潮灘動態(tài)淹沒可視化仿真研究*

趙曉亮,謝 巍,辛 欣

(1.信息工程大學測繪學院,河南鄭州 450052;2.防空兵指揮學院,河南鄭州 450052)

潮灘動態(tài)淹沒可視化仿真研究*

趙曉亮1,謝 巍2,辛 欣1

(1.信息工程大學測繪學院,河南鄭州 450052;2.防空兵指揮學院,河南鄭州 450052)

介紹了潮灘淹沒可視化仿真的相關研究,分析了已有研究存在的不足,闡述了潮灘淹沒可視化仿真過程中需要解決的關鍵技術,討論了研究過程中需要面臨的難點問題,同時指出了最終研究的目標。最終,為潮灘動態(tài)淹沒可視化仿真提供了具體的研究思路和相應的技術路線。

潮灘;流域;淹沒;水體;仿真;可視化

0 引言

受到潮汐的影響,海岸帶潮灘不斷發(fā)生著周期性的變化,潮灘在低水位時干出水面,而在高水位時被淹沒。潮灘變化與海軍活動關系密切,如修建港口碼頭、選擇錨地、布設水雷等。同時,登陸作戰(zhàn)也必須掌握登陸點的潮灘情況,包括潮間帶的寬度、坡度以及潮灘的侵蝕情況等。由于潮汐隨時間的升降運動,水面以上的潮灘寬度隨潮汐升降而變化,實際登陸時必須根據潮汐預報對露出水面的潮灘寬度加以預測[1]。因此,直觀、動態(tài)地表示潮灘淹沒變化,準確、實時地進行海岸帶的水深分布及潮灘海水淹沒情況可視化仿真,具有現(xiàn)實意義。同時,隨著近年來數字地球研究的興起,目前大多研究主要集中在陸上地形地貌的呈現(xiàn),而對海陸交界地帶的可視化仿真研究的文獻則較少,本文對潮灘動態(tài)淹沒的研究也將有利于豐富和完善數字地球的表現(xiàn)內容。

1 相關工作

關于潮灘動態(tài)淹沒的研究,有部分學者已進行了針對性的研究,而研究成果大多集中在洪水淹沒和流域仿真方面。洪水淹沒與潮灘淹沒在算法上大致相同,但也存在一定的區(qū)別,比如:洪水流經的地域與潮水經過的地域條件有所不同。同時,兩者的研究目的與對象也有差別。

1.1 洪水淹沒與流域可視化仿真

國外在對流域可視化模擬應用中也已陸續(xù)推出了一些較為成功的商用可視化系統(tǒng),如美國 Brigham Young university的S MS,荷蘭 Delft Hydraulics Institute研制的 Delft-3D,丹麥 DH I研究所開發(fā)的M IKE ZERO系列等。美國地質中心 Connor等對美國境內Queets河的洪水流域和河道變化進行動態(tài)模擬研究。美國水文科學沙化研究中心 Carroll等對洪水沖蝕和淤積進行建模,利用數值模擬方法研究卡森河的河道河床變化及其對洪水影響。Qizhi Yu實現(xiàn)了大范圍流域動態(tài)模擬,提出了一種在大區(qū)域內的實際可行的流體交互仿真方法[2],圖 1為仿真效果圖。

國內對洪水淹沒與流域三維可視化方面的研究的學者也有很多,浙江大學劉南、劉仁義等[3]利用給定水位方式并基于種子蔓延方法判斷洪水淹沒范圍,同時結合三維仿真技術開發(fā)出水利工程中的淹沒分析系統(tǒng),研究成果在對浙江省流域洪水災害的準確評估和分析預測中得到了應用。華中科技大學袁艷斌、康玲等[4]進行了洪水演進模擬仿真系統(tǒng)的研制,該系統(tǒng)能夠實時模擬流域洪水的淹沒演進過程,較為逼真地模擬了洪水在流域內的形態(tài)變化,為防洪減災提供了較好的決策支持。

圖1 大范圍流域三維可視化Fig.1 3D simulation of large scale valley

1.2 潮灘淹沒方面的研究

吳中鼎利用不同時相的衛(wèi)星圖像資料確定潮灘水涯線位置[5],并與通過衛(wèi)星成像進行潮汐預報時刻的水涯線高度相結合,計算出海岸灘涂的相對高程分布 (相對高程是指相對于當地平均海平面的高程),利用潮汐預報和潮灘數字高程圖對研究地點的任意時刻潮灘狀況進行預測。鄭宗生利用多時相的遙感影像提取的水邊線信息[6],并根據實測的高程斷面獲得不同時間下的水邊線高程,最后根據已知高程信息的水邊線插值進而得到潮灘的數字高程模型。

