河道流動(dòng)水體三維仿真方法研究

余　偉1，王　偉1，蒲慧龍2，王　鵬3

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 2. 四川省第三測(cè)繪工程院，

四川 成都 610500； 3. 武漢吉嘉偉業(yè)科技發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430079)

YUWei，WANGWei，PUHuilong，WANGPeng

河道流動(dòng)水體三維仿真方法研究

余偉1，王偉1，蒲慧龍2，王鵬3

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 2. 四川省第三測(cè)繪工程院，

四川 成都 610500； 3. 武漢吉嘉偉業(yè)科技發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430079)

A3DSimulationMethodofFlowingRiverWater

YUWei，WANGWei，PUHuilong，WANGPeng

摘要：為滿足水文觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析與應(yīng)用需求，提出了一種不規(guī)則河道內(nèi)流動(dòng)水體仿真的方法。該方法重點(diǎn)研究了利用實(shí)測(cè)河道水位線數(shù)據(jù)并結(jié)合真實(shí)河道DEM地形數(shù)據(jù)進(jìn)行河流邊界線搜索及河面自動(dòng)建模,構(gòu)建多層水面疊加模型,利用流速驅(qū)動(dòng)紋理塊自適應(yīng)于河道移動(dòng)的動(dòng)態(tài)紋理混合與渲染技術(shù)。在三峽庫(kù)區(qū)水文仿真系統(tǒng)的實(shí)踐中表明，該方法能夠有效地模擬符合自然河道地形的動(dòng)態(tài)流動(dòng)水體，形象逼真地表現(xiàn)河面各處流速的差異化現(xiàn)象。

引文格式： 余偉，王偉，蒲慧龍,等. 河道流動(dòng)水體三維仿真方法研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(9)：39-43.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0274

關(guān)鍵詞：河流邊界；水面自動(dòng)建模；流動(dòng)水體仿真；塊狀紋理；著色器

中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)09-0039-05

收稿日期：2014-09-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃(2013AA01A608)；國(guó)家科技專項(xiàng)水專項(xiàng)(2013ZX07503001-06)；國(guó)家火炬計(jì)劃(2012GH722002)

作者簡(jiǎn)介：余偉(1989—)，男，碩士生，研究方向?yàn)槿S地理信息系統(tǒng)。E-mail:916702326@qq.com

一、引言

水體仿真對(duì)于流域治理、洪澇災(zāi)害預(yù)警分析等有著重要意義。近年來(lái)諸多利用GPU加速的河流水體仿真方法被提出[1-7]，這些方法不僅效率高而且具有逼真的模擬效果。其中流動(dòng)水體的動(dòng)態(tài)仿真成為一個(gè)熱難點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用需求中流動(dòng)水體仿真的逼真度不僅要求視覺(jué)上看起來(lái)十分真實(shí)，同時(shí)還要求模擬的水體能真實(shí)反映出水體的物理特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律[8]。楊在興[9]等利用基于流暢的方法結(jié)合動(dòng)態(tài)紋理映射技術(shù)真實(shí)地模擬出了河面流速等動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，但對(duì)于河流邊界的搜索及水面自動(dòng)建模未作討論。冶運(yùn)濤[10]等采用動(dòng)態(tài)紋理映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)水體的動(dòng)態(tài)模擬，但未對(duì)河道斷面線的自動(dòng)處理、自動(dòng)加密等進(jìn)行探討，并且其紋理的偏移速率不能真實(shí)反映河水的流速。針對(duì)目前流動(dòng)水體仿真中自動(dòng)建模及動(dòng)態(tài)渲染過(guò)程中存在的這些問(wèn)題，筆者重點(diǎn)探討了利用實(shí)測(cè)河道斷面水位數(shù)據(jù)自動(dòng)加密斷面線并自動(dòng)搜索河流邊界線以及構(gòu)建符合自然河道地形的水面模型，利用實(shí)際流速驅(qū)動(dòng)塊狀紋理自適應(yīng)于河道移動(dòng)來(lái)表達(dá)河面各處流速等問(wèn)題。最后筆者以長(zhǎng)江干流三峽庫(kù)區(qū)上游至重慶段為例，在GaeaExplorer2.0平臺(tái)上使用HLSL著色語(yǔ)言及DirectX9.0建立了流動(dòng)水體三維仿真系統(tǒng)。

二、河流邊界提取與流動(dòng)水體渲染方法

考慮到初始斷面線過(guò)于稀疏及河道轉(zhuǎn)彎角等特征，為了逼真模擬出河面各處流速的差異化現(xiàn)象，本文對(duì)斷面線的加密、邊界提取及流動(dòng)水體的動(dòng)態(tài)渲染采用如圖1所示的流程進(jìn)行。

