河南省三維電子沙盤(pán)系統(tǒng)在防汛抗旱中的應(yīng)用研究

□薛紅勛（河南省水利科學(xué)研究院）

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河南省三維電子沙盤(pán)系統(tǒng)在防汛抗旱中的應(yīng)用研究

□薛紅勛（河南省水利科學(xué)研究院）

摘要：隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅速發(fā)展，水利信息化帶動(dòng)現(xiàn)代化進(jìn)程，數(shù)字水利技術(shù)提到了水利發(fā)展的重要議程。河南省防汛三維電子沙盤(pán)系統(tǒng)充分利用三維地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代高新信息技術(shù)，采用高精度DEM地形數(shù)據(jù)、遙感影像和基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)，建立河南省三維空間場(chǎng)景；并在三維場(chǎng)景中，直觀地展現(xiàn)河南全省地形、地貌、水系分布、河流形態(tài)、防洪工程等防洪信息。同時(shí)，還與已有的水雨情庫(kù)、防洪工程庫(kù)連接，可以實(shí)時(shí)展示和查詢水雨情信息和防洪工程信息，為河南省防汛管理及會(huì)商決策提供更為直觀、準(zhǔn)確的信息服務(wù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞:三維；電子沙盤(pán)系統(tǒng)；防汛抗旱；應(yīng)用研究

1概述

河南省防汛三維電子沙盤(pán)建設(shè)，是將河南全省地形貌、防洪工程體系在三維場(chǎng)景中生動(dòng)地展示出來(lái)，直觀展現(xiàn)防洪工程、淹沒(méi)范圍，并與水雨情庫(kù)、防洪工程庫(kù)良好銜接，能夠?qū)崿F(xiàn)水雨情信息、防洪工程信息的展示和查詢，進(jìn)一步豐富、完善目前防汛抗旱系統(tǒng)的建設(shè)，對(duì)河南省防汛抗旱的科學(xué)化、信息化、實(shí)用化、可視化具有重要意義。

2總體設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于分層思想進(jìn)行的。系統(tǒng)自上而下劃分為用戶交互層、應(yīng)用層、系統(tǒng)服務(wù)層、數(shù)據(jù)層。

2.2應(yīng)用層

提供三維場(chǎng)景自由瀏覽，定制漫游軌跡并按軌跡自動(dòng)飛行，分流域、水系進(jìn)行瀏覽，防汛信息（水雨情、工情及視頻監(jiān)控等信息）分類(lèi)分層查詢?yōu)g覽。

要求應(yīng)用層能夠表現(xiàn)全省范圍內(nèi)重點(diǎn)河道和地區(qū)的三維場(chǎng)景，場(chǎng)景中包括地形、地貌、城市、鄉(xiāng)村、公路、鐵路等基礎(chǔ)地理對(duì)象，還包括周邊重點(diǎn)水利工程、河道、堤防、水閘、險(xiǎn)工險(xiǎn)段等專(zhuān)題地理信息要素。

2.3系統(tǒng)服務(wù)層

系統(tǒng)服務(wù)層由三維虛擬現(xiàn)實(shí)引擎、三維GIS服務(wù)構(gòu)成。

三維虛擬現(xiàn)實(shí)引擎是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心層，亦是處理分析數(shù)據(jù)、支撐應(yīng)用層各種實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。它提供對(duì)操作系統(tǒng)、圖形API（DIRECTX或OPENGL）進(jìn)行抽象封裝和管理，并對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)中的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行管理，提供了各種先進(jìn)的特效表現(xiàn)手段。針對(duì)數(shù)據(jù)層各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)提供存、取的訪問(wèn)接口，對(duì)這些海量數(shù)據(jù)的快速無(wú)縫讀取和處理提供可靠支持。同時(shí)，它是實(shí)時(shí)虛擬顯示系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，采用了各種方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化、監(jiān)控，以保證系統(tǒng)的高效性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

