基于After Effects的沿江平原河網(wǎng)水流數(shù)值模擬可視化探析

張宇亮,王業(yè)明,明 菽,黃文娟

（1.南通理工學(xué)院，江蘇 南通 226000；2.揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225000；3.南通市港閘區(qū)水利與農(nóng)業(yè)局，江蘇 南通 226003）

1 河網(wǎng)水流數(shù)值模擬可視化的目的

在河網(wǎng)數(shù)值模擬假定水流方向的過程中，傳統(tǒng)的處理方法主要以靜態(tài)CAD圖像的方式給予體現(xiàn)，但是這樣只能反映出水流的方向，無法直觀的反映水流的速度與流量的大小。為了讓水“活動”起來，利用After Effects軟件制作動態(tài)水流動畫，它借助形象化方式表達(dá)水流動態(tài)發(fā)展的規(guī)律，使抽象的，難于理解的水動力理論變得通俗易懂。使非專業(yè)人員也能了解河網(wǎng)水力特性，減少運行工作成本，提高工作效率。因此，對河網(wǎng)水流數(shù)值模擬可視化研究是十分必要的[1]。

2 河網(wǎng)水流數(shù)值模擬過程

2.1 研究區(qū)域范圍

本文選取位于長江中下游地區(qū)的南通市港閘區(qū)西片為研究對象，該片由南通市區(qū)三條一級河（通呂運河、通揚運河、九圩港）與長江形成四邊形區(qū)域，地勢較低，自東北向西南傾斜，地面高程為3.8～5.5 m（吳淞高程），屬沿江平原河網(wǎng)地區(qū)。該片水系為中低水系，區(qū)內(nèi)現(xiàn)有二級河（含二級河）以下河道79條，總長度101 km，整個片區(qū)水系為獨立水系，水位通過5座沿江涵閘及11座內(nèi)河涵閘自行調(diào)控，見圖1。主要骨干河道基本情況表（八五高程）見表1。

2.2 建立河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

對于非恒定流，描述一維水流運動的Saint-Venant方程組是建立在質(zhì)量守恒和能量守恒基礎(chǔ)之上的，以水位和流量為變量，其具體方程為[2]：

連續(xù)性方程：

運動學(xué)方程：

采用該方程組，建立南通港閘區(qū)西片河網(wǎng)非恒定流數(shù)學(xué)模型，運用Preissmann四點加權(quán)隱格式，對方程組進(jìn)行時間和空間離散，用追趕法求解離散后的差分方程組，采用雙松弛迭代法求解河網(wǎng)非恒定流[3]。

2.3 確立河網(wǎng)運行調(diào)度方案

利用計算結(jié)果確立以下運行調(diào)度方案，調(diào)度圖見圖2。

東港永興河線路：東起通揚運河，西至長江，全長約4.08 km，依次分布東港閘、東港套閘，永興河閘。引排水線路：利用永興河閘從通揚運河引水，開啟東港套閘，在長江低潮位時開啟東港閘排入長江。

圖1 南通市港閘區(qū)西片水系圖

表1 南通市港閘區(qū)西片主要骨干河道基本情況表

圖2 南通市港閘區(qū)西片河網(wǎng)水系調(diào)度圖

蘆涇河線路：東起通揚運河，西至長江，全長約5.14 km，依次分布蘆涇閘、四號橋閘，三牌樓閘，蘆涇河與港閘河通過蘆建二河及東風(fēng)河相連，蘆建二河入天生港河由建設(shè)閘控制，東風(fēng)河入天生港河由凌家灣閘控制。引排水線路：由三牌樓閘從通揚運河引水，開啟四號橋閘，經(jīng)蘆涇閘排入長江。

中心港河線路：東起通揚運河，西至長江，全長約5.18 km，從下游到上游依次分布中心港閘、勝利閘，水關(guān)廟閘。引排水線路：由水關(guān)廟閘從通揚運河引水，開啟勝利閘，經(jīng)中心港閘排入長江。

天生港河，東起通揚運河，西至長江，全長約6.3 km，上游依次為天生港閘、唐家閘，在與各支流交界處有蘆建二河套閘、龍?zhí)缎W(xué)河閘、二化閘、龍?zhí)端牧娱l、凌家灣閘、陶家壩套閘。引排水線路：從唐家閘引水，經(jīng)沿線河道，開啟天生港閘排入長江?？紤]沿線支流，可先關(guān)閉唐家閘，先排后引。