圖1　流動(dòng)水體仿真流程

1. 河流邊界提取

如圖2所示，(a)為初始斷面水位線分布圖，(b)為經(jīng)過(guò)邊界搜索算法處理后的斷面水位線分布圖，其中的虛線為加密插值的斷面線。

(1) 邊界點(diǎn)搜索算法

由于河面水位隨時(shí)間變化，初始斷面水位線兩端點(diǎn)并不一定恰好處在實(shí)際水位河面邊界線上，實(shí)測(cè)斷面水位線與實(shí)際水位之間的分布關(guān)系如圖3所示。

以左岸端點(diǎn)aL情形為例，數(shù)據(jù)處理的最終目標(biāo)是要將aL點(diǎn)轉(zhuǎn)換至與bL點(diǎn)重合或靠近的ab處。由于aL點(diǎn)高程ha比實(shí)際水位高程h高，其邊界點(diǎn)搜索流程如下：

圖2　河流邊界線提取

圖3　斷面水位線

2) 在采樣離散點(diǎn)的同時(shí)計(jì)算各點(diǎn)an+1(n≥0，a0即為aL點(diǎn))的高程hn+1與水位高程h之差hΔ(hn+1-h)。

3) 若hΔ的絕對(duì)值小于或等于預(yù)先設(shè)定閾值ht，則認(rèn)為采樣點(diǎn)an+1位于河流邊界線上，算法結(jié)束；若hΔ為負(fù)且絕對(duì)值大于ht，即點(diǎn)an+1位于遠(yuǎn)離邊界線的水面以下，算法繼續(xù)執(zhí)行進(jìn)入第4)步。

4) 采用二分法在an與an+1之間進(jìn)行反復(fù)迭代插值，直至獲取某點(diǎn)ab的高程與水位高程之差絕對(duì)值小于ht，即得到水面邊界點(diǎn)ab。

采用該算法對(duì)所有斷面水位線進(jìn)行處理，完成邊界點(diǎn)的提取。

(2) 斷面水位線加密

整條河流按水位線分成若干小段，分別對(duì)各小段河流依次進(jìn)行加密插值。為了達(dá)到如圖2(b)所示的插值效果(斷面線的分布在河流彎道的外側(cè)比內(nèi)側(cè)稀疏，這樣才能更好地表達(dá)水面各處流速情況)，以第k(上游)和k+1(下游)斷面之間河段為例，插值加密由第k個(gè)斷面開(kāi)始沿著河道向第k+1個(gè)斷面逐漸靠近依次進(jìn)行，邊界線搜索具體步驟如下：

(1)

式中，向量均為同一坐標(biāo)系下的單位向量；Qk表示第k個(gè)初始斷面的起點(diǎn)距(以河流上游或是下游某斷面中心點(diǎn)為參照沿河流中心線計(jì)算的各斷面距參照點(diǎn)的路程);d1為斷面插值采用的步長(zhǎng)，具體值視仿真需求決定(如取10m)。

3) 對(duì)ki斷面水位線，依次進(jìn)行下列過(guò)程：

e. 依據(jù)斷面k和k+1的水位高程值，利用線性插值計(jì)算得到斷面線ki的水位高程值。

由于河流的自然走勢(shì)，自上游至下游會(huì)出現(xiàn)高程起伏變化，沿著河道不同處的斷面水位線處于不同的水平面，另外各個(gè)河流分段內(nèi)水位的變化很小，可以看成是由上游至下游呈線性降低，因此算法中采用線性插值得到加密斷面線的水位高程。

2. 流動(dòng)水體仿真

(1) 水面建模

本文在水面模型的建立上改為在傳統(tǒng)的單層格網(wǎng)模型之上再疊加兩層橫縱向的帶狀三角鎖網(wǎng)，如圖4所示。

首先利用前文方法處理得到的河流邊界及插值加密斷面水位線數(shù)據(jù)，在每一條斷面水位線上加密采樣一系列點(diǎn)，建立第1層基本河面三角網(wǎng)，如圖4(a)所示。

圖4　3層河面網(wǎng)格模型

(2) 紋理映射技術(shù)

① 紋理坐標(biāo)求解

在計(jì)算第1層基本河面網(wǎng)格的紋理坐標(biāo)時(shí)，按照橫向紋理貼圖的重復(fù)次數(shù)線性計(jì)算出各個(gè)模型頂點(diǎn)的紋理U坐標(biāo)，即河流斷面線上各個(gè)頂點(diǎn)的U坐標(biāo)間距相等，在河面寬處紋理會(huì)被拉伸，河面狹窄時(shí)紋理會(huì)被壓縮。而V方向即沿著河流流動(dòng)方向的紋理坐標(biāo)計(jì)算，首先設(shè)整段河流紋理縱向貼圖重復(fù)次數(shù)為Tv,第一個(gè)斷面起點(diǎn)距為0，最后一個(gè)斷面起點(diǎn)距為Qend(單位為m)，則各個(gè)頂點(diǎn)的V方向紋理坐標(biāo)計(jì)算如下

