基于三維建模的淡水河實時洪水三維模擬系統(tǒng)

鐘 華

(廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516003)

近些年來，為更好的為新形勢下流域暴雨洪水的防災減災提供技術支撐，實現(xiàn)流域洪水風險快速分析與評估，國內學者開展了許多研究成果[2-11]，通過搭建三維仿真模型，依托于水力學模型實現(xiàn)流域不同洪水量級的洪水淹沒范圍和災情損失統(tǒng)計的評估，建立了重點區(qū)域洪水風險圖的編制，但這些成果往往僅選取典型水文條件和潰口進行方案計算，而實際面臨的洪水過程和堤防潰口位置可能與典型工況差別較大，導致已有的靜態(tài)圖件成果與實際洪水風險分布差別較大，在一定程度上限制了已有成果的實際應用價值[12-15]。為實現(xiàn)淡水河主城區(qū)洪水風險快速分析與評估，以淡水河兩岸的惠州市惠陽區(qū)主城區(qū)為示范區(qū)域，建立基于高速計算的惠陽區(qū)洪災實時分析及動態(tài)展示系統(tǒng)，系統(tǒng)可根據(jù)當前的水情、雨情、工情設置接近實際情況的洪水分析方案，并借助高性能計算手段，實現(xiàn)洪水淹沒和洪災評估的快速計算分析，為相關部門提供更為接近實際情況的動態(tài)洪水信息，具有較強的實踐指導意義。

1 系統(tǒng)總體架構

數(shù)據(jù)資源、基礎設施、應用支撐、用戶以及業(yè)務應用為淡水河實時洪水三維模擬系統(tǒng)邏輯總體架構的組成，系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)分層邏輯架構圖

1.1 基礎設施層

基礎設施層主要包括硬件和軟件支撐環(huán)境。硬件基礎環(huán)境為計算、存儲環(huán)境包括系統(tǒng)網絡安全環(huán)境建設。軟件環(huán)境主要包括數(shù)據(jù)庫存儲和管理以及計算操作系統(tǒng)環(huán)境的建設。

1.2 數(shù)據(jù)資源層

主要對系統(tǒng)運行、計算、存儲的不同信息進行統(tǒng)一匯集和數(shù)據(jù)庫的管理。涵蓋雨水情實時接收與匯集數(shù)據(jù)庫、空間地理專題業(yè)務類數(shù)據(jù)庫的建設與管理。

1.3 應用支撐層

主要是模型運行計算的業(yè)務功能的軟件支撐環(huán)境的建設。包括洪水演進以及地理信息數(shù)據(jù)運行和系統(tǒng)統(tǒng)一服務認證等基礎環(huán)境的建設。

1.4 業(yè)務應用層

應用層主要包含項目系統(tǒng)的所有子功能模塊三維GIS漫游、三維洪水演進模擬、災損評估。

1.5 用戶層

用戶層主要面向各業(yè)務科室人員，為其提供洪水演進及災損分析業(yè)務服務。

2 系統(tǒng)技術路線

基于一二維水動力模型及三維GIS模塊對系統(tǒng)的高性能要求，分別采用B/S和C/S架構架構進行系統(tǒng)建設?；贔ortran，C++，C#多種語言進行系統(tǒng)開發(fā)，采用WPF新型界面框架技術進行友好高效便捷的交互界面設計與實現(xiàn)。系統(tǒng)以“一個數(shù)據(jù)平臺，三個核心模塊”為基礎，擬開發(fā)的子功能模塊主要包括：基礎信息管理、區(qū)域洪水預報、洪水演進模擬、系統(tǒng)管理。系統(tǒng)研發(fā)技術路線如圖2所示。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

3.1 數(shù)據(jù)庫范圍

淡水河洪水演進系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫從類型上主要分為關系數(shù)據(jù)庫與地理數(shù)據(jù)庫。關系數(shù)據(jù)庫建設范圍需滿足系統(tǒng)中信息管理、洪水演進、洪災評估主要業(yè)務模塊的關系數(shù)據(jù)需求。地理數(shù)據(jù)庫建設對流域基礎地理數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)進行整理入庫，以三維GIS構件為核心，為用戶提供地理信息直觀可視化數(shù)據(jù)支撐。

