GIS 應(yīng)用中水體三維建模研究

蔣玉水

(泰安市大汶河綜合開發(fā)建設(shè)指揮部，山東 泰安 271000)

1 概 述

隨著“十二五”規(guī)劃中明確提出了建設(shè)水利信息化的重要性，水利信息化的需求越來越多，地理新信息系統(tǒng)(GIS)在水利信息化建設(shè)中越來越重要。然而傳統(tǒng)的二維地理信息系統(tǒng)也越來越難以滿足當(dāng)前水利行業(yè)建設(shè)三維數(shù)字水利的需求，因此，近年來三維地理信息系統(tǒng)在水利行業(yè)應(yīng)用的重要性顯現(xiàn)出來。

在三維水利信息化建設(shè)中需要對(duì)各種水利設(shè)施、地表、水體等進(jìn)行建模。水利設(shè)施、地表的建?，F(xiàn)在已發(fā)展得相當(dāng)成熟。如今市場(chǎng)上流行的3DMAX、MAYA 等大型商業(yè)軟件，以及業(yè)內(nèi)應(yīng)用較廣的Google SketchUp 等開源軟件，都可以很好地完成水利設(shè)施的三維建模。地表的建模在當(dāng)今流行的商業(yè)軟件如Arc-GIS、MapGIS、SkyLine 等中能較好地完成。水體不像水利設(shè)施有自己固定的形狀，不像地表不會(huì)流動(dòng)，它隨地表高低起伏而變化，隨風(fēng)力而波動(dòng)，然而水利信息化的建設(shè)以水為主，因此水體的三維建模成為三維水利信息化建設(shè)中不可逾越的難題。

2 水體三維建模發(fā)展現(xiàn)狀

在當(dāng)前的三維水利信息化建設(shè)中，水體的建模其實(shí)就是水面的建模。這種建模主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法，以ArcGIS 為例。第一種，利用三維建模軟件(例如SketchUp、3DMAX 等)繪制出水面，再在水面上貼上水的紋理(一般是照片或圖像處理軟件處理的圖片)，完成水面的初步建模，然后再導(dǎo)出為ArcGIS 支持的MultiPatch 三維模型，最后將其覆蓋在地表上。第二種，利用ArcGIS 繪制出矢量水面，并改變矢量水面的填充圖案為水紋，最后調(diào)整水面模型覆蓋在地表。這種建模缺點(diǎn)很明顯，把水體抽象成單一的水面，水面與地表之間就是空的，不能反映水體數(shù)據(jù)隨水層深度的變化，只能單一地作為景觀使用，很難通過水體測(cè)算水體的體積和特定水深的水表面積，更不能表現(xiàn)不同風(fēng)力條件下水面浪花的狀態(tài)(比如浪高、波長(zhǎng)等)。

隨著地質(zhì)三維建模的發(fā)展，水體的三維建模也從中學(xué)到了一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。在地質(zhì)三維建模中，將地質(zhì)塊抽象成一個(gè)個(gè)由多個(gè)面組成的體。為了表現(xiàn)出不同地層的區(qū)別，可以將不同地層建模，建成不同的體。這種理念也可以運(yùn)用到水體建模，因?yàn)橄蛳峦蛊鸬乃w倒過來可以抽象成向上凸起的地質(zhì)體。這種建模方法也是有缺點(diǎn)的。由于這種三維模型是由多個(gè)面組成的體，它只注重體的面，而忽略了體的內(nèi)部表現(xiàn)，只能從表面看出不同層之間的區(qū)別，當(dāng)視野進(jìn)入到模型內(nèi)部時(shí)，就就很難區(qū)分不同層之間的區(qū)別。因此，需要尋找另一種三維建模方式。

3 水體三維建模的方式探討

根據(jù)應(yīng)用需求的不同，水體的三維建模也有不同的要求。主要有三種不同的需求，當(dāng)單獨(dú)作為景觀需求時(shí)，水體只需抽象成一個(gè)面覆蓋在地表上，也叫賞需求;當(dāng)把水層因素的變化作為需求時(shí)，水體就必須抽象成一個(gè)占據(jù)三維空間的體，簡(jiǎn)稱體需求;當(dāng)把風(fēng)力等自然界中作用于水的力量的變化作為需求時(shí)，水體就必須抽象成一個(gè)上表面起伏變化、運(yùn)動(dòng)著的體，簡(jiǎn)稱力需求。

通過本文對(duì)水體三維建模發(fā)展現(xiàn)狀的分析可以知道，當(dāng)前的三維水利信息化建設(shè)中，對(duì)水體三維建模的需求主要是景觀需求。然而隨著水利信息化建設(shè)的深入，第二需求和第三需求也越來越重要。水面的建模能較好地滿足景觀需求，但其也有不足之處，不能像真實(shí)平靜的水面那樣可以根據(jù)陽光倒映出天空和岸邊的影像。因此用貼圖填充水面紋理的方法，不能實(shí)時(shí)反映出倒映的變化。水面的建模能很好地滿足靜態(tài)景觀需求，而不能滿足動(dòng)態(tài)景觀需求。從本文的水體建模發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，體需求的滿足程度還僅限于體表面的深度變化，而對(duì)于體內(nèi)部的深度變化沒有全面涉及。力需求的滿足程度最低，在應(yīng)用廣泛的地理信息系統(tǒng)軟件中還沒有涉及力變量的地理數(shù)據(jù)模型。因此，為了滿足應(yīng)用對(duì)水體三維模型的賞需求、體需求、力需求，必須重新設(shè)計(jì)一種新的水體三維數(shù)據(jù)模型。