(2)

式中,Qj為第j個(gè)斷面的起點(diǎn)距。在計(jì)算第2層和第3層網(wǎng)格頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)時(shí)，只需根據(jù)相應(yīng)r和t(含義如上文)的取值，以第1層網(wǎng)格紋理坐標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行插值計(jì)算即可，如第1層中A點(diǎn)紋理U坐標(biāo)為uA，B、D紋理V坐標(biāo)為vB和vD，則第2層中的p1點(diǎn)和第3層中的q2點(diǎn)的紋理坐標(biāo)up、vq則分別如下

(3)

(4)

式中,T為橫向(沿河流斷面線方向)紋理重復(fù)貼圖次數(shù);N為斷面線上頂點(diǎn)數(shù)，每個(gè)斷面線上頂點(diǎn)數(shù)均為N;LAp1、LAE、LBq2、LBD分別為線段Ap1、AE、Bq2、BD的長(zhǎng)度，單位為m。

② 動(dòng)態(tài)紋理映射

(5)

式中， f為渲染的實(shí)時(shí)幀率。但該值為不可預(yù)知的隨機(jī)值，實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法利用其計(jì)算紋理偏移值，在本文的渲染中計(jì)算vm時(shí)f不參與計(jì)算，即整體紋理偏移速度統(tǒng)一放大f倍，但這不會(huì)影響最終渲染視覺(jué)效果，如果需要獲取實(shí)時(shí)水流速度，只需利用測(cè)量值除以實(shí)時(shí)幀率即可。其他參數(shù)與前文含義相同。由于各個(gè)紋理塊的vm不等，因此能表現(xiàn)河面各處流速不同。

③ 紋理融合

隨著時(shí)間推移，由于第1層河面網(wǎng)中各個(gè)獨(dú)立四邊形塊之間紋理偏移不同步(由于vm不等)導(dǎo)致紋理被拉扯錯(cuò)位，每一四邊形塊各自流動(dòng)猶如水面被切開(kāi)一樣，使得河面看起來(lái)如馬賽克一般支離破碎。為了克服這一缺陷，讓各個(gè)四邊形紋理塊之間自然平滑過(guò)渡，相互交融成為一個(gè)自然的整體河流，依據(jù)之前計(jì)算的頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)，在第2層和第3層融合帶模型上粘貼紋理。然后設(shè)定融合帶各紋理塊偏移的速率。如圖4中，第2層的縱向紋理在進(jìn)行紋理渲染時(shí)，設(shè)定紋理塊FAp1p2的偏移與FGBA的紋理偏移同步，第3層的橫向紋理塊如圖4中設(shè)定ABq2q1與ABCD的紋理偏移同步，即橫、縱向融合紋理帶中各個(gè)紋理塊的偏移與其臨邊的第一層紋理塊偏移同步。最后針對(duì)融合帶每一紋理塊進(jìn)行透明漸變的設(shè)定，如紋理塊FAp1p2中，設(shè)定A、F點(diǎn)透明度值(Alpha值)為1(即不透明)，而p1、p2點(diǎn)設(shè)為0，由此在紋理渲染過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了從AF線到p1p2線的逐漸透明的效果，從而使得紋理塊FGBA自然地與EIFA模糊融合為一張更大的紋理塊。同樣設(shè)置A、B點(diǎn)透明度值為1，設(shè)定q1、q2點(diǎn)為0，實(shí)現(xiàn)ABCD與FGBA的自然融合。整個(gè)河面網(wǎng)中都對(duì)相應(yīng)頂點(diǎn)進(jìn)行透明值的設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)了整條河流的紋理塊融合，效果如圖5所示。

④ 紋理渲染

圖5　流動(dòng)水體仿真效果

考慮到水文工作更多的實(shí)用性需求及系統(tǒng)效率，本文使用水面波紋法線貼圖(如圖6(b)所示)利用法線映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的水面波動(dòng)及光學(xué)效果，采用HLSL語(yǔ)言編寫著色器結(jié)合最終完成紋理的渲染。河流水體的顏色由下式?jīng)Q定

Cwater=α×Cpicture+β×Cambient+γ×Cdiffuse+

λ×Cspecular+θ×Creflect

(6)

