靳晟　李玉平　朱海山

摘要：通過(guò)分析目前常用的方格網(wǎng)法、斷面法、等高線求積法和三角網(wǎng)格法等庫(kù)容計(jì)算方法，研究了如何在Visual studio.net 2010和Arc GIS engine SDK10.0環(huán)境下，使用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)三維可視化水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算系統(tǒng)的方法，并設(shè)計(jì)了地形數(shù)據(jù)處理、視圖處理等主要子功能模塊。該系統(tǒng)可利用Arc GIS提供的接口及其算法優(yōu)勢(shì)直接處理原始地形數(shù)據(jù)，快速建立三維地面模型TIN，提高了計(jì)算效率且避免了傳統(tǒng)庫(kù)容計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的精度損失。

關(guān)鍵詞：三維可視化；庫(kù)容計(jì)算系統(tǒng)；Arc GIS；C#；TIN

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2015）06-1203-04

Abstract：Through the analysis of reservoir capacity calculation methods such as grid method，section method，contour cubage method，and triangular mesh method，the use of C# language to realize the 3D visualization of reservoir capacity calculation system was investigated under the environment of Visual studio.net 2010 and Arc GIS engine SDK10.0，and the main sub function modules such as terrain data processing and view processing were discussed. The 3D visualization of reservoir capacity calculation system based on Arc GIS can process the raw terrain data using the interface and algorithm advantage of Arc GIS，develop the 3D terrain model TIN rapidly，improve the computational efficiency，and avoid the precision loss in the traditional capacity calculation.

Key words：3D visualization；reservoir capacity calculation system；Arc GIS；C#；TIN

水庫(kù)庫(kù)容是水利樞紐設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理的重要參數(shù)，也是水庫(kù)前期論證的主要成果，它直接影響到水庫(kù)工程的建設(shè)規(guī)模、蓄水效果、調(diào)度運(yùn)行和工程投資。庫(kù)容計(jì)算是每個(gè)水庫(kù)必不可少的工作，主要計(jì)算成果是水位—庫(kù)容特性曲線，根據(jù)它可以了解每個(gè)水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容儲(chǔ)量，作為水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度的主要依據(jù)，使水庫(kù)保持合理的防洪庫(kù)容和興利庫(kù)容[1-3]。由于庫(kù)容計(jì)算直接影響到水庫(kù)的防洪安全及運(yùn)營(yíng)管理，所以使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)精確、高效的實(shí)現(xiàn)庫(kù)容計(jì)算并自動(dòng)生成各種庫(kù)容計(jì)算成果顯得尤為重要。

1 庫(kù)容計(jì)算方法分析比較

受測(cè)量手段和計(jì)算方法的制約，以往的庫(kù)容計(jì)算以斷面法、等高線求積法和方格網(wǎng)法為主。其中，斷面法是一種常規(guī)的計(jì)算方法，但有一定的局限性，主要適用于典型的河槽式河流；等高線求積法把水庫(kù)的庫(kù)體看成為梯田式結(jié)構(gòu)，因此得到的是相對(duì)近似結(jié)果；方格網(wǎng)法的精度較高，但已不能滿足當(dāng)前庫(kù)容計(jì)算的要求[4-7]。由于這三種方法都將地形數(shù)據(jù)進(jìn)行二次輸入，加上人為操作中產(chǎn)生的精度損失，不但耗時(shí)耗力，精度也不高；且非整數(shù)水位的庫(kù)容計(jì)算是通過(guò)整數(shù)水位的庫(kù)容結(jié)果進(jìn)行線性內(nèi)插得到，但庫(kù)容隨地形的變化并非是線性的，所以得到的只是概略的結(jié)果，計(jì)算精度受到較大影響。

隨著測(cè)繪手段不斷進(jìn)步，地形測(cè)繪成果都以數(shù)字化成果為主，如果還用以往的方式進(jìn)行庫(kù)容計(jì)算，就要將數(shù)字化地形數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即將三維數(shù)字地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為等高線數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程也存在一定程度的精度損失[8-10]。目前，國(guó)際上精度最高的一種計(jì)算方法是采用三維數(shù)字地面模型計(jì)算方法，將庫(kù)區(qū)地形測(cè)量的原始三維數(shù)據(jù)直接利用到庫(kù)容計(jì)算中，這能在最大程度上保證數(shù)據(jù)精度沒(méi)有損失。