李榮興于 2002年提出了DTS(Digital Tide Shoreline)為沿岸陸地模型與某一時刻的海水面模型的交線的概念,認為正是DTS形成了潮灘淹沒區(qū)的邊界[7]。張立華考慮到高水位影響和水位的交替漲落,認為準確、快速地計算與顯示淹沒區(qū)是潮灘淹沒動態(tài)仿真的重要環(huán)節(jié)[8],提出了一種顧及高水位影響的潮灘淹沒動態(tài)仿真算法。在建立數字潮灘模型基礎上,利用水位計算公式動態(tài)預測水位的變化,并通過提取DTS,確定不連通的洼地。同時考慮高水位的影響,檢測出不連通洼地的動態(tài)變化,從而正確顯示潮灘的淹沒區(qū)。

1.3 存在問題

在洪水淹沒范圍的計算過程中,一般采用有源淹沒算法。而一般的有源淹沒算法均存在以下不足之處:

1)淹沒計算中,要反復對淹沒區(qū)域的連通特性進行檢查,若計算區(qū)域面積較大或地面格網精細時,計算開銷很大,影響計算和顯示的效率。

2)地形建模的多邊形格網是作為計算的最小單元,當使用粒度大的格網單元時,淹沒范圍的表達準確度較低。同時,由于格網很粗糙,計算過程中,會出現(xiàn)明顯的連通性的表達錯誤。

同時,在潮灘的淹沒算法中,張立華等的算法雖然已經基本滿足對潮灘實時狀態(tài)的可視化預測要求,但是要做到逼真的三維可視化仿真,還應考慮基于水體動態(tài)建模的潮灘淹沒模擬、包括考慮海水演進引起的水面形狀變化等問題。

2 關鍵技術

潮灘淹沒是一個很復雜的過程,受多種因素的影響,其中潮灘特性和受淹區(qū)的地形地貌是影響潮灘淹沒的主要因素。海水淹沒陸地是一個動態(tài)過程,其中涉及到流體運動相關問題,如何滿足大場景下流體與陸地淹沒交互算法,并加快顯示速度,是一個全新的挑戰(zhàn)。

2.1 動態(tài)水體建模

有關水體數學建模的研究方法有計算流體動力學 (Computational Fluid Dynamics,CFD)、側重于不可壓縮流體的有計算水動力學 (Computational Hydrodynamics),以及水力學方面的計算水力學 (Computational Hydraulics),這些方法的研究重點在于數學建模方法和數值模擬的計算精度問題上。潮灘的地形條件復雜,分布有洼地,潮水溝和其他地貌,潮灘潮水因不同的潮灘地形條件會產生不同的形態(tài),水流在潮灘上的運動是一項復雜的流體自然現(xiàn)象。水流形態(tài)的多樣性、運動的無規(guī)律性以及其岸灘邊界的局限性,使得水體數學模型建立過程復雜,在水流運動控制方程的選擇、不規(guī)則邊界的簡化處理、地形網格的剖分方法等方面都需要認真的處理。同時,目前關于三維水流運動的數學模型十分復雜,對硬件平臺性能的要求很高,達不到實時仿真的要求。以上存在的問題制約了水體運動數學建模方法在潮灘淹沒實時可視化仿真方面的應用。

對于潮流水體的仿真而言,由于岸灘覆蓋范圍十分廣闊,不同區(qū)域的岸灘地形和地質條件造成不同區(qū)域的水流特征變化各不相同。對于沙灘等開闊區(qū)域水體,水面表現(xiàn)的較平緩;而對于海峽區(qū)域的海岸,水流流速很快,水流對海岸的沖刷作用較強烈;對于風暴潮水流而言,水體則表現(xiàn)為起伏強烈,往復向岸推進的效果,此種情形下潮灘水流在岸灘推進過程的三維仿真不僅要構造出適當的海洋水面模型和潮灘淹沒過程的動態(tài)波峰模型,而且需要進行實時的交互仿真,諸如海浪的拍岸效果。針對上述問題,需要探索新的方法和技術,來實現(xiàn)潮流水體在不同地理條件和不同海洋水文現(xiàn)象中的動態(tài)建模。

2.2 水體與潮灘地形的相互作用計算

在近岸海域,波浪和潮流是兩個重要的動力因素。潮汐與潮流的往復運動不斷的改變著海岸帶的地理環(huán)境,同時引起潮間帶水陸邊線的變化。在潮灘的淹沒研究中,可以將潮汐、潮流運動看作是水體的動態(tài)變化,而將潮灘或海岸地形看作是一個靜態(tài)的物體。潮灘淹沒過程可以理解為動態(tài)水體與靜態(tài)地形的相互作用過程。