式中，Cwater為水面顏色；Cpicture為河面圖像顏色；Cambient為環(huán)境光顏色；Cdiffuse為漫反射顏色；Cspecular為鏡面高光顏色;Creflect為反射顏色。各項(xiàng)值的具體計(jì)算目前已有成熟公式，此處不再贅述。對(duì)于系數(shù)α、β、γ、λ、θ滿足和值為1，且取值都分別位于[0,1]之間，具體取值視仿真效果而定。

圖6　本文所使用的紋理

三、試驗(yàn)與分析

1. 數(shù)　據(jù)

根據(jù)本文提出的方法，筆者在Windows7系統(tǒng)上以GaeaExplorer2.0為平臺(tái)結(jié)合VisualStudio2008及DirectX9.0環(huán)境，采用C#和HLSL語(yǔ)言，在長(zhǎng)江流域三峽大壩上游段的區(qū)域內(nèi)構(gòu)建了流域動(dòng)態(tài)水體仿真系統(tǒng)作為試驗(yàn)環(huán)境，在該仿真系統(tǒng)中可以自由漫游瀏覽水體流動(dòng)效果。試驗(yàn)中DEM數(shù)據(jù)為30m精度的SRTM地形數(shù)據(jù)和5m精度的河道地形數(shù)據(jù)，同時(shí)影像數(shù)據(jù)為30m精度的Landsat影像數(shù)據(jù)。試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)整個(gè)河流長(zhǎng)度為605km，初始斷面水位線共308條，所有水文觀測(cè)數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。試驗(yàn)硬件環(huán)境為：Intel(R)Core(TM)2DuoCPU,2.0GB內(nèi)存，2.66GHz,ATIRadeonHD3450顯卡，顯存256MB。

2. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5(a)中紅色曲線為利用本文算法搜索出來(lái)的河流邊界線，可見(jiàn)河流邊界線與自然河道地形能較好地貼合。圖5(b)、(c)為未進(jìn)行動(dòng)態(tài)紋理渲染前靜止河流水面的模擬效果，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的波紋、反射、高光等水面現(xiàn)象，圖5(d)、(e)、(f)是粘貼了河面圖像紋理，采用本文提出的動(dòng)態(tài)紋理渲染技術(shù)表達(dá)的流動(dòng)河流水面效果，在系統(tǒng)中能動(dòng)態(tài)觀察到水面各處的流速不同的自然現(xiàn)象。

不同河流長(zhǎng)度建模與渲染效率見(jiàn)表1。

表1　建模與渲染效率

表1中視點(diǎn)高度值表示在仿真窗口中(視域內(nèi))能夠看到整段河流時(shí)相機(jī)離地面的最低高度。本文采取對(duì)所選河段進(jìn)行一次性統(tǒng)一建模。河流長(zhǎng)度為605km時(shí)，渲染幀率達(dá)到16幀，建網(wǎng)耗時(shí)4851ms，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)仿真系統(tǒng)的連貫流暢運(yùn)行，仿真效率較好。但此時(shí)在313.3km高度看到的河流近乎為一條細(xì)線，無(wú)法觀察河面細(xì)節(jié)情況，而當(dāng)相機(jī)靠近河面觀察時(shí)又只有整條河流的一小段進(jìn)入視域內(nèi)，因?yàn)楸疚脑囼?yàn)中采取對(duì)整條河流一次性統(tǒng)一建模，其余部分雖然不在視域內(nèi)但同時(shí)也在進(jìn)行渲染，這就在無(wú)形之中大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行效率。為了進(jìn)一步提高效率，可以考慮隨時(shí)只對(duì)視域內(nèi)的河流段進(jìn)行仿真，從而保證效率，滿足實(shí)際工作需求。在本試驗(yàn)系統(tǒng)中相機(jī)高度在低于7652m時(shí)才能清楚觀察河面水流流動(dòng)情況，此高度下出現(xiàn)在視域內(nèi)河流長(zhǎng)度在12km左右。可以將河流分為12km左右的小段，在仿真時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)進(jìn)入視域內(nèi)的河流段利用本文仿真方法進(jìn)行建模與渲染。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文提出的方法不僅能利用斷面水位線結(jié)合DEM進(jìn)行河流邊界自動(dòng)搜索及河面自動(dòng)建模，也具有較好的仿真效果，能夠真實(shí)表達(dá)出整個(gè)河面各處流速情況，尤其是水面多層模型的建立對(duì)于表達(dá)流動(dòng)水體自然特性的模擬具有較好的借鑒意義。因?yàn)閿嗝婢€及DEM在水文工作中屬于基本數(shù)據(jù)，容易獲得，所以本文方法具有較好的普遍適用性。但是在支流處，本文的邊界搜索算法無(wú)法智能實(shí)現(xiàn)斷面處理，需要人工干預(yù)河流斷面線的加密，針對(duì)這種情況還需作進(jìn)一步研究。

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