(yīng)用到洪水過(guò)程表達(dá)中，為洪水演進(jìn)模擬的研究提供多源地表空間信息的綜合分析和解釋。受制于GIS可視化技術(shù)的發(fā)展，早期的研究者主要使用二維平臺(tái)對(duì)淹沒(méi)格網(wǎng)進(jìn)行設(shè)色和模擬[9]。隨著圖形學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一系列可視化工具和類庫(kù)，為三維可視化提供了基礎(chǔ)[10]。陳立華等[11]運(yùn)用OpenGL對(duì)三維河網(wǎng)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了可視化；王偉等[12]使用DirectX 9.0對(duì)大區(qū)域河道進(jìn)行建模并進(jìn)行河流水的仿真；眭海剛等[13]使用三維GIS軟件對(duì)數(shù)字航道及其周邊要素進(jìn)行建模和模擬。

已有的數(shù)值模擬方法和可視化技術(shù)為洪水演進(jìn)模擬提供了有效的輔助手段，但借助開(kāi)源可視化類庫(kù)對(duì)MIKE FLOOD模型計(jì)算成果進(jìn)行靈活多樣的可視化研究較少，且大多數(shù)二維洪水風(fēng)險(xiǎn)圖使用分級(jí)設(shè)色對(duì)淹沒(méi)范圍和風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行總體描述，缺乏對(duì)淹沒(méi)區(qū)域細(xì)節(jié)的認(rèn)知，無(wú)法動(dòng)態(tài)反映發(fā)生潰口等險(xiǎn)情時(shí)的洪水?dāng)U散過(guò)程[14-16]。

鑒于此，本文研究了洪水風(fēng)險(xiǎn)的表達(dá)手段及其在3DGIS場(chǎng)景中的融合和表達(dá)方法，并以雄安新區(qū)的南拒馬河右岸為研究對(duì)象，基于MIKE模型計(jì)算潰壩后的洪水過(guò)程，應(yīng)用3DGIS技術(shù)在真三維環(huán)境下進(jìn)行洪水過(guò)程的動(dòng)態(tài)推演分析。

2 基于MIKE模型的洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

2.1 MIKE模型理論基礎(chǔ)

MIKE系列軟件是丹麥水力研究所開(kāi)發(fā)的用于河流、灌溉系統(tǒng)等的水流、水質(zhì)、泥沙分析模擬專業(yè)軟件，該模型可以靈活地建立各類復(fù)雜的河網(wǎng)模型。該軟件的適用范圍從一維到三維，從水動(dòng)力到水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)，從流域大范圍水資源評(píng)估和管理的MIKEBASIN，到地下水和地表水聯(lián)合的MIKESHE。從一維河網(wǎng)的MIKE11、二維河口和地表水體的MIKE21、近海的沿岸流LITPACK，直到深海的三維MIKE3。

在洪水過(guò)程的計(jì)算中，常使用MIKE11和MIKE21模塊，其中MIKE11數(shù)學(xué)模型軟件包由水動(dòng)力、對(duì)流-擴(kuò)散、水質(zhì)、降雨-徑流、洪水預(yù)報(bào)等模塊組成，核心模塊為水動(dòng)力模塊，采用的是6點(diǎn)Abbott-Ionescu有限差分格式，對(duì)圣·維南方程組求解；MIKE21屬于平面二維自由表面流模型,采用非正交曲線網(wǎng)格，忽略了垂向水流加速度，以垂向平均的水流因素為研究對(duì)象，模擬計(jì)算海洋、湖泊、河道、蓄滯洪區(qū)的流場(chǎng)、流速、水位的變化[5]。該模型目前在國(guó)內(nèi)諸多大型工程中得到廣泛應(yīng)用，采用較為成熟的二維紊流雷諾平均應(yīng)力模型方程結(jié)合自由表面模擬技術(shù)進(jìn)行。

2.2 MIKE模型耦合計(jì)算思路

為綜合表達(dá)河道和淹沒(méi)區(qū)域的演進(jìn)過(guò)程，在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要綜合考慮一維河網(wǎng)模型和二維區(qū)域模型，將MIKE11模型和MIKE21模型的水動(dòng)力模塊耦合使用，建立一維、二維嵌套的非恒定流洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型。

因此，本文采用MIKE11和MIKE21模型的耦合方法。在模型中，流域內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)概化為河道、蓄滯洪區(qū)及其之間的聯(lián)系3部分。河道水流采用一維非恒定方法模擬，建立河網(wǎng)模型；蓄滯洪區(qū)及保護(hù)區(qū)概化為二維區(qū)域進(jìn)行模擬；對(duì)于河系中控制水流運(yùn)動(dòng)的堰、閘、蓄滯洪區(qū)口門等概化為聯(lián)系，聯(lián)系的過(guò)流能力滿足水力學(xué)上的堰流公式。

