亭下水庫(kù)潰壩預(yù)演分析三維演示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

周學(xué)龍，呂華新，謝延?xùn)|

(1.奉化市測(cè)繪院，浙江奉化 315500； 2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079)

亭下水庫(kù)潰壩預(yù)演分析三維演示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

周學(xué)龍1，2?，呂華新1，謝延?xùn)|1

(1.奉化市測(cè)繪院，浙江奉化 315500； 2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079)

水庫(kù)潰壩分析是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。本文借助測(cè)量、遙測(cè)、遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)等手段采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建亭下水庫(kù)的三維模擬環(huán)境，將預(yù)設(shè)的大壩潰口條件下的洪水淹沒(méi)走勢(shì)、某時(shí)刻的淹沒(méi)范圍和各點(diǎn)的淹沒(méi)高程以三維形式，形象生動(dòng)的表現(xiàn)出來(lái)，為水庫(kù)淹沒(méi)損失評(píng)估、洪水應(yīng)急預(yù)案、人口疏散路線制定等工作提供及時(shí)的、形象的、強(qiáng)有力的輔助依據(jù)。

水庫(kù)；潰壩分析；三維演示；GIS

1 引 言

亭下水庫(kù)壩址位于著名的首批國(guó)家4A級(jí)旅游區(qū)浙江省奉化市溪口鎮(zhèn)上游7 km處，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、供水、養(yǎng)魚(yú)、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。根據(jù)水利部的要求，亭下水庫(kù)要做好大壩的潰壩分析評(píng)估預(yù)案。潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析是利用已有信息和合適的方法、措施、手段確認(rèn)大壩的堤防工程的運(yùn)行狀況，辨識(shí)與評(píng)估潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，明晰風(fēng)險(xiǎn)的狀況、計(jì)算潰壩所產(chǎn)生的后果等。

潰壩分析的主要意義在于，通過(guò)對(duì)水庫(kù)大壩的潰壩計(jì)算和洪水演進(jìn)模擬，對(duì)其水情信息進(jìn)行分析，以便合理地確定大壩和堤防的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)警措施，保障下游居民人身財(cái)產(chǎn)安全和生活生產(chǎn)。同時(shí)，可以評(píng)估可能經(jīng)濟(jì)損失、生命損失、社會(huì)和環(huán)境影響及水庫(kù)大壩的綜合風(fēng)險(xiǎn)，為大壩維護(hù)管理提供提供參考，為下游人員及經(jīng)濟(jì)規(guī)劃提供指導(dǎo)。

2 系統(tǒng)建設(shè)的內(nèi)容

“亭下水庫(kù)潰壩分析三維演示系統(tǒng)”的建設(shè)目標(biāo)是在硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)奉化市亭下水庫(kù)管理局在防洪工作的業(yè)務(wù)需求，確定以GIS(地理信息系統(tǒng))、RS(遙感)、VR(虛擬現(xiàn)實(shí))[1]、DBMS (數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng))等先進(jìn)技術(shù)為手段，在已經(jīng)建立的亭下水庫(kù)三維防洪調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將預(yù)設(shè)的大壩潰口條件下的洪水淹沒(méi)走勢(shì)、某時(shí)刻的淹沒(méi)范圍和各點(diǎn)的淹沒(méi)高程以三維形式，形象生動(dòng)的表現(xiàn)出來(lái)，為水庫(kù)淹沒(méi)損失評(píng)估、洪水應(yīng)急預(yù)案、人口疏散路線制定等工作提供及時(shí)的、形象的、強(qiáng)有力的輔助依據(jù)。系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容為以下幾個(gè)方面:

(1)利用水庫(kù)潰壩洪水預(yù)期影響區(qū)域內(nèi)數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型建立預(yù)計(jì)淹沒(méi)區(qū)三維地形；

(2)利用1∶1萬(wàn)地形圖對(duì)潰壩各時(shí)刻淹沒(méi)范圍進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容包括各點(diǎn)洪水破壞能力、洪水淹沒(méi)深度和流速、洪水波到達(dá)時(shí)間等；