2 可視化水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算系統(tǒng)需求分析和功

能模塊設(shè)計(jì)2.1 庫(kù)容計(jì)算系統(tǒng)軟件需求分析

根據(jù)目前水利勘測(cè)單位庫(kù)容測(cè)量工作需要，要解決傳統(tǒng)計(jì)算方法效率較低和精度損失的問(wèn)題，新系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能[11-15]。（1）友好的可視化操作界面：系統(tǒng)操作符合庫(kù)容計(jì)算的工作流程，界面直觀易懂，操作簡(jiǎn)便，應(yīng)具備較高的自動(dòng)化程度。（2）開(kāi)放多源的數(shù)據(jù)接口：針對(duì)不同的工作環(huán)境的需要，可以讀入多種常用格式的原始地形數(shù)據(jù)，以提高庫(kù)容計(jì)算軟件的適用性。（3）三維立體數(shù)據(jù)模型的建立：庫(kù)區(qū)地形數(shù)據(jù)量大，地形復(fù)雜，所以要求系統(tǒng)應(yīng)具備高效率三維數(shù)據(jù)模型建立的能力。（4）庫(kù)容計(jì)算及成果的導(dǎo)出：庫(kù)容計(jì)算要求高效準(zhǔn)確，并能夠?qū)⒂?jì)算成果導(dǎo)出為通用的格式，自動(dòng)生成圖表。（5）良好的軟件運(yùn)行平臺(tái)適應(yīng)性：軟件系統(tǒng)應(yīng)充分考慮實(shí)際使用者的軟硬件平臺(tái)和操作習(xí)慣，應(yīng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，盡可能降低軟件運(yùn)行成本和升級(jí)成本。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合用戶現(xiàn)實(shí)需求情況，本系統(tǒng)的功能主要有：打開(kāi)工程、添加數(shù)據(jù)、保存工程、圖層窗口、鷹眼窗口、主窗口、顯示控制命令、導(dǎo)入CAD數(shù)據(jù)、導(dǎo)入點(diǎn)數(shù)據(jù)、導(dǎo)入線數(shù)據(jù)、導(dǎo)入面數(shù)據(jù)、建立TIN、特征線參與建模、庫(kù)容計(jì)算、批量計(jì)算并輸出到Excel、自動(dòng)生成各種圖表、生成等高線、導(dǎo)出為圖片格式、設(shè)置TIN的色彩渲染、動(dòng)態(tài)視頻輸出等。據(jù)此，可視化水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算系統(tǒng)主要被分成為如下三個(gè)功能模塊：地形數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)模塊、視圖處理子系統(tǒng)模塊、參數(shù)工具設(shè)置子系統(tǒng)模塊，各功能模塊關(guān)系見(jiàn)圖1。endprint

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

3.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)方法

為使系統(tǒng)具備良好的平臺(tái)適應(yīng)性，本系統(tǒng)采用Visual studio .net 2010開(kāi)發(fā)環(huán)境及目前最通用的地理信息平臺(tái)arcGIS的開(kāi)發(fā)組件Arc GIS engine SDK10.0，使用面向?qū)ο蟮腃#編程語(yǔ)言，應(yīng)用Arc GIS Engine提供的接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的功能。Arc GIS Engine 為開(kāi)發(fā) GIS應(yīng)用軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)框架，是一套完備的嵌入式GIS 組件庫(kù)和工具庫(kù)，它功能豐富，并且具有擴(kuò)展性，能讓軟件開(kāi)發(fā)人員集中精力解決軟件架構(gòu)問(wèn)題，而不用考慮GIS功能的細(xì)節(jié)。有效的Licence 配置方案可以使Arc GIS Engine完全脫離 Arc Map 的軟件平臺(tái)，同時(shí)又具備了GIS 的所有核心功能，大大節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。 Arc GIS Engine及其所有相關(guān)對(duì)象與控件可用于多種平臺(tái)，包括Windows、Linux和UNIX。基于Arc GIS Engine開(kāi)發(fā)的GIS應(yīng)用軟件將適用于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算環(huán)境，而不需要改變或添加運(yùn)行環(huán)境。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行的流程與界面

