洪水演進(jìn)模擬的三維可視化研究淺析

沈陽(yáng)市渾河管理中心 呂愛(ài)民 張建國(guó)

洪水演進(jìn)模擬的三維可視化研究淺析

沈陽(yáng)市渾河管理中心 呂愛(ài)民 張建國(guó)

本文歸納總結(jié)了洪水演進(jìn)模擬三維可視化領(lǐng)域研究的相關(guān)概念，介紹了目前在洪水演進(jìn)技術(shù)上的研究背景，該技術(shù)是目前在城市防洪減災(zāi)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要的非工程措施，確保城市安全的重要手段，為管理者提供了一個(gè)建設(shè)規(guī)劃成果展示和決策支持的平臺(tái)。

洪水演進(jìn)模擬 非工程措施 三維可視化。

一、引言

隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字流域”等概念的相繼提出，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來(lái)越多的受到人們的關(guān)注，應(yīng)用的領(lǐng)域也由原來(lái)投資較高的軍事、航空業(yè)逐漸擴(kuò)展到普通行業(yè)，如地學(xué)、醫(yī)學(xué)、制造業(yè)、藝術(shù)與娛樂(lè)等。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地學(xué)相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用主要集中在地域三維漫游、工程規(guī)劃仿真、三維信息獲取等幾個(gè)方面，以其獨(dú)特的表現(xiàn)手段為三維場(chǎng)景的模擬提供了全新的人機(jī)交互接口，也為這些行業(yè)的信息化和仿真提供了新的手段和發(fā)展方向。

二、 洪水演進(jìn)的研究背景

在遍及全球的各種自然災(zāi)害中，洪水災(zāi)害是最常見(jiàn)和危害最大的一種。人類(lèi)與洪水災(zāi)害斗爭(zhēng)了幾千年，時(shí)至今日，洪水災(zāi)害仍然居各種自然災(zāi)害之首位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)每年的洪澇災(zāi)害損失占各種自然災(zāi)害總損失的40%，洪澇災(zāi)害是人類(lèi)面臨的主要自然災(zāi)害，而中國(guó)更是一個(gè)飽嘗水患之苦的國(guó)家。 因此，要實(shí)施有效的防洪減災(zāi)策略以及洪水資源利用計(jì)劃，就必須深入科學(xué)她認(rèn)識(shí)流域的洪水演進(jìn)規(guī)律和行洪過(guò)程，對(duì)流域洪水淹沒(méi)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。

由于地理信息系統(tǒng)（GIS）具有獨(dú)特的空間信息處理和分析功能，具有空間性和動(dòng)態(tài)性，它可以為洪水預(yù)測(cè)及演進(jìn)仿真模擬的研究提供對(duì)多源地表空間信息的綜合分析和解釋;可視化技術(shù)使人能夠在三維虛擬世界中對(duì)洪水演進(jìn)的現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行觀察、操作和分析，更好的了解洪水發(fā)生的過(guò)程，因此它們是開(kāi)展洪水演進(jìn)研究工作的自然選擇。

三、 洪水演進(jìn)模擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析

洪水演進(jìn)模擬仿真模塊的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的專(zhuān)題，它涉及的領(lǐng)域非常廣泛，包括水利學(xué)、水文學(xué)、地理學(xué)、三維可視化、遙感等諸多領(lǐng)域。

1. 地理信息系統(tǒng)概述

三維地理信息系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，它的提出一定程度上是為了克服二維系統(tǒng)的缺陷，從而滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。當(dāng)前研究和開(kāi)發(fā)三維GIS的思路可歸納為兩種:

（1）由于三維GIS首先要將地理數(shù)據(jù)變?yōu)榭梢?jiàn)的地理信息，而通用的GIS已經(jīng)不能滿足大量的對(duì)可視化技術(shù)的需求，因此人們從三維可視化領(lǐng)域向三維GIS系統(tǒng)擴(kuò)展，這一點(diǎn)同早期的二維GIS來(lái)源于計(jì)算機(jī)制圖管理是一樣的，它是從可視化的角度出發(fā)的。

（2） GIS需要存儲(chǔ)和管理大量的空間信息和屬性信息，因此人們又從數(shù)據(jù)庫(kù)的角度出發(fā)向三維GIS發(fā)展，他們從商用數(shù)據(jù)庫(kù)向非標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，一個(gè)新的發(fā)展方向是將三維可視化與三維空間對(duì)象管理藕合起來(lái)，形成集成系統(tǒng)。

