沈陽市渾河管理中心 呂愛民 張建國

洪水演進模擬的三維可視化研究淺析

沈陽市渾河管理中心 呂愛民 張建國

本文歸納總結(jié)了洪水演進模擬三維可視化領(lǐng)域研究的相關(guān)概念，介紹了目前在洪水演進技術(shù)上的研究背景，該技術(shù)是目前在城市防洪減災(zāi)領(lǐng)域的一項重要的非工程措施，確保城市安全的重要手段，為管理者提供了一個建設(shè)規(guī)劃成果展示和決策支持的平臺。

洪水演進模擬 非工程措施 三維可視化。

一、引言

隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字流域”等概念的相繼提出，虛擬現(xiàn)實技術(shù)越來越多的受到人們的關(guān)注，應(yīng)用的領(lǐng)域也由原來投資較高的軍事、航空業(yè)逐漸擴展到普通行業(yè)，如地學(xué)、醫(yī)學(xué)、制造業(yè)、藝術(shù)與娛樂等。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在地學(xué)相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用主要集中在地域三維漫游、工程規(guī)劃仿真、三維信息獲取等幾個方面，以其獨特的表現(xiàn)手段為三維場景的模擬提供了全新的人機交互接口，也為這些行業(yè)的信息化和仿真提供了新的手段和發(fā)展方向。

二、 洪水演進的研究背景

在遍及全球的各種自然災(zāi)害中，洪水災(zāi)害是最常見和危害最大的一種。人類與洪水災(zāi)害斗爭了幾千年，時至今日，洪水災(zāi)害仍然居各種自然災(zāi)害之首位。據(jù)統(tǒng)計，在世界范圍內(nèi)每年的洪澇災(zāi)害損失占各種自然災(zāi)害總損失的40%，洪澇災(zāi)害是人類面臨的主要自然災(zāi)害，而中國更是一個飽嘗水患之苦的國家。 因此，要實施有效的防洪減災(zāi)策略以及洪水資源利用計劃，就必須深入科學(xué)她認識流域的洪水演進規(guī)律和行洪過程，對流域洪水淹沒過程進行模擬仿真。

由于地理信息系統(tǒng)（GIS）具有獨特的空間信息處理和分析功能，具有空間性和動態(tài)性，它可以為洪水預(yù)測及演進仿真模擬的研究提供對多源地表空間信息的綜合分析和解釋;可視化技術(shù)使人能夠在三維虛擬世界中對洪水演進的現(xiàn)象和規(guī)律進行觀察、操作和分析，更好的了解洪水發(fā)生的過程，因此它們是開展洪水演進研究工作的自然選擇。

三、 洪水演進模擬實現(xiàn)技術(shù)分析

洪水演進模擬仿真模塊的開發(fā)是一項復(fù)雜的專題，它涉及的領(lǐng)域非常廣泛，包括水利學(xué)、水文學(xué)、地理學(xué)、三維可視化、遙感等諸多領(lǐng)域。

1. 地理信息系統(tǒng)概述

三維地理信息系統(tǒng)是目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱點，它的提出一定程度上是為了克服二維系統(tǒng)的缺陷，從而滿足實際應(yīng)用的需要。當(dāng)前研究和開發(fā)三維GIS的思路可歸納為兩種:

（1）由于三維GIS首先要將地理數(shù)據(jù)變?yōu)榭梢姷牡乩硇畔?，而通用的GIS已經(jīng)不能滿足大量的對可視化技術(shù)的需求，因此人們從三維可視化領(lǐng)域向三維GIS系統(tǒng)擴展，這一點同早期的二維GIS來源于計算機制圖管理是一樣的，它是從可視化的角度出發(fā)的。

（2） GIS需要存儲和管理大量的空間信息和屬性信息，因此人們又從數(shù)據(jù)庫的角度出發(fā)向三維GIS發(fā)展，他們從商用數(shù)據(jù)庫向非標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用領(lǐng)域擴展，一個新的發(fā)展方向是將三維可視化與三維空間對象管理藕合起來，形成集成系統(tǒng)。