洪水分析建模時(shí)，使用側(cè)向連接，使得河道水流從一維河道經(jīng)過(guò)側(cè)向連接進(jìn)入了二維區(qū)域。MIKE11用于一維河道內(nèi)洪水演進(jìn)過(guò)程的模擬，使用MIKE11模擬河道洪水演進(jìn)過(guò)程，得到河道各斷面處的水位、流量過(guò)程；MIKE21模型用于二維平面區(qū)域內(nèi)的水力學(xué)計(jì)算，主要用于計(jì)算洪水淹沒(méi)過(guò)程及流場(chǎng)、流速、洪水到達(dá)時(shí)間、淹沒(méi)歷時(shí)、洪峰到達(dá)時(shí)間等。

2.3 MIKE模型格網(wǎng)計(jì)算與結(jié)果處理

計(jì)算建模過(guò)程中，對(duì)區(qū)域的剖分形式采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格。為了較準(zhǔn)確地模擬洪瀝水的演進(jìn)過(guò)程，對(duì)于規(guī)則網(wǎng)格，邊長(zhǎng)采用300 m，重要地區(qū)、地形變化較大部分的計(jì)算網(wǎng)格要適當(dāng)加密，邊長(zhǎng)為100 m。剖分后的實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行洪水分析建模時(shí)，使用側(cè)向連接，使得河道水流從一維河道經(jīng)過(guò)側(cè)向連接進(jìn)入了二維區(qū)域。

為滿足洪水過(guò)程展示的需求，還需要對(duì)MIKE格網(wǎng)耦合計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行格式化處理。表1給出了計(jì)算得出的隨時(shí)間變化的格網(wǎng)水深結(jié)果格式化序列，在某一特定時(shí)刻，通過(guò){網(wǎng)格ID，水深(m)；…；網(wǎng)格ID，水深(m)}序列的形式描述當(dāng)前格網(wǎng)的變化值。通過(guò)該序列的格式化，可以更加方便地得出任意t時(shí)刻中，相較于上一時(shí)刻t-1的網(wǎng)格變化情況，滿足對(duì)局部水深值進(jìn)行更新的需要。

表1 MIKE格網(wǎng)淹沒(méi)水深結(jié)果格式化處理

3 基于3DGIS的洪水過(guò)程推演

3.1 3DGIS依托技術(shù)選型

隨著GIS特別是三維GIS的快速發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了大量商業(yè)3DGIS平臺(tái)，但由于接口限制，難以靈活對(duì)洪水過(guò)程進(jìn)行表達(dá)。因此，本文擬選用開(kāi)源圖形(OpenSceneGraph，OSG)開(kāi)發(fā)包進(jìn)行洪水過(guò)程動(dòng)態(tài)推演的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。OSG主要面向飛行器仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化等高性能圖形應(yīng)用，它基于場(chǎng)景圖的概念，提供一個(gè)在OpenGL之上的面向?qū)ο罂蚣埽验_(kāi)發(fā)者從實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化底層圖形的調(diào)用中解脫出來(lái)，并為圖形應(yīng)用程序的快速開(kāi)發(fā)提供了很多附加的實(shí)用工具。

OSG繪制圖形的基本單元是點(diǎn)、線和多邊形，但對(duì)于地形地貌的表達(dá)，其提供了三維地形生成插件Virtual Planet Builder，可以將數(shù)字地形和數(shù)字正射影像融合，在繪制地形時(shí)將灰度圖上的灰度信息插值轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)空間的三維地理坐標(biāo)。在三維地形渲染時(shí)，相鄰的3個(gè)點(diǎn)組成三角形，再將所有的三角形聯(lián)接成網(wǎng)狀，形成反映高低起伏變化的地形三角網(wǎng)，從而為洪水過(guò)程模擬和分析過(guò)程提供了詳實(shí)的地形依據(jù)。

