基于河道堤防工程管理中三維仿真技術(shù)和GIS技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用研究

劉 碩

(盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

帶有隨機(jī)因素的復(fù)雜龐大的堤防工程管理系統(tǒng)一般難以用數(shù)學(xué)解析模型描述，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的研究分析現(xiàn)三維仿真技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)為解決此類問(wèn)題提供了一種直觀、有效的方法[1]。在遼寧省防洪保障體系中分蓄洪區(qū)、堤防工程發(fā)揮著不可替代的作用，河道的管理及工程維護(hù)、搶險(xiǎn)救災(zāi)物資分布、防汛搶險(xiǎn)組織以及河段防洪規(guī)劃等均以堤防工程為根本依據(jù)。河道堤防工程管理信息系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)覆蓋遼寧省分蓄洪區(qū)及堤防工程，并為堤防工程的建設(shè)管理、防汛決策等提供科學(xué)、全面的信息服務(wù)和技術(shù)支持。結(jié)合堤防管理實(shí)際需求和管理對(duì)象的空間分布特征，將三維仿真與GIS技術(shù)相融合建立信息系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)管理目標(biāo)提供科學(xué)的方法，為保證防洪工程的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益以及科學(xué)化管理水平的提升奠定基礎(chǔ)[2-3]。

1 三維仿真技術(shù)原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用系統(tǒng)層、系統(tǒng)支撐和信息采集為構(gòu)成信息系統(tǒng)的主要部分，其中系統(tǒng)應(yīng)用層的各功能子系統(tǒng)主要有工險(xiǎn)情會(huì)商支持、三維仿真、工險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)、堤防工程檔案管理、涵閘調(diào)度視頻監(jiān)控和工程運(yùn)行管理；系統(tǒng)支撐層是可視化表達(dá)、開放的應(yīng)用集成及資源共享的公共服務(wù)平臺(tái)，主要有GIS系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)平臺(tái)層和操作系統(tǒng)等組成，在支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)發(fā)揮著關(guān)鍵作用；系統(tǒng)采集層主要包括工程日常運(yùn)行管理、災(zāi)情、工險(xiǎn)情的數(shù)據(jù)處理及采集，通過(guò)有機(jī)集成分蓄洪區(qū)和各類堤防信息采集系統(tǒng)為應(yīng)用支撐層提供數(shù)據(jù)來(lái)源，在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用。

三維瀏覽部分和二維GIS部分為三維仿真子系統(tǒng)的主要構(gòu)成，將業(yè)務(wù)和空間數(shù)據(jù)依據(jù)堤防工程管理實(shí)際需要集中管理、存儲(chǔ)，并且具有分布式計(jì)算屬性，而業(yè)務(wù)屬性或空間數(shù)據(jù)的編輯、查詢、瀏覽可通過(guò)登錄遠(yuǎn)程客戶端來(lái)訪問(wèn)，能夠滿足不同權(quán)限的用戶需求。二維GIS的應(yīng)用主要通過(guò)工險(xiǎn)情會(huì)商子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，利用IMS平臺(tái)發(fā)布服務(wù)達(dá)到應(yīng)用目的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 三維仿真技術(shù)原理

集系統(tǒng)仿真和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)于一體的三維仿真技術(shù)，涉及系統(tǒng)、控制、信息、通訊、多媒體、計(jì)算機(jī)及相似原理等現(xiàn)代高科技技術(shù)。它是以基于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)和各種物理效應(yīng)設(shè)備，為用戶創(chuàng)造一種能夠真實(shí)感受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的平臺(tái)，由此實(shí)現(xiàn)環(huán)境與用戶的自然交互。該技術(shù)在大中型高精密儀器，如輪船、飛機(jī)、核電站、宇宙飛船等操作者的仿真訓(xùn)練中均得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)為水電施工的分析、演示、模擬、設(shè)計(jì)和規(guī)劃等提供一種有效的方法。

圖1 三維仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)組織

2.1 數(shù)據(jù)分類

水雨情、基礎(chǔ)工情、元、堤防業(yè)務(wù)、空間地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)為系統(tǒng)主要內(nèi)容，具體如下：

1)專題地理信息和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為空間地理數(shù)據(jù)的兩大類型，其中基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要包括全省5萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)、25萬(wàn)矢量數(shù)據(jù)、25.0m分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)；堤防沿岸1萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)、沿線1萬(wàn)矢量數(shù)據(jù)、分蓄洪區(qū)5萬(wàn)矢量數(shù)據(jù)、0.5m分辨率高清晰航拍片數(shù)據(jù)。專題地理信息數(shù)據(jù)主要有跨河工程、河流、水庫(kù)、湖泊、控制站、水位站等水利工程數(shù)據(jù)；蓄滯洪區(qū)、安全區(qū)、主要橋梁、轉(zhuǎn)移道路、安全太、口門、躲水樓等附屬設(shè)施及分蓄洪區(qū)數(shù)據(jù)；采砂區(qū)、圩垸、防浪林、穿堤建筑物、管理單位、水閘、碼頭、防汛倉(cāng)庫(kù)、視頻監(jiān)控點(diǎn)、險(xiǎn)點(diǎn)險(xiǎn)段、樁號(hào)、堤防等堤防工程數(shù)據(jù)，等等。