在測(cè)試新的水體三維數(shù)據(jù)模型時(shí)，我們使用開源的三維工程代碼OpenSceneGraph (簡(jiǎn)稱OSG)。OSG使用OpenGL 技術(shù)開發(fā)，是一套基于C + +平臺(tái)的應(yīng)用程序接口(API)，它讓程序員能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺(tái)的交互式圖形系統(tǒng)。

同其他地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型一樣，新的水體三維數(shù)據(jù)模型肯定也有屬性數(shù)據(jù)模型和圖形數(shù)據(jù)模型。本文重點(diǎn)研究三維水體模型的圖形數(shù)據(jù)模型。在建立新的三維水體數(shù)據(jù)模型之前，首先研究決定水體形狀的因素。

水體依附于地表，由于自身重力隨地表高低起伏而變化，因此地表高程數(shù)據(jù)是水體形狀的一個(gè)決定因素。在地理信息系統(tǒng)中，地表高程數(shù)據(jù)比較廣泛的表示方式是數(shù)字高程模型(DEM)。數(shù)字高程模型又分為規(guī)則數(shù)字高程模型與不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)字高程模型，后者又簡(jiǎn)稱TIN。規(guī)則數(shù)字高程模型計(jì)算速度比較快，適合用于與地表高程數(shù)據(jù)相關(guān)的計(jì)算;不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)量較小，顯示速度較快，適合用于三維場(chǎng)景的三維地表的展示。

當(dāng)水流較大時(shí)，水位較高，反之，水位較低;當(dāng)水流較快時(shí)，水位較低，反之，水位較高。流速是指水體的流動(dòng)速度，記作v。單位時(shí)間流量是指單位時(shí)間內(nèi)流過河道橫截面的水的體積，記作Vt。因此，流速與單位時(shí)間流量是兩個(gè)決定水流大小與快慢的因素。

從地表高程數(shù)據(jù)我們可以獲得河道任意橫截面的數(shù)據(jù)，此橫截面數(shù)據(jù)就是由橫截面上的點(diǎn)數(shù)據(jù)組成的橫截面曲線。通過水流的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，我們可以獲得水流的速度與單位時(shí)間內(nèi)流量。假如水流的橫截面積為S，則Vtv =S，因此可以通過水流速度與單位時(shí)間流量，求得水流橫截面積。在水流橫截面積已知的情況下，根據(jù)河道的橫截面積數(shù)據(jù)，就可以求得水位。根據(jù)河道長(zhǎng)度與應(yīng)用需求的精度，獲得間隔一定長(zhǎng)度的水位，就可以知道水位的變化，在虛擬世界中表現(xiàn)出來。這種方法只適合河道較為陡峭的河段，對(duì)于較為平坦的河段，整個(gè)河段采用統(tǒng)一高度。水體底部的形狀由河道底部的地表決定，這樣，水體的大體形狀就確定了。

在水利行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中，通常將三維水體內(nèi)部分層，按層來分類顯示我們所關(guān)心的數(shù)據(jù)。新的三維水體模型必須提供水體內(nèi)部分類顯示的機(jī)制。水體分類顯示的前提是水體分層，水體分層至少提供兩種方法。第一種方法是按比例分層，即把水體按照比例劃分為不同的層;第二種方法是曲面分層，即根據(jù)已知的多個(gè)既不重疊也不交叉的曲面，將水體劃分為不同的層。在新的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)中必須提供對(duì)這兩種分類方法的支持。在邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，可以將分層設(shè)計(jì)成一個(gè)二維表，設(shè)置三個(gè)字段，分別是ID、Level、Source。ID 是二維表的關(guān)鍵字段，Level 是在按照第一種分層方法下的層比，Source 是在按照第二種分類方法下的分割曲面的存儲(chǔ)路徑。在按比例分層時(shí)，字段Source 的值都為空NULL，在按曲面分層時(shí)，Level的值都為0。

水體的大體形狀和內(nèi)部狀態(tài)現(xiàn)在都已經(jīng)確定，接下來就該研究水面在風(fēng)力力作用下的狀態(tài)展示。

用風(fēng)力和風(fēng)向兩個(gè)變量決定浪高和浪撲打的方向。在新的水體三維數(shù)據(jù)模型中，也必須保存對(duì)應(yīng)著風(fēng)力和風(fēng)向兩個(gè)變量。根據(jù)風(fēng)力等級(jí)表可以查詢到不同風(fēng)力等級(jí)下的水面的狀態(tài)，以此為據(jù)，可以繪制出不同風(fēng)力條件下的三維水體的水面狀態(tài)。在OSG 中讀取數(shù)據(jù)模型中風(fēng)力和風(fēng)向數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)的波浪場(chǎng)景。

4 結(jié) 語

本文分析了不同需求下的當(dāng)前合適的水體建模方法及各建模方法的利弊，研究了水利三維信息化中的水體建模問題，為了滿足水利行業(yè)應(yīng)用中對(duì)水體的賞需求、體需求、力需求，重新設(shè)計(jì)了一種新的三維水體模型。新設(shè)計(jì)的三維水體模型雖然能總體上滿足論文中的水體三需求，但更細(xì)致的需求還要進(jìn)一步研究，以使該模型更加適合行業(yè)需求。

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