三維GIS服務(wù)是構(gòu)建在三維虛擬現(xiàn)實(shí)引擎基礎(chǔ)上的專(zhuān)門(mén)針對(duì)三維空間數(shù)據(jù)的地理信息系統(tǒng)服務(wù)，它在二維GIS的基礎(chǔ)上將空間內(nèi)的數(shù)據(jù)擴(kuò)充到三維，并提供類(lèi)似二維GIS的圖層、圖元等基本概念，提供信息查詢、地理位置搜索、空間位置搜索、空間位置分析等數(shù)據(jù)分析能力，為上層應(yīng)用構(gòu)建出面向三維GIS的各類(lèi)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

2.4數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，涵蓋了三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示所需要的多種數(shù)據(jù)，包括：三維建模數(shù)據(jù)和應(yīng)用類(lèi)數(shù)據(jù)。

三維建模數(shù)據(jù)包括：數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像（DOM）及航拍圖片數(shù)據(jù)。

應(yīng)用類(lèi)數(shù)據(jù)包括：地理信息數(shù)據(jù)（道路、行政區(qū)等）、各種防汛所需的水利行業(yè)數(shù)據(jù)，包括防洪工程數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)等。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)

河南省防汛三維電子沙盤(pán)系統(tǒng)的建設(shè)，以海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，

3.2三維場(chǎng)景展示技術(shù)

三維虛擬現(xiàn)實(shí)引擎是服務(wù)層的核心和基礎(chǔ)，它在以下方面為整個(gè)系統(tǒng)提供核心支撐。

保證系統(tǒng)在海量數(shù)據(jù)條件下的實(shí)時(shí)性和高效性。給系統(tǒng)提供以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)方式的運(yùn)行機(jī)制，方便上層應(yīng)用對(duì)用戶的需求進(jìn)行快速反映。提供對(duì)操作系統(tǒng)、圖形API以及三維虛擬場(chǎng)景的各個(gè)方面的封裝和管理，大大縮短應(yīng)用層開(kāi)發(fā)周期。提供方便的糾錯(cuò)與準(zhǔn)確的診斷和監(jiān)控，保證系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)提供各種接近真實(shí)的顯示效果。

為將來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向提供強(qiáng)大的可擴(kuò)展性和延伸性，以縮短系統(tǒng)升級(jí)周期。

此外引擎架構(gòu)的設(shè)計(jì)充分追蹤和研究了國(guó)際最先進(jìn)實(shí)時(shí)圖形學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，采用多層次、多子模塊設(shè)計(jì)，為將來(lái)幾年內(nèi)的發(fā)展條件下，對(duì)引擎的擴(kuò)充、升級(jí)提供了體系結(jié)構(gòu)上的支持。

3.3分層展示技術(shù)

河南省防汛三維電子沙盤(pán)系統(tǒng)，要求展示豐富的基礎(chǔ)地理信息和防汛專(zhuān)題信息。為了達(dá)到更好展示效果，系統(tǒng)對(duì)這些信息進(jìn)行分類(lèi)和分級(jí)，可以從全省全景開(kāi)始，層層推進(jìn)，逐極展示；也可以從局部區(qū)域開(kāi)始，在不同級(jí)別之間進(jìn)行切換。

3.4自動(dòng)切換技術(shù)

根據(jù)不同的視野范圍，不同比例尺的三維場(chǎng)景，展示的信息及內(nèi)容不同，系統(tǒng)要求對(duì)不同場(chǎng)景（如流域?yàn)g覽模式）之間能夠快速切換。

3.5自動(dòng)飛行技術(shù)

為了便于展示全省的三維場(chǎng)景及水利工程分布，系統(tǒng)提供了自動(dòng)飛行功能，可沿設(shè)定的路線以適合的角度和高度飛行，并具備適時(shí)調(diào)整俯視角和飛行高度等功能。

4功能設(shè)計(jì)

圖1　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

4.1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1。

4.2地理要素控制與分析

地理要素（圖層）控制，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)從應(yīng)用的角度劃分為多類(lèi)用戶可以動(dòng)態(tài)開(kāi)啟、關(guān)閉的圖層。