2)基礎(chǔ)工情數(shù)據(jù)主要包括多媒體、文檔、表格型等與基礎(chǔ)空間信息相關(guān)的數(shù)據(jù)，而對(duì)于描述地理定位部分的屬性數(shù)據(jù)并不產(chǎn)生直接的影響作用。

3)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)為防護(hù)區(qū)內(nèi)公眾設(shè)施與大型工業(yè)企業(yè)分布情況、社會(huì)總產(chǎn)值、耕地與土地面積、各行政區(qū)人口等數(shù)據(jù)。

4)堤防業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有分蓄洪區(qū)與堤防工程建設(shè)管理數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)視和險(xiǎn)情數(shù)據(jù)等。

5)場(chǎng)次洪水和實(shí)時(shí)水雨情歷史數(shù)據(jù)為水雨情數(shù)據(jù)主要內(nèi)容。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

通過(guò)概括和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)庫(kù)劃分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)工情和空間地理等信息，以及既相互關(guān)聯(lián)又相互獨(dú)立的水文、元、三維模型、堤防業(yè)務(wù)等子數(shù)據(jù)庫(kù)。

空間地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)是組成系統(tǒng)底圖和定位空間位置的核心，而基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和專題地理信息為構(gòu)成該系統(tǒng)的基本內(nèi)容，主要用于存儲(chǔ)各種精度的基礎(chǔ)地理信息、堤防工程、水庫(kù)大壩、河流等數(shù)據(jù)的。

依據(jù)實(shí)際需要和相關(guān)的地理數(shù)據(jù)，生成的水文數(shù)據(jù)庫(kù)、堤防業(yè)務(wù)、基礎(chǔ)工情信息等數(shù)據(jù)，其比例尺、坐標(biāo)系統(tǒng)英語(yǔ)基礎(chǔ)底圖保持對(duì)應(yīng)關(guān)系。所有水利工程的三維模型存儲(chǔ)于三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)對(duì)這些模型的調(diào)用可實(shí)時(shí)展現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的場(chǎng)景。

針對(duì)以上數(shù)據(jù)子庫(kù)的描述、輔助數(shù)據(jù)的分發(fā)和管理主要是通過(guò)元數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯關(guān)系圖

3 平臺(tái)選型與功能設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)的選型

選用Oracle 10g軟件作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求和綜合比選結(jié)果，由于系統(tǒng)中飛行線路彎曲、地物種類較多、地形復(fù)雜且地形地理數(shù)據(jù)量龐大，還要較好的共享和融合二、三維系統(tǒng)數(shù)據(jù)。從性價(jià)比的角度分析，該系統(tǒng)實(shí)施的二、三維平臺(tái)選用AacGIS軟件，二維、三維數(shù)據(jù)的管理及配置分別選用ArcMap和ArcGlobe軟件，二維、三維功能運(yùn)行環(huán)境為三維擴(kuò)散模塊以及ArcEngine、ArcIMS模塊。

目前，針對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)為面向?qū)ο蟮姆椒?，UML是一種表達(dá)方便、功能極其強(qiáng)大、具有較好適用性以及良好建模語(yǔ)言的軟件，其主要功能可實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο笠约伴_發(fā)全過(guò)程的設(shè)計(jì)分析。面向?qū)ο鬄橄到y(tǒng)運(yùn)行的基本方法，UML建模工具采用Rational Rose軟件。

3.2 功能設(shè)計(jì)

仿真子系統(tǒng)主要包括如下6方面功能，即：

1)場(chǎng)景控制，實(shí)現(xiàn)繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)、模式切換、鷹眼圖、漫游、縮小、放大、圖層控制等通用GIS的基本功能。

2)提供數(shù)據(jù)坐標(biāo)、精準(zhǔn)的查找位置、地名以及工程要素等，對(duì)工程相關(guān)信息進(jìn)行預(yù)覽和搜索。

3)信息查詢。對(duì)各類工程按照行政區(qū)劃以目錄的方式羅列，也可將工程按照代碼、工程名稱或樁號(hào)等信息檢索，瀏覽搜索結(jié)構(gòu)的詳細(xì)工情信息以及二、三維場(chǎng)景的空間定位，達(dá)到雙向查詢屬性和圖形的目標(biāo)。