3.2.1 數(shù)據(jù)處理

（1）原始數(shù)據(jù)處理。建立地形模型最原始的數(shù)據(jù)是離散三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，其精度決定了計(jì)算結(jié)果的可靠性，所以合理的組織原始數(shù)據(jù)是非常關(guān)鍵的一步。原始采集的地形點(diǎn)數(shù)據(jù)，在制成地形圖的時(shí)候都經(jīng)過(guò)編輯處理，得到地形圖所要求的等高線數(shù)據(jù)。如果成圖軟件組成三角網(wǎng)算法沒(méi)有考慮到地形特征，直接建立的三角網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)比較大的失真。常規(guī)制作地形圖的過(guò)程中，都對(duì)三角網(wǎng)或等高線進(jìn)行了處理，以保證等高線的合理性。所以如果直接采用三維地形點(diǎn)建立模型，勢(shì)必又會(huì)出現(xiàn)地面模型和等高線產(chǎn)生矛盾的問(wèn)題，也必然影響庫(kù)容計(jì)算結(jié)果的精度。這里采用一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的辦法，在CAD平臺(tái)的地形圖軟件中，將已經(jīng)編輯過(guò)的等高線結(jié)點(diǎn)回寫(xiě)成三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，和原始三維地形點(diǎn)數(shù)據(jù)共同建模，這樣可以基本保證數(shù)據(jù)建模后的合理性；同時(shí)采用特征線參與建模的方法，對(duì)三角網(wǎng)生成進(jìn)行約束，以便進(jìn)一步嚴(yán)格保證建模的合理性。（2）確定計(jì)算范圍，剔除不參與計(jì)算的地形數(shù)據(jù)。（3）導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)。利用Arc GIS Engine提供的Data Sources File接口，實(shí)現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)讀取。不但可以讀入測(cè)繪外業(yè)常用的南方CASS地形圖軟件的DAT格式地形數(shù)據(jù)，也可以直接讀入DWG格式圖形文件，并轉(zhuǎn)換為ARCGIS標(biāo)準(zhǔn)的shp格式，作為原始數(shù)據(jù)層保存在項(xiàng)目文件中。讀入圖形文件時(shí)會(huì)根據(jù)需要分為點(diǎn)圖層和線圖層，并加入到程序數(shù)據(jù)圖層內(nèi)，見(jiàn)圖2和圖3。

3.2.2 建立TIN模型

利用Arc GIS Engine 提供的Geodatabase接口，將讀入的三維離散數(shù)據(jù)采用Delaunay三角測(cè)量方法建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型TIN，以模擬真實(shí)的地形數(shù)據(jù)。TIN是基于矢量的數(shù)字地理數(shù)據(jù)的一種形式，通過(guò)將一系列折點(diǎn)（點(diǎn)）組成三角形來(lái)構(gòu)建。TIN模型具備數(shù)據(jù)冗余小、精度高、便于計(jì)算體積等特點(diǎn)，因此選擇用TIN模型作為三維地形數(shù)據(jù)組織方式。

（1）在導(dǎo)入的原始點(diǎn)數(shù)據(jù)圖層基礎(chǔ)上建立TIN模型，見(jiàn)圖4。

（2）特征線數(shù)據(jù)參與原始點(diǎn)數(shù)據(jù)圖層的建模，以約束三角網(wǎng)的形成，從而保證TIN地面模型更接近真實(shí)地表（等高線也可以作為特征線，但是效果沒(méi)有特征線好），見(jiàn)圖5。

（3）從圖6中可以看出在特征線約束建模之前，建立沖溝的模型因?yàn)閿?shù)據(jù)點(diǎn)分布問(wèn)題造成了模型的失真；特征線約束后，較好的解決了這個(gè)問(wèn)題，既保證了數(shù)據(jù)模型的精度，同時(shí)也較少了數(shù)據(jù)冗余。

（4） 通過(guò)TIN的彩色渲染，可以直觀地發(fā)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)存在的問(wèn)題，便于進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)，確保TIN模型的精確性，見(jiàn)圖7。

3.2.3 庫(kù)容計(jì)算及成果

庫(kù)容計(jì)算窗口會(huì)自動(dòng)找到TIN所以圖層，并自動(dòng)找出最低水位和最高水位，用戶也可根據(jù)實(shí)際需要指定這兩個(gè)水位。單擊“批量計(jì)算并輸出到excel”按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算庫(kù)容并把各種結(jié)果輸出到excel生成的表格和圖表中，見(jiàn)圖8和圖9。

3.2.4 庫(kù)容三維瀏覽

利用Arc GIS Engine提供的SceneControl控件，實(shí)現(xiàn)“視圖”菜單中的“三維視圖”功能，可以根據(jù)需要設(shè)置導(dǎo)出圖片格式、TIN的色彩渲染和動(dòng)態(tài)視頻輸出，見(jiàn)圖10。