(3)基于三維場(chǎng)景對(duì)潰壩計(jì)算結(jié)果進(jìn)行三維可視化；

(4)利用計(jì)算結(jié)果生成淹沒(méi)范圍圖、水深分布圖、流速分布圖、淹沒(méi)范圍圖等風(fēng)險(xiǎn)圖。

3 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

亭下水庫(kù)潰壩分析三維演示平臺(tái)，以潰壩分析結(jié)果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，三維展示平臺(tái)為核心，為水庫(kù)管理者提供直觀、準(zhǔn)確的潰壩洪水形勢(shì)和預(yù)計(jì)結(jié)果。系統(tǒng)提供風(fēng)險(xiǎn)圖繪制功能和水位信息查詢(xún)功能，風(fēng)險(xiǎn)圖主要分為庫(kù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖和潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)圖兩大塊。具體包括最大淹沒(méi)范圍圖、最大水深分布圖、最大流速分布圖、洪水到達(dá)時(shí)間分布圖、淹沒(méi)歷時(shí)分布圖、淹沒(méi)范圍圖、淹沒(méi)水深分布圖、流速分布圖。水位信息查詢(xún)功能，用戶(hù)可以查詢(xún)淹沒(méi)范圍內(nèi)任意點(diǎn)位的水深、流速等信息。系統(tǒng)整體功能架構(gòu)如圖1所示。

4 系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

4.1 三維地形的構(gòu)建

水庫(kù)潰壩分析三維演示系統(tǒng)使用的三維地形數(shù)據(jù)，采用Skyline軟件體系中的地形制作軟件TerraBuilder制作生成[2]。三維地形的生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

圖2 三維地形生產(chǎn)流程圖

4.2 平臺(tái)架構(gòu)

潰壩分析三維演示系統(tǒng)，采用.NET Framework 3.5框架為基礎(chǔ)，以Skyline為三維演示平臺(tái)。輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)MySql為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)支持。利用ADO.NET技術(shù)將數(shù)據(jù)庫(kù)與三維場(chǎng)景關(guān)聯(lián)。從而實(shí)現(xiàn)水庫(kù)實(shí)時(shí)的、用戶(hù)交互良好的、反映結(jié)果真實(shí)的潰壩分析三維演示平臺(tái)，平臺(tái)整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 平臺(tái)整體架構(gòu)圖

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

亭下水庫(kù)潰壩分析三維演示平臺(tái)采用輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)MySql為數(shù)據(jù)庫(kù)支持，利用MySql數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)點(diǎn)位淹沒(méi)信息進(jìn)行綜合存儲(chǔ)管理。并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)索引優(yōu)化，使得在對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行點(diǎn)位淹沒(méi)信息查詢(xún)構(gòu)面的響應(yīng)速度更快，結(jié)果更準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)庫(kù)組織表結(jié)構(gòu)如表1所示:

數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)圖 表1

5 關(guān)鍵技術(shù)

亭下水庫(kù)潰壩分析三維演示系統(tǒng)的核心功能即潰壩洪水演示，而潰壩洪水演示的核心技術(shù)為從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取某時(shí)刻各點(diǎn)位的淹沒(méi)信息，將點(diǎn)位淹沒(méi)信息構(gòu)建成三維面在三維場(chǎng)景中顯示。點(diǎn)位淹沒(méi)信息構(gòu)面不同于等值線生成(水位相同的點(diǎn)構(gòu)線)，因?yàn)樗幌嗤狞c(diǎn)可能是不連通的。點(diǎn)位淹沒(méi)信息構(gòu)面的難度主要在于:

(1)獲取從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)出的某時(shí)刻點(diǎn)位淹沒(méi)信息的系列點(diǎn)位中的臨界點(diǎn)(即處于淹沒(méi)邊緣的點(diǎn))，并將這些臨界點(diǎn)以“真實(shí)”的順序構(gòu)面。

(2)考慮洼地的影響，當(dāng)大壩崩潰達(dá)到一定時(shí)間后，淹沒(méi)水面可能存在不連通的情況，也就是說(shuō)，要構(gòu)建的三維面可能存在多環(huán)的情況。如何正確識(shí)別多環(huán)并構(gòu)建正確的淹沒(méi)面，這是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用底層算法，將查詢(xún)得到的點(diǎn)位逐個(gè)篩選構(gòu)面。算法的核心思想[3～6]可以用圖4表示。

