防洪推演三維可視化關(guān)鍵技術(shù)研究

顏吳君

（南通賽維測(cè)繪有限公司，江蘇 南通 226100）

1 引言

防洪調(diào)度與推演[1]是一門依據(jù)洪水規(guī)律和災(zāi)情特點(diǎn)，研究并采取各種對(duì)策和措施，預(yù)防或減輕洪澇災(zāi)害損失的科學(xué)。它涉及水利工程、地理環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、氣象等多方面因素，信息量大，突發(fā)情況多，對(duì)信息的處理和響應(yīng)速度要求較高。當(dāng)前，人們?cè)诤樗蒲菽M、洪澇災(zāi)害評(píng)估、防洪決策支持等方面的研究取得了豐碩成果，研制開發(fā)了大量應(yīng)用系統(tǒng)。但是，大多研究成果和系統(tǒng)由于平臺(tái)的局限性，均難以在三維空間上實(shí)現(xiàn)異構(gòu)、多源、多維數(shù)據(jù)的無縫融合與共享，對(duì)各類水利模型計(jì)算成果的表達(dá)難以達(dá)到直觀、立體、形象的動(dòng)態(tài)效果，因此，無法給管理者和決策者提供綜合、直接的判斷依據(jù)[2]。

傳統(tǒng)的二維地理信息系統(tǒng)（2DGIS）[3]已深入應(yīng)用于防洪調(diào)度的各類業(yè)務(wù)，如洪水演進(jìn)模擬、防洪調(diào)度信息管理等。然而，二維GIS 存在難以克服的缺陷，其可視化效果僅局限于平面效果，不能形象和直觀展現(xiàn)防洪調(diào)度現(xiàn)場(chǎng)的情況，也無法充分利用三維空間的3D信息對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行快速分析和計(jì)算[4]。更重要的是，在三維空間上，利用1D/2D 的計(jì)算成果+ 3D 的技術(shù)進(jìn)行快速計(jì)算，避免直接采用3D 進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算時(shí)因時(shí)間、水流邊界和初始條件等復(fù)雜性造成的耗時(shí)長、計(jì)算精度無法保證等問題[5]。

針對(duì)上述問題，本次研究從防洪調(diào)度管理實(shí)際出發(fā)，以三維可視化技術(shù)為要點(diǎn)，以長江防洪調(diào)度及可視化為應(yīng)用點(diǎn)，綜合運(yùn)用三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)（3DGIS）、三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、組件技術(shù)等先進(jìn)信息技術(shù)，建設(shè)以三峽為核心的水庫群投運(yùn)后防洪形勢(shì)展示系統(tǒng)，在三維交互式的環(huán)境中直觀展現(xiàn)長江流域地形地貌、水系等基礎(chǔ)地理信息與重點(diǎn)水利工程、水雨情等水利專題信息，并通過開發(fā)的多個(gè)互動(dòng)演示功能模塊來展現(xiàn)長江防洪體系的歷史、現(xiàn)狀與未來發(fā)展，對(duì)每場(chǎng)次洪水進(jìn)行基于3D信息上的淹沒災(zāi)害統(tǒng)計(jì)，切實(shí)增強(qiáng)長江流域洪水應(yīng)急反應(yīng)能力，提高風(fēng)險(xiǎn)管理水平。

系統(tǒng)能真實(shí)表現(xiàn)防洪調(diào)度與推演三維景觀，同時(shí)為防洪調(diào)度與推演相關(guān)模型，如洪水演進(jìn)模型，提供接口，在三維場(chǎng)景下形象、生動(dòng)地表現(xiàn)模型計(jì)算結(jié)果?；?DGIS 平臺(tái)，以水文信息和地理信息為依據(jù)，以空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，集數(shù)據(jù)管理、分析、表達(dá)于一體，實(shí)現(xiàn)圖、文、表一體化管理，在三維可視化條件下提供災(zāi)害統(tǒng)計(jì)分析、調(diào)度推演方案展示等，因此，本次研究不僅僅解決“看得見”的問題，更重要的是解決“快速”估算洪水風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)給出更多直觀、立體的展示效果，為防洪調(diào)度推演決策提供支撐，增強(qiáng)決策的科學(xué)性和預(yù)見性。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

防洪推演三維可視化系統(tǒng)以多源異構(gòu)信息的無縫集成及動(dòng)態(tài)模擬的三維可視化為研究目標(biāo)，綜合運(yùn)用3DGIS 和虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)剖分等技術(shù)[6]，實(shí)現(xiàn)防洪推演過程中多元信息的整合與統(tǒng)一管理、1D 洪水演進(jìn)模擬成果的三維可視化，不僅為防洪調(diào)度工作中各類信息的綜合管理和數(shù)據(jù)挖掘提供集成平臺(tái)，也能夠在洪水演進(jìn)模型的支持下，動(dòng)態(tài)展示三維場(chǎng)景、洪水淹沒過程和退水過程，為防洪調(diào)度指揮決策提供生動(dòng)、形象的三維數(shù)字化虛擬環(huán)境，為制訂防洪調(diào)度方案、移民方案、撤離方案提供科學(xué)依據(jù)。

