基于VRGIS的風速、海浪對港口影響的模擬研究

劉騰姣 ，趙云升 ，孫瑋祺 ，張 超

1.東北師范大學城市與環(huán)境科學學院，吉林 長春 130024

2.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041

3.中國科學院研究生院，北京 100049

0 引言

VRGIS(Virtual Reality Geography Information System) ，結合了地理信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實技術相，它使用一種全新的方式，主要綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網(wǎng)絡技術、并行處理技術和多傳感器技術，通過計算機的高速運轉和計算能力，對復雜的數(shù)據(jù)進行可視化顯示與交互操作，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中合成一個仿真的三維虛擬環(huán)境來還原真是場景。

1 數(shù)據(jù)采集和公式計算

根據(jù)上海辭書出版社1980年出版的《辭海》中的風力登記表，取浪高的平均值統(tǒng)計，得到數(shù)據(jù)進行整合分析，根據(jù)最小二乘法的公式，利用SPSS軟件，推算出風速與浪高的三個相關分析回歸方程:

由于公式（3）雖然相關系數(shù)稍低，但由于平均風速與平均浪高之間存在著最為密切的正相關關系，所以本研究中，在制作三維動畫建模時，應用的公式（3）計算數(shù)據(jù)；而在制作平臺時，則浪高采用平均值而風速采用的原表格中的區(qū)間數(shù)據(jù)。

2 3D動畫制作和應用系統(tǒng)設計

將以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計到一個Excel表中，表頭更改名稱（如表格1）。根據(jù)以上公式，應用3Ds Max軟件建模并制作出13個仿真動畫（如圖1）。

表1 風力等級Excel統(tǒng)計表

5.0 2.250 漁船稍需縮帆 有葉的小樹搖擺，面積較小的水面有小波8.00-10.706.0 3.350 漁船需加倍縮帆，捕魚者須注意風險 大樹枝搖動，舉傘困難 10.80-13.807.0 4.775 漁船需停泊在港中，在海者應及時下錨 全樹搖動，迎風步行困難 13.90-17.108.0 6.500 近港的漁船全部停留不出 微枝折毀，人向前行走感覺阻力很大17.20-20.709.0 8.500 汽船航行困難 建筑物有微小損害，煙囪頂部及平屋搖動20.80-24.4024.50-28.4011.013.750 汽船遇十分危險 陸上十分少見，出現(xiàn)必然會有廣泛損壞10.010.750 汽船航行有風險陸上少見，風力可將樹木拔起，將建筑物較重損壞28.50-32.6012.014.140 海浪巨大滔天 陸上絕少見，摧毀力無比大32.70-36.90

圖1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計表和0-12級風的動畫

應用C#編寫用戶平臺，直接調用表格數(shù)據(jù)和以上十三個動畫。調用數(shù)據(jù)及動畫的主要C#語言表達為:

平臺中，使用者可以通過直接選擇風力等級或輸入風速來確定風力等級，從而直觀的看到其形成的浪高以及在此浪高下沿海船只的象征和陸地地面物的象征；于此同時，平臺中還會出現(xiàn)此風速下虛擬現(xiàn)實的海浪對港口的影響三維動態(tài)場景（如圖 2，3）。

圖2 平臺初始界面

圖3 選擇風力等級或輸入風速后進入的二級界面

3 應用、推廣與總結

針對目前國內還沒有適用于廣大港口的“海浪高度對港口影響的三維動態(tài)模型”的現(xiàn)狀，對于不同大小的風速形成不同梯度的風力等級，激發(fā)不同高度的海浪，對沿海船只和陸地地面物影響乃至破壞程度不同，根據(jù) “風速和浪高的回歸方程”、相關實測數(shù)據(jù)得出相應的浪高，結合沿海地表狀況等模擬海浪高度對沿海船只和陸地地面物的影響和破壞制作的虛擬現(xiàn)實的浪高對于港口影響的模型平臺，對于所有沿海、沿河地區(qū)的港口都十分有用，各個港口可以根據(jù)自己實際的數(shù)據(jù)，更改Excel表中的數(shù)據(jù)，調整動畫，再利用此平臺對港口進行分析，了解各風速對海浪高度的影響，進而了解該風速條件下形成的海浪高度對沿海船只和陸地地面物所造成的影響，可為相關部門預報海浪災害等提供依據(jù)。

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