圖4 點(diǎn)位篩選圖 圖5 四方向圖

圖4為假定某時(shí)刻下查詢(xún)出的點(diǎn)位淹沒(méi)信息，方格中的值為水位高程，0表示未淹沒(méi)。構(gòu)面的算法即為取某個(gè)點(diǎn)位(如B2)，先判斷該點(diǎn)水位是否為0，若是，則循環(huán)到下一個(gè)點(diǎn)；若不是，則取改點(diǎn)周?chē)狞c(diǎn)的水位信息進(jìn)行判斷，若周?chē)狞c(diǎn)中存在為0的水位高程，則該點(diǎn)為臨界點(diǎn)，將其取出進(jìn)行構(gòu)面[7]。周?chē)c(diǎn)位獲取的個(gè)數(shù)采用四方向法，即獲取點(diǎn)位上、下、左、右四個(gè)接點(diǎn)，如圖5所示，采用該算法也能構(gòu)建出三維面，達(dá)到預(yù)期效果。

6 潰壩分析三維演示模擬

三維潰壩洪水模擬是本系統(tǒng)的核心功能，潰壩洪水模擬的操作面板如下圖所示。在面板中預(yù)設(shè)了三種工況模式，用戶(hù)可以點(diǎn)擊進(jìn)行工況模式演進(jìn)的任意切換。當(dāng)用戶(hù)選擇了某一工況模式時(shí)，三維場(chǎng)景中自動(dòng)播放該工況下的洪水演進(jìn)模擬效果。用戶(hù)可以點(diǎn)擊“開(kāi)始”、“暫?！?、“結(jié)束”三個(gè)按鈕對(duì)洪水演進(jìn)模擬進(jìn)行控制。當(dāng)用戶(hù)正在播放洪水演進(jìn)效果時(shí)，面板中的進(jìn)度條會(huì)實(shí)時(shí)反映出洪水時(shí)刻信息，用戶(hù)也可以將進(jìn)度條拖動(dòng)到任意的時(shí)刻，將該時(shí)刻的洪水信息調(diào)出來(lái)查看，系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 潰壩分析三維演示圖

7 結(jié) 語(yǔ)

水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析對(duì)我國(guó)水庫(kù)大壩的安全管理，使水庫(kù)發(fā)揮最大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，具有重大意義。亭下水庫(kù)潰壩分析三維演示系統(tǒng)的建成方便水庫(kù)管理局對(duì)水庫(kù)淹沒(méi)演進(jìn)信息的全面掌握，并提供決策輔助，系統(tǒng)的上線將為災(zāi)后分析、制定防洪預(yù)案、應(yīng)急方案和風(fēng)險(xiǎn)管理提供必要的科學(xué)依據(jù)。

[1] 王國(guó)慶，吳廣茂，劉天時(shí).虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)及其應(yīng)用[J].航空計(jì)算技術(shù)，1994(2):P21～27.

[2] 彭國(guó)均，池天河，唐麗玉等.數(shù)字城市的三維圖形構(gòu)建技術(shù)[J].地球信息科學(xué)，2003，5(3):84～88.

[3] 童立新.新安江模型在東江水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2005(1):47～53.

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Study on Development of Three-dimensional Demonstration Preview System about Dam-break Analysis of Tinxa Reservoir

Zhou Xuelong1，2，Lv Huaxin1，Xie Yandong1
(1.Fenghua Institute of Surveying and Mapping，F(xiàn)enghua 315500，China；2.School of Resource and Environmental Sciences，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

Since reservoir Dam-break analysis is very complicated，acquiring basal reservoir data or flood data by full digital photography andmeasure technique，remotemonitoring，remote sensing，geographical information system，GPS，etc builds pavilion reservoir 3 d simulation environment.Will preset the dam under the condition of the dyke flood situation，amoment of submerged at various points in the submerged range and height in three dimensional form，vivid display，for reservoir flood damage assessment，flood emergency plan，population evacuation route work provide timely，such as image，powerful auxiliary basis.

reservoir；dam-break analysis；three-dimensional demonstration；GIS

1672-8262(2013)04-33-03

P208.2，TP391.9

A

2013—07—10

周學(xué)龍(1973—)，男，工程師，主要從事大地測(cè)量、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用等技術(shù)工作。

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)(2013ZX07105-005)