三維地理信息系統(tǒng)能更真實(shí)、直觀地反應(yīng)客觀世界、并且具有更加豐富的數(shù)據(jù)類(lèi)型。三維地理信息系統(tǒng)中的查詢功能結(jié)合三維立體可視化技術(shù)，將為人們的分析決策提供更強(qiáng)的真實(shí)感和立體感以及更加豐富的信息支持，并在進(jìn)一步的決策分析、場(chǎng)景漫游等方面提供必要信息。

目前，三維地理信息系統(tǒng)已經(jīng)在環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)管理（交通運(yùn)輸，雨水，氣象）、農(nóng)業(yè)、國(guó)家和地方的發(fā)展、地質(zhì)學(xué)，電訊等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都有所應(yīng)用。因此對(duì)于三維地理信息系統(tǒng)研究中的一個(gè)重要方面就是對(duì)三維可視化技術(shù)的研究。

2. 可視化技術(shù)概述

可視化是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖象處理技術(shù)，將計(jì)算過(guò)程中及計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形及圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。

3. 三維可視化實(shí)現(xiàn)方式

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)三維可視化的方式主要有三種:應(yīng)用具有三維可視化功能的軟件（ARCIINFO等地理信息系統(tǒng)軟件），應(yīng)用三維圖形動(dòng)畫(huà)繪制軟件（3DMAX，Maya等），基于三維可視化工具包（OpenGL， DirectM， VRML等）的開(kāi)發(fā)。

ARC/INFO等主要GIs軟件中的三維功能主要是針對(duì)地形的三維可視化及其三維分析，針對(duì)地物的三維可視化只能是基于體（規(guī)則的建筑物）的概略性顯示。它們都側(cè)重于對(duì)地形進(jìn)行三維可視化和三維分析，缺乏對(duì)地物的有機(jī)顯示與分析，并且受其內(nèi)部功能模塊的限制，拓展性較差。如圖所示為在ARC/INFO軟件平臺(tái)下高程數(shù)據(jù)覆蓋TM影像的顯示效果。

3DMAX等三維圖形動(dòng)畫(huà)繪制軟件主要側(cè)重三維地物實(shí)體造型及三維動(dòng)畫(huà)的顯示及瀏覽，漫游，如圖所示為應(yīng)用3DMAX軟件繪制的視圖，從圖中可以看出，應(yīng)用3DMAX三維圖形繪制軟件繪制的三維場(chǎng)景感覺(jué)更加真實(shí)，能夠給人創(chuàng)造出一種身臨其境的感覺(jué)，但是它缺乏對(duì)三維空間數(shù)據(jù)的分析功能。

基于三維可視化工具包OpenGL等的開(kāi)發(fā)可以兼顧前兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，并且它們提供的三維圖形軟件開(kāi)發(fā)包及一系列函數(shù)可以大大簡(jiǎn)化三維圖形程序設(shè)計(jì)，可隨心所欲開(kāi)發(fā)所需的可視花環(huán)境，其中OpenGL在地物、地形顯示以及三維模擬方面為較多的專(zhuān)業(yè)軟件采用，并且OpenGL與3DMAX軟件相比具有可實(shí)時(shí)交互操作的優(yōu)點(diǎn)，而且可以將3DMAX軟件制作的三維場(chǎng)景通過(guò)編程導(dǎo)入到OpenGL開(kāi)發(fā)的可視化環(huán)境中，因此它更適合于空間信息的三維構(gòu)建、操作、分析和模擬。

四、結(jié)語(yǔ)

由于可視化技術(shù)能夠再現(xiàn)三維虛擬世界的特點(diǎn)，使人能夠在三維虛擬世界中對(duì)洪水演進(jìn)的現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行觀察、操作和分析，更好的了解洪水發(fā)生的過(guò)程，使得一些專(zhuān)家將GIS技術(shù)和三維可視化技術(shù)進(jìn)行融合應(yīng)用在動(dòng)態(tài)洪水仿真模擬的研究中，不過(guò)目前的研究尚處于探討和局部試點(diǎn)階段。該研究將在水利信息化領(lǐng)域?qū)⒂泻芎玫陌l(fā)展前景。

［1］韓敏，陳明．洪水演進(jìn)模擬的三維可視化研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005，8

［2］袁艷斌，王乘等．洪水演進(jìn)模擬仿真系統(tǒng)研制的技術(shù)和目標(biāo)分析[J]．水電能源科學(xué)，2001，9

［3］王穎，宮輝力等．黃河流域三維地形飛行模型開(kāi)發(fā)的技術(shù)流程與方法[J]．測(cè)繪科學(xué)，2005，10

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