三維地理信息系統(tǒng)能更真實、直觀地反應(yīng)客觀世界、并且具有更加豐富的數(shù)據(jù)類型。三維地理信息系統(tǒng)中的查詢功能結(jié)合三維立體可視化技術(shù)，將為人們的分析決策提供更強的真實感和立體感以及更加豐富的信息支持，并在進一步的決策分析、場景漫游等方面提供必要信息。

目前，三維地理信息系統(tǒng)已經(jīng)在環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)管理（交通運輸，雨水，氣象）、農(nóng)業(yè)、國家和地方的發(fā)展、地質(zhì)學(xué)，電訊等各個領(lǐng)域內(nèi)都有所應(yīng)用。因此對于三維地理信息系統(tǒng)研究中的一個重要方面就是對三維可視化技術(shù)的研究。

2. 可視化技術(shù)概述

可視化是指運用計算機圖形學(xué)和圖象處理技術(shù)，將計算過程中及計算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形及圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。

3. 三維可視化實現(xiàn)方式

當(dāng)前實現(xiàn)三維可視化的方式主要有三種:應(yīng)用具有三維可視化功能的軟件（ARCIINFO等地理信息系統(tǒng)軟件），應(yīng)用三維圖形動畫繪制軟件（3DMAX，Maya等），基于三維可視化工具包（OpenGL， DirectM， VRML等）的開發(fā)。

ARC/INFO等主要GIs軟件中的三維功能主要是針對地形的三維可視化及其三維分析，針對地物的三維可視化只能是基于體（規(guī)則的建筑物）的概略性顯示。它們都側(cè)重于對地形進行三維可視化和三維分析，缺乏對地物的有機顯示與分析，并且受其內(nèi)部功能模塊的限制，拓展性較差。如圖所示為在ARC/INFO軟件平臺下高程數(shù)據(jù)覆蓋TM影像的顯示效果。

3DMAX等三維圖形動畫繪制軟件主要側(cè)重三維地物實體造型及三維動畫的顯示及瀏覽，漫游，如圖所示為應(yīng)用3DMAX軟件繪制的視圖，從圖中可以看出，應(yīng)用3DMAX三維圖形繪制軟件繪制的三維場景感覺更加真實，能夠給人創(chuàng)造出一種身臨其境的感覺，但是它缺乏對三維空間數(shù)據(jù)的分析功能。

基于三維可視化工具包OpenGL等的開發(fā)可以兼顧前兩種方式的優(yōu)點，并且它們提供的三維圖形軟件開發(fā)包及一系列函數(shù)可以大大簡化三維圖形程序設(shè)計，可隨心所欲開發(fā)所需的可視花環(huán)境，其中OpenGL在地物、地形顯示以及三維模擬方面為較多的專業(yè)軟件采用，并且OpenGL與3DMAX軟件相比具有可實時交互操作的優(yōu)點，而且可以將3DMAX軟件制作的三維場景通過編程導(dǎo)入到OpenGL開發(fā)的可視化環(huán)境中，因此它更適合于空間信息的三維構(gòu)建、操作、分析和模擬。

四、結(jié)語

由于可視化技術(shù)能夠再現(xiàn)三維虛擬世界的特點，使人能夠在三維虛擬世界中對洪水演進的現(xiàn)象和規(guī)律進行觀察、操作和分析，更好的了解洪水發(fā)生的過程，使得一些專家將GIS技術(shù)和三維可視化技術(shù)進行融合應(yīng)用在動態(tài)洪水仿真模擬的研究中，不過目前的研究尚處于探討和局部試點階段。該研究將在水利信息化領(lǐng)域?qū)⒂泻芎玫陌l(fā)展前景。

［1］韓敏，陳明．洪水演進模擬的三維可視化研究[J].計算機應(yīng)用，2005，8

［2］袁艷斌，王乘等．洪水演進模擬仿真系統(tǒng)研制的技術(shù)和目標(biāo)分析[J]．水電能源科學(xué)，2001，9

［3］王穎，宮輝力等．黃河流域三維地形飛行模型開發(fā)的技術(shù)流程與方法[J]．測繪科學(xué)，2005，10

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