基礎(chǔ)地理信息圖層：包括省、市、縣界，省市縣區(qū)域，市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊等行政區(qū)劃圖層。

非水利行業(yè)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)圖層：各類(lèi)公路、鐵路、管線等圖層。

水利行業(yè)數(shù)據(jù)圖層：各類(lèi)水利工程及防汛抗旱相關(guān)的地理要素圖層，如河流、提防、水庫(kù)、各類(lèi)監(jiān)測(cè)站、視頻監(jiān)控點(diǎn)等。根據(jù)用戶的選擇，來(lái)控制各圖層是否可見(jiàn)。

4.3地理信息搜索

支持各類(lèi)圖層的模糊搜索，用戶輸入搜索關(guān)鍵字，展示搜索結(jié)果，并可以在結(jié)果列表界面內(nèi)雙擊某條結(jié)果后自動(dòng)定位到該地理要素。

4.4地理信息分析

提供坐標(biāo)查詢、高程查詢、距離量算等地理信息分析功能。點(diǎn)擊“距離量算”，“距離量算”按鈕轉(zhuǎn)換為，可以測(cè)量電子沙盤(pán)的任意兩點(diǎn)的直線、折線距離。

4.5飛行路徑編輯及播放

提供飛行路徑和參數(shù)的編輯功能，路徑的標(biāo)定可手動(dòng)在地形上點(diǎn)選路徑，選擇整條河流或部分河流作為飛行路徑。飛行參數(shù)由用戶指定俯仰角、可視距離、飛行速度。實(shí)現(xiàn)按用戶定義的路徑及參數(shù)自動(dòng)飛行，并可以暫停、拖動(dòng)播放進(jìn)度。

4.6實(shí)時(shí)水雨情、水利工程信息查詢

提供對(duì)水利工程的水雨情、工情查詢功能。在查詢模式時(shí)，用戶在三維場(chǎng)景內(nèi)選定某個(gè)水利工程的地理要素后，即可彈出該工程的水雨情或水利工程信息詳細(xì)查詢結(jié)果。本系統(tǒng)同時(shí)集成了已有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可在三維沙盤(pán)內(nèi)選定某視頻監(jiān)控點(diǎn)的地理要素，直接彈出該監(jiān)控點(diǎn)的視頻監(jiān)控畫(huà)面。

5結(jié)語(yǔ)

河南省三維電子沙盤(pán)系統(tǒng)更真實(shí)地展示了全省水利工程的地形地貌，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的互聯(lián)互通，可使防汛指揮部門(mén)及時(shí)掌握水、雨、工情信息，從而迅速科學(xué)地做出決策，及時(shí)實(shí)施科學(xué)合理的防洪搶險(xiǎn)調(diào)度指揮，將洪澇災(zāi)害損失降到最低限度。

（責(zé)任編輯：左英勇）

收稿日期：2015-11-14

作者簡(jiǎn)介：薛紅勛（1982-），男，工程師，主要從事全省防汛工作。book=99,ebook=106包括DEM數(shù)據(jù)、遙感影像、基礎(chǔ)矢量超過(guò)100G。常規(guī)的數(shù)據(jù)處理主要采用文件方式組織和管理數(shù)據(jù)，不能高效地利用金字塔三維數(shù)據(jù)引擎，無(wú)法有效管理海量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)主要采用金字塔三維數(shù)據(jù)引擎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存取與有效管理。金字塔三維數(shù)據(jù)引擎是多種海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)的集合，主要包括：磁盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、內(nèi)存數(shù)據(jù)組織技術(shù)、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)裝載與卸載技術(shù)、紋理動(dòng)態(tài)載入技術(shù)、復(fù)雜消隱技術(shù)、多分辨北數(shù)據(jù)表現(xiàn)技術(shù)，以及其它相關(guān)技術(shù)。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391. 41; P426. 616

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8853(2016)01-0098-02