4)路線飛行，飛行模式主要有自繪、選擇和預(yù)定義3種。預(yù)定義路線是在3D文件正配置預(yù)先創(chuàng)建好的路線，根據(jù)工程實(shí)際狀況隨時(shí)調(diào)整飛行的告訴、速度和角度等，且具有解說(shuō)飛行過(guò)程和播放多媒體文件的功能；自繪和選擇路線是指在三維場(chǎng)景中用戶繪制1條飛行路線會(huì)選擇1個(gè)線狀要素飛行。

5)書簽管理，通過(guò)快速定位二維、三維視圖的書簽，為用戶視點(diǎn)跳轉(zhuǎn)提供方便。當(dāng)前視圖的視點(diǎn)即為書簽，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)書簽的修改、刪除、被創(chuàng)建等操作處理。

6)決策和輔助分析，主要設(shè)計(jì)視頻實(shí)施瀏覽、距離量算、水位模擬變化、水文預(yù)警、面積量算、三維場(chǎng)景的斷面分析以及二維的緩沖區(qū)分析等。

GIS技術(shù)在工險(xiǎn)情會(huì)商等子系統(tǒng)中的主要功能為雙向查詢屬性和圖形，瀏覽業(yè)務(wù)信息、二維場(chǎng)景詳細(xì)工情、空間定位等。

4 三維實(shí)體建模及實(shí)現(xiàn)技術(shù)

4.1 實(shí)體建模

實(shí)現(xiàn)整個(gè)虛擬場(chǎng)景建立的重要基礎(chǔ)為三維仿真子系統(tǒng)中實(shí)體模型的構(gòu)建，模型的建立主要分為樁號(hào)、水文站、涵閘等其它實(shí)體和地形建模工作。系統(tǒng)運(yùn)行的速度、虛擬場(chǎng)景可視化效果與這些模型建立的合適與否直接相關(guān)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為三維仿真最基本的圖像顯示底層技術(shù)，涉及許多專業(yè)知識(shí)和基礎(chǔ)算法。為簡(jiǎn)化大中型圖像開發(fā)各種圖形接口應(yīng)運(yùn)而生，為不同硬件和軟件的開發(fā)創(chuàng)造了獨(dú)立統(tǒng)一的接口。根據(jù)水利工程基本特征，對(duì)所有點(diǎn)狀堤防管理工程利用3DMax、MultiGen Creator等工具建立模型，針對(duì)部分特殊模型還需要對(duì)真實(shí)紋理進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍攝。建立外部模型后，要設(shè)定專門的計(jì)算程度編輯處理模型的相關(guān)屬性，主要有模型大小、工程代碼、模型坐標(biāo)等內(nèi)容，在場(chǎng)景中人工處理所有模型，從而構(gòu)建水利工程三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)遼河流域整個(gè)堤防的河道場(chǎng)景通過(guò)仿真子系統(tǒng)管理和表征，可交互的動(dòng)態(tài)化數(shù)字平臺(tái)主要包括高精度數(shù)字高程模型10G、高清晰影響模型200G和數(shù)量巨大種類繁多的其他模型7000多個(gè)，能夠形象、直觀的描述堤防工程現(xiàn)狀。通過(guò)數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)預(yù)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景海量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)載入、大場(chǎng)景無(wú)縫拼接顯示以及科學(xué)有效管理。

在生成DEM過(guò)程中，受技術(shù)條件、建模環(huán)境和各種誤差等因素限制，在河道堤防三維建模分析時(shí)生成的DEM無(wú)法滿足精度要求，從而導(dǎo)致河道堤防場(chǎng)景模擬中存在鋸齒狀現(xiàn)象，部分河段堤防坑坑洼洼，對(duì)可視化效果造成極大的不利影響。所以，在不改變堤防整體地形的條件下，編制程序需要接邊處理不同格網(wǎng)間距的DEM和平滑處理呈鋸齒狀的DEM數(shù)據(jù)。另外，在場(chǎng)景文件配置過(guò)程中需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)置各個(gè)圖層參數(shù)，數(shù)據(jù)緩沖利用ArcGlobe軟件實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié) 論

以專題數(shù)據(jù)和水利工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)，以堤防工程為核心，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、地理信息等現(xiàn)代化技術(shù)，構(gòu)造堤防工程項(xiàng)目可視化、堤防動(dòng)態(tài)交互瀏覽和堤防虛擬現(xiàn)實(shí)的信息系統(tǒng)。在二維、三維窗口中可實(shí)現(xiàn)各類信息的靈活展現(xiàn)和查詢；通過(guò)計(jì)算分析、工程模擬、統(tǒng)計(jì)等實(shí)現(xiàn)堤防工程水位漲落演練，結(jié)合可視化輔助平臺(tái)為堤防工程的管理規(guī)劃、深入研究以及科學(xué)評(píng)價(jià)提供一定參考。在未來(lái)的建設(shè)、維護(hù)過(guò)程中，經(jīng)擴(kuò)展至全省堤防管理的各個(gè)方面。