三維可視化的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾點(diǎn)：

（ 1）洪水推演模型接口

運(yùn)用三維GIS 和模型集成技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)剖分技術(shù)和組件技術(shù)等，開發(fā)三維GIS 平臺(tái)與洪水演進(jìn)模型的接口[7]，將不同洪水推演方案下的演進(jìn)模型計(jì)算結(jié)果，如水流方向、水流速度、水深等進(jìn)行渲染，同時(shí)運(yùn)用三維動(dòng)畫技術(shù)將潰堤過程、開閘放水過程動(dòng)態(tài)逼真展現(xiàn)在三維場(chǎng)景中，最終在地形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上形成洪水的動(dòng)態(tài)演進(jìn)過程，實(shí)現(xiàn)三維GIS 平臺(tái)洪水推演模型的無縫集成。

（ 2）防洪推演海量空間數(shù)據(jù)的無縫集成

采用三維GIS 技術(shù)和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，通過開發(fā)空間數(shù)據(jù)和信息整合、組織管理、空間信息智能處理、空間信息在線分析處理等各種應(yīng)用構(gòu)件，建設(shè)空間信息一體化處理與管理平臺(tái)[8]，實(shí)現(xiàn)對(duì)防洪推演業(yè)務(wù)中各類空間信息和屬性信息的統(tǒng)一管理。

（ 3）基于三維可視化的防洪推演決策支持

系統(tǒng)提供防洪推演決策支持功能，主要包括淹沒損失估算、典型洪水推演等[9]。

淹沒損失估算是根據(jù)洪水演進(jìn)模型計(jì)算得到的淹沒區(qū)域，或者給定某一水位標(biāo)高，由系統(tǒng)自動(dòng)獲得淹沒范圍，在獲得淹沒范圍后，系統(tǒng)利用空間拓?fù)浞治龉δ埽Y(jié)合數(shù)據(jù)庫中的社會(huì)經(jīng)濟(jì)等信息，給出淹沒區(qū)內(nèi)各種損失類型，并對(duì)經(jīng)濟(jì)損失總量進(jìn)行估計(jì)。

3 防洪推演三維可視化系統(tǒng)體系架構(gòu)

防洪推演三維可視化體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系主要包括信息系統(tǒng)開發(fā)、測(cè)繪數(shù)據(jù)采集相關(guān)的國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以及項(xiàng)目建設(shè)的信息化導(dǎo)則等。

軟硬件保障環(huán)境主要包括網(wǎng)絡(luò)支撐平臺(tái)、主機(jī)及存儲(chǔ)設(shè)備、顯示設(shè)備、軟硬件運(yùn)行環(huán)境等，為系統(tǒng)正常運(yùn)行提供軟硬件保障。

用戶層主要包括三峽集團(tuán)公司管理部門、長江防洪主管部門等。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層包括基本應(yīng)用與交互式演示應(yīng)用功能兩部分內(nèi)容。其中，基本應(yīng)用涵蓋基礎(chǔ)信息查詢、水雨情展示、視頻監(jiān)控及交互、三維全景展示；交互式演示應(yīng)用包括長江流域概況、長江洪水與洪災(zāi)、防洪工程體系、長江防洪調(diào)度。

服務(wù)層為防洪形勢(shì)展示系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)處理及標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)管理等，包括數(shù)據(jù)共享服務(wù)、數(shù)據(jù)接入服務(wù)、三維地理信息服務(wù)，是開發(fā)建設(shè)防洪形勢(shì)展示系統(tǒng)各項(xiàng)應(yīng)用的重要技術(shù)支撐。數(shù)據(jù)接入服務(wù)由于涉及相關(guān)部委的專業(yè)水利信息系統(tǒng)對(duì)接，需要專門定制開發(fā)對(duì)應(yīng)交換模塊及數(shù)據(jù)模型。

數(shù)據(jù)資源層主要包括三維模型數(shù)據(jù)庫、水利專題數(shù)據(jù)庫、三峽庫區(qū)專題數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理要素?cái)?shù)據(jù)庫、三維地形數(shù)據(jù)庫、數(shù)字高程數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫、正射影像數(shù)據(jù)庫等。

4 防洪推演三維可視化系統(tǒng)功能框架

系統(tǒng)提供全面而強(qiáng)大的應(yīng)用功能，服務(wù)器端為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，提供客戶端應(yīng)用程序所需全部數(shù)據(jù)。平臺(tái)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之間采用服務(wù)的方式進(jìn)行連接。系統(tǒng)功能框架如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能框架

系統(tǒng)的功能框架采用三層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、服務(wù)發(fā)布與功能應(yīng)用。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層用于管理三維模型數(shù)據(jù)、地形高程數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)與水雨情數(shù)據(jù)等；服務(wù)發(fā)布層用于管理地圖的基礎(chǔ)瓦片服務(wù)、地形瓦片服務(wù)、3DTiles 模型服務(wù)、水雨情服務(wù)等；系統(tǒng)功能應(yīng)用層側(cè)重于對(duì)防洪推演等專題功能的集成，包括三維場(chǎng)景瀏覽、防洪信息管理、典型洪水推演、淹沒損失估算、三維交互展示等。