3.2 地理空間數(shù)據(jù)庫設計

空間信息數(shù)據(jù)庫的建設充分利用惠州市地理信息共享服務平臺，根據(jù)項目信息管理、洪水預報、洪水演進的實際需求、地理空間數(shù)據(jù)的關聯(lián)以及數(shù)據(jù)信息服務共享的方式進行設計，通過提供信息數(shù)據(jù)共享和管理的服務接口來對不同專題的地理空間信息數(shù)據(jù)進行共享和分布，并和業(yè)務類模擬數(shù)據(jù)進行同步疊加。地理空間專題數(shù)據(jù)庫為其建設的主要內容。針對流域洪水預報分析系統(tǒng)應用而言，其中的地理空間數(shù)據(jù)包括地形圖、影像圖等不同專題的空間地理類數(shù)據(jù)所組成。這部分數(shù)據(jù)可通過服務共享接口對不同區(qū)域的共享數(shù)據(jù)進行調用。另外還包括淡水河流域內水系圖、水文站點、水庫分布圖等水利專題地理數(shù)據(jù)。

3.3 基礎地理空間數(shù)據(jù)庫

在淡水河系統(tǒng)中使用到的基礎地理空間數(shù)據(jù)庫內容包括基礎地形圖、數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型、地名地址、電子地圖、三維模型等。

3.3.1基礎地形圖

重要地理基礎數(shù)據(jù)主要包括不同比例的地形圖和城市主要的核心矢量要素的空間分布以及其拓撲結構數(shù)據(jù)等內容。所有的地理空間數(shù)據(jù)信息進行拓撲和屬性信息的關聯(lián)分析。對所有長度、面積等核心地理空間信息數(shù)據(jù)可進行空間疊加分析。對自然地理、社會經濟等屬性數(shù)據(jù)在空間分布圖層分析的基礎上進行矢量圖層的疊加形成不同地理空間專題矢量圖層信息。

數(shù)字正射影像圖(DOM)提供了一種經過位置改正的地球影像，是一種消除了遙感影像上由于遙感器定向及地形高差引起像移或畸變之后得到的地球參考影像，它們和地圖具有相同的幾何特性。許多地理特征包括部分屬于基礎地理范疇的特征、都可以從這種影像上判讀出來，并加以編輯處理。這種影像還可以作為許多應用結果的參考背景使用。系統(tǒng)采用1∶2000正射影像圖以及一些衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)。

3.3.2數(shù)字高程模型

在不同地理要素空間分布離散點按照起伏形態(tài)對其高程進行數(shù)據(jù)表征為數(shù)字高程模型。對地貌形態(tài)、斷面斷面圖制作、工程中土石方計算、表面覆蓋面積統(tǒng)計、通視條件分析、洪水淹沒區(qū)分析等方面可用數(shù)字高程模型進行數(shù)據(jù)庫的關聯(lián)。

3.3.3三維模型數(shù)據(jù)

三維模型數(shù)據(jù)主要包括三維建筑模型、道路、橋梁等地物數(shù)據(jù)。項目基于無人機快速航拍測繪，實現(xiàn)流域內重點關注區(qū)域-淡水街道主城區(qū)的三維精細化建模，對建模成果入庫存儲。

4 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)登入后自動縮放到淡水河城區(qū)，同時顯示主要功能模塊：三維GIS漫游、水雨情管理、三維洪水演進模擬、洪災評估。系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)登入界面

4.1 三維GIS漫游

三維GIS漫游主要包含流域漫游、主城區(qū)漫游、堤防河道漫游功能。流域漫游為從淡水河上游自動飛行漫游至紫溪口。主城區(qū)漫游以無人機三維實景建模區(qū)域為中心，沿著四周進行自動飛行漫游。主城區(qū)河道堤防漫游界面如圖4所示，沿著河道自上游至下游進行自動飛行漫游。

圖4 主城區(qū)漫游界面

4.2 三維洪水模擬

填入方案名稱，計算時長，結果輸出步長，潰口選擇、方案描述等信息，通過選擇洪水演進模型的上下邊界，插入并編輯時序數(shù)據(jù)后可保存至方案庫。創(chuàng)建的洪水分析方案列表，方案的基本描述信息包含：創(chuàng)建時間、方案狀態(tài)、操作人員、成果路徑、風險信息、風險評級信息等。選擇未計算方案點擊開始進行洪水淹沒分析，系統(tǒng)根據(jù)選擇的方案，自動加載該方案的最大淹沒范圍專題圖，如圖5所示。

5 結語

(1)為保證計算區(qū)域三維建模的精度，航空攝影像控測量總需布設30個左右，平均每個平方公里至少要保證6-8個像控點。

(2)由于實時洪水三維模擬系統(tǒng)計算量較大，可采用運用GPU并行計算技術，實現(xiàn)洪水演進模型GPU并行計算，可顯著提高系統(tǒng)計算效率。

(3)河道斷面地形數(shù)據(jù)若沖淤變化較大，對系統(tǒng)實施洪水演進精度影響較大，在后續(xù)的研究中應對河道斷面地形數(shù)據(jù)進行加密觀測，尤其是沖淤變化較大的河段，應進行三維模型的調整，從而保證系統(tǒng)運行計算的可靠性。