3.2 洪水風(fēng)險(xiǎn)成果的三維表示方法

對(duì)于MIKE模型使用的洪水計(jì)算格網(wǎng)，將其轉(zhuǎn)換為Shapefile形文件并進(jìn)一步讀取空間信息，構(gòu)建OSG支持的三角形對(duì)象加入到三維場(chǎng)景中，然后對(duì)其中的每一個(gè)格網(wǎng)進(jìn)行編號(hào)，關(guān)聯(lián)到洪水計(jì)算的淹沒(méi)成果表。完成了格網(wǎng)數(shù)據(jù)的構(gòu)建和屬性關(guān)聯(lián)后，在三維場(chǎng)景中可以設(shè)置時(shí)間軸，對(duì)每一個(gè)時(shí)刻，根據(jù)格網(wǎng)的淹沒(méi)水深值對(duì)三角格網(wǎng)的顏色和相對(duì)高程進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，并對(duì)相鄰格網(wǎng)進(jìn)行平滑過(guò)渡處理，從而實(shí)現(xiàn)洪水過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)推演。

為進(jìn)一步提升場(chǎng)景的視覺(jué)效果，還可以通過(guò)設(shè)置環(huán)境光、鏡面反射光和漫反射光，增加地形明暗效果、光滑以及反混淆處理，為場(chǎng)景精化顏色材質(zhì)和紋理貼圖，加入天空、白云、霧效等來(lái)更真實(shí)地模擬自然世界。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

基于上述地形構(gòu)建和洪水模擬推演方法，本文試驗(yàn)使用Visual Studio 2015開(kāi)發(fā)環(huán)境基于OpenSceneGraph 3.4.0進(jìn)行洪水三維動(dòng)態(tài)推演功能的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和推演應(yīng)用層3個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 洪水風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)推演系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)層將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)，將推演過(guò)程數(shù)據(jù)、淹沒(méi)損失數(shù)據(jù)、潰口情況數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MySQL屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中，將三維地形、傾斜攝影、專題矢量數(shù)據(jù)等存儲(chǔ)在PostgreSQL擴(kuò)展PostGIS的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中；服務(wù)層一方面構(gòu)建數(shù)據(jù)和地圖服務(wù)，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)和地圖訪問(wèn)接口，另一方面提供淹沒(méi)過(guò)程的數(shù)據(jù)解算、格網(wǎng)信息動(dòng)態(tài)構(gòu)建等算法服務(wù)，為應(yīng)用層提供可供可視化仿真的結(jié)果；推演應(yīng)用層除了提供數(shù)據(jù)漫游、數(shù)據(jù)查詢定位、空間量算等三維GIS基礎(chǔ)功能外，重點(diǎn)解決洪水過(guò)程推演涉及的方案選擇、潰口標(biāo)識(shí)、損失統(tǒng)計(jì)、動(dòng)態(tài)淹沒(méi)和設(shè)色等功能。

圖2 洪水風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)推演系統(tǒng)界面

開(kāi)發(fā)形成的系統(tǒng)界面如圖2所示。其中上方工具條為洪水淹沒(méi)推演、最終結(jié)果、淹沒(méi)損失等功能入口；左側(cè)區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)的水系、交通、標(biāo)注等矢量數(shù)據(jù)及高精度傾斜攝影數(shù)據(jù)的控制列表；中間主視圖則是試驗(yàn)區(qū)的三維操作和洪水推演功能展示窗口。后文將對(duì)試驗(yàn)區(qū)的淹沒(méi)過(guò)程在系統(tǒng)中進(jìn)行模擬和分析。

圖3 雄安新區(qū)南拒馬河右岸網(wǎng)格剖分與邊界條件界定

4 試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)區(qū)建模與計(jì)算

本文選取雄安新區(qū)內(nèi)的主要河流南拒馬河，以其右岸作為試驗(yàn)區(qū)，模型計(jì)算范圍由京廣鐵路、南拒馬河右堤，白溝引河右堤、白洋淀新安北堤、障水埝及瀑河堤防圍成，中心位置為東經(jīng)115°50′,北緯39°25′,模型計(jì)算區(qū)南北長(zhǎng)34.2 km，東西長(zhǎng)35.1 km，計(jì)算面積678 km2。

本次剖分采用近期的1∶10 000地形圖，剖分形式采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格。在MIKE中網(wǎng)格的剖分結(jié)果如圖3所示，共有13 757個(gè)網(wǎng)格單元。對(duì)剖分后的試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行洪水分析建模時(shí)，使用了側(cè)向連接，使得河道水流從一維河道經(jīng)過(guò)側(cè)向連接進(jìn)入了二維區(qū)域。

試驗(yàn)以20 a一遇洪水產(chǎn)生條件為例，模擬潰口發(fā)生，采用MIKE11模型和MIKE21模型進(jìn)行耦合計(jì)算后，得出了在共計(jì)780 h時(shí)間區(qū)間內(nèi)的網(wǎng)格水深變化情況。為了直觀反映最終的淹沒(méi)結(jié)果，從計(jì)算出的網(wǎng)格水深變化結(jié)果中抽取出了每個(gè)網(wǎng)格最終的水深值，使用ArcGIS制作了淹沒(méi)水深二維結(jié)果,如圖4所示，圖中網(wǎng)格的藍(lán)色越深表示該網(wǎng)格淹沒(méi)水深值更大。后續(xù)部分將采用基于3DGIS的三維場(chǎng)景對(duì)淹沒(méi)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)推演表達(dá)。