4.1 三維場(chǎng)景瀏覽

三維場(chǎng)景瀏覽以三維模型數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理要素?cái)?shù)據(jù)、三維地形數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源構(gòu)建三維場(chǎng)景，用戶可以在場(chǎng)景中進(jìn)行自由瀏覽與漫游操作，如圖3 所示。

圖3 三維場(chǎng)景瀏覽

4.2 防洪信息管理

防洪信息管理完成與防洪相關(guān)的專題數(shù)據(jù)管理與查詢功能，包括：支持模糊查詢和拼音查詢的全要素搜索定位、重點(diǎn)水利工程基本信息查詢與展示、防洪重點(diǎn)區(qū)測(cè)站基本信息查詢與展示、防洪重點(diǎn)區(qū)河流基本信息查詢與展示、水雨情信息查詢與展示、雨情等值面展示等，如圖4 所示。

圖4 防洪信息管理

4.3 洪水調(diào)度模擬

對(duì)洪水進(jìn)行調(diào)度模擬主要通過系統(tǒng)典型洪水推演功能完成，選取1954 年和1998 年典型洪水，對(duì)洪水通過上游水庫群和三峽水庫進(jìn)行調(diào)度，對(duì)庫區(qū)及長江中下游的洪水演進(jìn)進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)典型洪水推演涉及防洪對(duì)象的展示和過程再現(xiàn)。宏觀方面包括 主要降雨干流、宜昌洪水組成、洞庭四水組成、水庫概況、蓄滯洪區(qū)概況等 ；中觀方面包括長江干流河道、蓄滯洪區(qū)、洞庭湖的淹沒分析表達(dá)；微觀方面包括三峽庫區(qū)水位漲落、庫區(qū)淹沒等表達(dá)，如圖5 所示。

圖5 典型洪水推演

4.4 淹沒損失估算

本研究洪災(zāi)淹沒損失估算以三峽庫區(qū)移民調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)不同淹沒水位線情況下的損失狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在三維中直觀了解洪水淹沒過程和淹沒范圍，同時(shí)以圖表方式展示淹沒及損失指標(biāo)，如圖6 所示。

圖6 淹沒損失估算

4.5 3DGIS +水利結(jié)合的數(shù)字沙盤展示

通過3DGIS +水利的結(jié)合，提出可對(duì)各種場(chǎng)景進(jìn)行展示的數(shù)字沙盤，在實(shí)時(shí)調(diào)度中任意提取歷史場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析[10]。在長江流域防洪調(diào)度與可視化中，采用這套技術(shù)完成長江防洪與治理的一鍵式數(shù)字模擬，包括長江流域概況、長江洪水與洪災(zāi)、長江防洪工程體系、長江洪水調(diào)度、防洪薄弱環(huán)節(jié)等，如圖7 所示。

圖7 3DGIS+水利的數(shù)字模擬

5 結(jié)論

通過集成三維可視化等多項(xiàng)先進(jìn)信息技術(shù)建設(shè)防洪推演三維可視化系統(tǒng)，真實(shí)再現(xiàn)防洪推演區(qū)域的三維場(chǎng)景，并基于三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)防洪推演信息的綜合管理。此外，還可通過人機(jī)交互制定各種防洪調(diào)度方案、淹沒損失等，為防洪調(diào)度與推演決策提供強(qiáng)有力的支持。概括起來，基于3DGIS 防洪推演三維可視化具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（ 1）三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)與水利專業(yè)模型的無縫結(jié)合應(yīng)用。系統(tǒng)通過提供與洪水推演、淹沒損失估算等水利專業(yè)模型的接口，可以將各類水利專業(yè)模型的計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地表現(xiàn)在三維場(chǎng)景，達(dá)到形象、直觀、真實(shí)的表現(xiàn)效果，實(shí)現(xiàn)三維GIS 與水利專業(yè)模型的無縫集成。（ 2）三維可視化技術(shù)應(yīng)用提高了管理效率。系統(tǒng)以三維可視化技術(shù)為支撐，利用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和高級(jí)編程語言，以空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，集數(shù)據(jù)管理、分析、表達(dá)于一體，實(shí)現(xiàn)了圖、文、表一體化。 （ 3）三維可視化條件下的防洪推演決策支持。系統(tǒng)可以在三維可視化條件下進(jìn)行災(zāi)情評(píng)估，并通過人機(jī)進(jìn)行防洪推演展示，在三維可視化條件下為防洪調(diào)度推演決策提供支持，增強(qiáng)了決策的科學(xué)性和預(yù)見性。

應(yīng)用結(jié)果表明，三維可視化先進(jìn)、實(shí)用、可靠，對(duì)防洪推演和調(diào)度管理水平的提高有極大的促進(jìn)作用，符合防洪推演和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于防洪調(diào)度業(yè)務(wù)。