4 計(jì)算實(shí)例比較和驗(yàn)證

4.1 計(jì)算效率比較

以等高線面積法為例，傳統(tǒng)方法計(jì)算庫(kù)容一般要有四個(gè)步驟：（1）地形圖準(zhǔn)備工作。（2）等高線編輯工作。（3）等高線面積量取。（4）在EXCEL電子表格中根據(jù)數(shù)學(xué)公式計(jì)算兩兩等高線間的體積，并將兩兩等高線間的體積累加得到水庫(kù)庫(kù)容。使用本軟件計(jì)算庫(kù)容需三個(gè)步驟：（1）地形圖準(zhǔn)備工作。（2）利用本軟件直接導(dǎo)入原始地形數(shù)據(jù)，自動(dòng)建立TIN數(shù)字三維立體模型。（3）在本軟件中設(shè)置庫(kù)容計(jì)算的最大水位、最小水位，自動(dòng)得到庫(kù)容計(jì)算結(jié)果和EXCEL報(bào)表。

比較上述步驟可知：（1）兩種方法計(jì)算庫(kù)容都需要進(jìn)行地形圖準(zhǔn)備工作，這一個(gè)步驟耗時(shí)較少，主要是刪除不必要的地物符號(hào)。（2）傳統(tǒng)方法計(jì)算庫(kù)容為了避免手工操作出錯(cuò)，一般要求2名技術(shù)人員獨(dú)立進(jìn)行，完成最終成果需耗時(shí)5個(gè)工作日左右。（3）使用本軟件計(jì)算庫(kù)容，可基于Arc GIS直接利用原始地形數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成各項(xiàng)庫(kù)容計(jì)算成果，耗時(shí)在2 h左右。（4）綜上所述，使用本軟件的計(jì)算效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。

4.2 計(jì)算精度及正確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本庫(kù)容計(jì)算系統(tǒng)軟件的精度及正確性，分別使用本軟件和傳統(tǒng)方法（以等高線求積法為例）對(duì)新疆某水庫(kù)的庫(kù)容進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)表1可知：（1）使用本軟件進(jìn)行庫(kù)容計(jì)算的結(jié)果比用傳統(tǒng)方法（等高線求積法）計(jì)算的結(jié)果，在精度上高出三個(gè)數(shù)量級(jí)。（2）當(dāng)水庫(kù)水位較低時(shí)，由于實(shí)測(cè)地形圖測(cè)量的點(diǎn)密度較低，導(dǎo)致軟件與傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果差異相對(duì)較大。（3）根據(jù)水利設(shè)計(jì)、水庫(kù)管理及測(cè)量單位要求，庫(kù)容計(jì)算差值需控制在2.5%以內(nèi)；因此，本庫(kù)容計(jì)算系統(tǒng)軟件的計(jì)算結(jié)果完全符合實(shí)際的工程應(yīng)用需求。5 系統(tǒng)特點(diǎn)endprint

5.1 計(jì)算方法嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)

直接利用原始數(shù)據(jù)，采用Arc GIS Engine提供的接口，憑借Arc GIS強(qiáng)大的算法優(yōu)勢(shì)，快速建立精確的三維立體模型，計(jì)算方法科學(xué)，避免了計(jì)算過(guò)程中的精度損失。

5.2 突出的實(shí)用性和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

系統(tǒng)充分考慮實(shí)際工作需要，針對(duì)不同數(shù)據(jù)獲取方式提供了不同的數(shù)據(jù)讀入接口，過(guò)程數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)都采用標(biāo)準(zhǔn)的Arc GIS數(shù)據(jù)格式，便于數(shù)據(jù)的再利用。建立的三維數(shù)據(jù)模型可用于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和模擬，比如庫(kù)區(qū)淤積情況分析等。

5.3 良好的可擴(kuò)展性

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮某绦蛘Z(yǔ)言設(shè)計(jì)，具有良好的可擴(kuò)展性，提供標(biāo)準(zhǔn)的程序接口，便于對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)一步拓展。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)出的三維可視化水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算系統(tǒng)可以精確、高效、直觀的進(jìn)行庫(kù)容計(jì)算。目前，已處于用戶測(cè)試階段，根據(jù)用戶測(cè)試的各項(xiàng)結(jié)果，還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)地修改和完善。另外，本系統(tǒng)還需要簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，以便進(jìn)一步減少用戶的工作量，從而使本項(xiàng)研究成果不但能應(yīng)用于水利水電設(shè)計(jì)單位，還能更好地應(yīng)用于水庫(kù)管理單位。

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