圖4 雄安新區(qū)南拒馬河右岸淹沒(méi)水深擴(kuò)散結(jié)果分布

4.2 三維動(dòng)態(tài)推演分析

雄安新區(qū)南拒馬河右岸的洪水三維動(dòng)態(tài)推演過(guò)程如圖5所示，點(diǎn)擊推演功能后彈出的控制框可以進(jìn)行淹沒(méi)區(qū)域、方案、顏色以及模擬步長(zhǎng)的選擇。

本次推演根據(jù)淹沒(méi)計(jì)算情況，將推演過(guò)程的淹沒(méi)水深按照{(diào)0，0.5，1.0，2.0，3.0}區(qū)間設(shè)置為6個(gè)不同的等級(jí)，其中淹沒(méi)水深值≤0的設(shè)置為透明，其他水深值則根據(jù)深度相對(duì)三維地形進(jìn)行三角網(wǎng)格的抬升，并根據(jù)值的大小進(jìn)行著色，值越大顏色越深。

圖5中的(a)、(b)、(c)、(d)分別對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的推演中間結(jié)果，并從不同角度來(lái)描述此次推演過(guò)程。圖5(a)顯示了在t=60 h時(shí)刻，洪水剛開(kāi)始從潰口處向外蔓延；圖5(b)顯示了在t=120 h時(shí)刻，主要居民區(qū)暫時(shí)還未受到洪水過(guò)程的影響；圖5(c)顯示了在t=180 h時(shí)刻，將地形透明后更加清楚地看到淹沒(méi)范圍逐漸擴(kuò)大；圖5(d)和圖5(b)從同一視角顯示了t=240 h時(shí)主要居民區(qū)的建筑物受洪水影響的淹沒(méi)情況。

圖5 三維環(huán)境下的雄安新區(qū)南拒馬河右岸洪水動(dòng)態(tài)推演過(guò)程

將圖5的三維動(dòng)態(tài)推演結(jié)果與圖4的二維洪水風(fēng)險(xiǎn)圖成果比較發(fā)現(xiàn)，3DGIS支持下的洪水風(fēng)險(xiǎn)三維動(dòng)態(tài)推演方法可以在宏觀、中觀和微觀多個(gè)尺度對(duì)淹沒(méi)過(guò)程進(jìn)行模擬和表達(dá)，滿足不同研判人員對(duì)洪水災(zāi)情過(guò)程的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文總結(jié)了洪水風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)有表達(dá)手段，研究了洪水過(guò)程在3DGIS場(chǎng)景中的融合和表達(dá)方法，形成了一套可用于洪水風(fēng)險(xiǎn)三維動(dòng)態(tài)推演的程序框架。以雄安新區(qū)內(nèi)的主要河流南拒馬河右岸為例，基于MIKE11和MIKE21模型計(jì)算潰壩后的洪水過(guò)程，應(yīng)用OSG技術(shù)為基礎(chǔ)搭建三維GIS環(huán)境，并通過(guò)洪水計(jì)算得出的網(wǎng)格淹沒(méi)水深變化情況，對(duì)三角網(wǎng)格的著色和高度變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)表達(dá)，直觀反映潰口發(fā)生后的洪水過(guò)程。為了進(jìn)一步提高對(duì)洪水推演過(guò)程中受影響的建筑、農(nóng)田等細(xì)化變化的認(rèn)知，本文將試驗(yàn)區(qū)高精度傾斜攝影數(shù)據(jù)集成到三維場(chǎng)景中，通過(guò)洪水推演過(guò)程中淹沒(méi)面在三維場(chǎng)景中的高度變化，更加直觀高效地反映洪水動(dòng)態(tài)過(guò)程和淹沒(méi)損失情況。

本文的洪水過(guò)程三維動(dòng)態(tài)推演方法可為洪水風(fēng)險(xiǎn)分析和決策提供輔助支持，后續(xù)進(jìn)一步在三維GIS平臺(tái)上進(jìn)行淹沒(méi)損失動(dòng)態(tài)計(jì)算、應(yīng)急避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移等應(yīng)用研究，充分發(fā)揮三維GIS與洪水計(jì)算成果結(jié)合的優(yōu)勢(shì)和擴(kuò)展性。