關于水體與地形的相互作用研究,文獻[9]提出了一種基于物理的地形侵蝕的算法。用經過地表的流水作用力侵蝕山體,其中水體用粒子方法模擬,而地形侵蝕應用簡單的碰撞檢測的方法。文獻[10]研究了水體與泥沙的相互作用,逼真的模擬了沙土顆粒的濕化過程。在潮灘淹沒的過程中同樣可以借鑒,用來模擬潮流在岸灘運動過程中逐漸濕化干燥的岸上泥沙顆粒。同時水體與潮灘地形相互作用還表現(xiàn)為,地形引起水體、水面形狀的改變;水體沖刷地形,引起地形變化。其中,水體與地形的邊界或結合部的動態(tài)變化應是研究的重點。根據潮灘淹沒的研究目的與硬件的局限,水體與地形的相互作用,不可能做到大范圍的實時顯示,在仿真的過程中只局限于細節(jié)描述,根據需要調用顯示。

2.3 動態(tài)水位條件下潮灘淹沒區(qū)的實時計算

由于潮汐的周期性作用,海岸帶水陸交線一直發(fā)生動態(tài)變化?？梢约僭O潮灘地形在一定特定時間段內是靜態(tài)變化的,而潮面的瞬時水位時刻在變化。根據時間的變化,利用潮汐瞬時水位計算公式得到各個時刻的瞬時水位,通過與地面高程模型的運算得到數值為 0的邊線即為水陸邊線,然后合理利用水陸邊線便能夠構建、顯示潮灘淹沒范圍。同時,根據潮汐的時間周期從而可以形成不同時刻的潮灘淹沒場景。由于潮汐運動的周期性,使得根據潮汐運動規(guī)律進行預先計算成為可能,借此加快顯示速度。在淹沒范圍計算過程中,難度在于處理好封閉曲線內的淹沒分析。潮灘上可能涉及到的洼地、環(huán)形山、水壩、潮水溝等的情況均不相同,需要在得到水邊線后再做連通性的檢查,最終得到正確的顯示結果。

3 研究的難點及目標

潮灘動態(tài)淹沒可視化仿真研究的難點有以下幾個方面:

1)要提出合理有效的潮水在岸灘演進過程中水陸邊界實時計算方法,設計合理的淹沒范圍計算約束條件,正確處理潮難特殊地貌的淹沒狀態(tài),最終實現(xiàn)潮灘淹沒范圍的實時且準確顯示;

2)對于潮流水體的仿真而言,考慮潮灘覆蓋區(qū)域廣闊,不同區(qū)域的海岸地形和地質結構下的水流運動特性各不相同。為此,如何根據潮流水體在不同約束條件和不同水文現(xiàn)象下選用合適的建模方法是研究中面臨的難點問題;

3)潮灘動態(tài)淹沒可視化計算的實時性。在淹沒計算場景中,包括潮灘地形的繪制,動態(tài)水體的模擬,水陸邊界線的實時計算,淹沒范圍的確定,水陸之間的相互作用等內容。所以,如何在潮灘動態(tài)淹沒可視化仿真過程中處理運行速度與顯示效果的平衡同樣是需要解決的難點問題。

潮灘動態(tài)淹沒可視化研究的目標是首先提出基于潮灘區(qū)域水陸邊界實時計算模型,然后通過模型的提出,對海岸帶潮灘淹沒范圍進行實時計算,并設計出可視化顯示系統(tǒng),從而可以為登陸、抗登陸作戰(zhàn)、海軍工程建設提供直觀視覺體驗和相關決策支持。

4 結束語

對潮灘動態(tài)淹沒可視化仿真進行研究,可以進一步完善數字地球的表達內容。同時,可以進行近海岸作戰(zhàn)模擬或者直接提供作戰(zhàn)決策支持。本文對潮灘淹沒仿真中的關鍵技術、研究難點、研究目標進行總結,是為下一步的具體研究所做的基礎性工作,以便快速找到潮灘淹沒可視化仿真的突破口與研究內容。

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Research on Dynamic Flood Simulation of Tidal Flat

ZHAO Xiao-liang1,XIE Wei2,XIN Xin1
(1.Institute of Surveying and Mapping,Information Engineering University,Zhengzhou Henan450052,China;2.Ai rDefense Forces Command Academy,Zhengzhou Henan450052,China)

This paper introduced some study on dynamic flood simulation of tidal flat,and analyzed some problems in existed projects.The paper analyzed some key technologies of flood visual simulation of tidal flat,and discussed some problems thatwere difficult to conquer.Meanwhile,the paper indicated the goal of research.The study in the paperwill provide specific manner and technique for dynamic flood simulation of tidal flat.

tidal flat;drainage area;flood;water body;s imulation;visualization

TP 391

A

1007-9394(2010)01-0001-02

2009-11-20

趙曉亮 (1982～),男,山西平陸人,博士研究生,研究方向為地理信息工程及戰(zhàn)場環(huán)境仿真。