長江岸線的涵閘以排水為主，通揚運河邊的涵閘以引水為主，暴雨前，河流預(yù)排至合理水位，暴雨后，根據(jù)長江潮位和通揚運河水位排水[4]。

3 利用After Effects制作模擬水流動畫

3.1 軟件介紹

After Effects是美國Adobe公司發(fā)布的一款影視后期制作軟件，主要用于影視后期合成和特效設(shè)計，被廣泛應(yīng)用于電視臺、影視制作公司、多媒體制作公司和一些影視工作室，其工作流程[5]見圖3。

After Effects應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋電影、廣告、多媒體以及網(wǎng)頁等，時下最流行的一些電腦游戲，很多都使用它進(jìn)行合成制作。After Effects提供了一套完整的工具，能夠高效地制作電影、錄像、多媒體以及Web使用的運動圖片和視覺效果。

3.2 水流數(shù)值模擬動畫制作方案比較

方案一：每個箭頭都畫出完整的流動軌跡，當(dāng)一個箭頭流出一段距離后，第二個箭頭出現(xiàn)并緊接著第一個箭頭的軌跡跑，后面不斷循環(huán)。該方案優(yōu)點是：流暢性和流向兼具；缺點：箭頭太多容易亂。

方案二：制作一個短時間內(nèi)的水流動畫，比如5 s，在這時間內(nèi)能看清每條河的流向就行。優(yōu)點：時間間隔長，每條河流都能很快看清流向，能反映速度，箭頭減少很多，更容易看清。缺點：每5 s會重置一次，連貫性不好。

方案三：采用長箭頭模式，每條河都能清楚地看到流向，就像一個流程圖。

優(yōu)點：流暢性最好，能反映速度和大小。缺點：不能實時準(zhǔn)確反映流向。

最后經(jīng)過比較，選擇了方案三，下圖4是詳細(xì)制作過程。

3.3 水流動畫制作步驟

3.3.1 準(zhǔn)備階段

圖3 After Effects的工作流程

圖4 3種動畫方案比選圖

下載path arrow箭頭預(yù)設(shè)，并將預(yù)設(shè)拖拽到河網(wǎng)的圖片上，這時候會形成一個新的合成，之后所有的操作都是在合成上操作，箭頭的參數(shù)可以通過左邊效果控件調(diào)整，依次是長度、位置、顏色、粗細(xì)、箭頭的形狀，通過輸入數(shù)字或者左右拉動就可以改變。

3.3.2 繪制路徑

選擇鋼筆工具繪制路徑，路徑就是水流的方向，繪制非常簡便，在彎道處還可繪制平滑的曲線。

3.3.3 時間軸

路徑選擇蒙版1，箭頭就會按照畫的路徑方向前進(jìn)，在箭頭開始處和結(jié)束處按下原文本前的鬧鐘按鈕，再按下菱形按鈕，這是記錄關(guān)鍵幀，就是物體動起來的一個記錄標(biāo)志。每個軟件只要能做動畫的就能K關(guān)鍵幀。其實就是物體變化的記錄。例如一個物體的位置發(fā)生變化，怎么真正的讓這右側(cè)向右的小箭頭將其展開，找到“Opacity（透明度）”一項，修改數(shù)值就可以調(diào)整圖層的透明度；第2種方法：選中圖層，直接按鍵盤上的T鍵，也可以調(diào)出“Opacity（透明度）”選項。透明度也要設(shè)置關(guān)鍵幀，關(guān)鍵幀的時間和狀態(tài)都要設(shè)置好

3.3.6 渲染與導(dǎo)出

單擊“渲染隊列”面板右上角的“渲染”按鈕。將合成渲染到影片可能需要幾秒鐘或數(shù)小時，具體取決于合成的幀大小、品質(zhì)、復(fù)雜性以及壓縮方法。在渲染項的渲染完成時，它仍然位于“渲染隊列”面板中，狀態(tài)更改為“完成”，直到從“渲染隊列”面板中將其移除。After Effects 提供各種輸出格式和壓縮選項。選擇合適的將其導(dǎo)出即可。南通市港閘區(qū)西片河網(wǎng)水系調(diào)度動畫截圖見圖5。個物體變化動呢，就是通過K關(guān)鍵幀。他原來的位置K一下，落點的位置K一下。

圖5 南通市港閘區(qū)西片河網(wǎng)水系調(diào)度動畫截圖

3.3.4 循環(huán)

在菜單欄動畫中選擇添加表達(dá)式，然后輸入loop_out（"cycle"，0），0 表示所有關(guān)鍵幀，1表示最后2個，2表示最后3個，以此類推。也可以不寫，默認(rèn)是0。

3.3.5 透明度

AE透明度設(shè)置方法有2種：第1種方法：選中圖層，點擊圖層名稱左側(cè)向右的小箭頭將其展開，這時會出現(xiàn)“Transform（變換）”選項，點擊其