基于World Wind的鄱陽湖水位動態(tài)變化仿真系統(tǒng)研究

戚曉明，杜培軍，汪迎春，3，金菊良，徐善健

(1.蚌埠學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，蚌埠 233000;2.中國礦業(yè)大學(xué)地理信息與遙感科學(xué)系，徐州 221116;3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098;4.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009)

基于World Wind的鄱陽湖水位動態(tài)變化仿真系統(tǒng)研究

戚曉明1，2，杜培軍2，汪迎春2，3，金菊良4，徐善健1

(1.蚌埠學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，蚌埠 233000;2.中國礦業(yè)大學(xué)地理信息與遙感科學(xué)系，徐州 221116;3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098;4.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009)

World Wind是由美國宇航局(NASA)開發(fā)的三維地理信息系統(tǒng)，也是一款可提供豐富數(shù)據(jù)的數(shù)字地球平臺，如何將多源數(shù)據(jù)實現(xiàn)緊密型二三維耦合是基于World Wind開發(fā)專業(yè)系統(tǒng)需要解決的重要問題。在.NET開發(fā)環(huán)境下，以World Wind為仿真內(nèi)核，開發(fā)了水位仿真系統(tǒng)，研究了二三維數(shù)據(jù)耦合技術(shù)，實現(xiàn)了環(huán)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的湖區(qū)與航道淹沒分析和三維漫游。結(jié)果表明，仿真系統(tǒng)流暢地實現(xiàn)了任意點地形高程、水位、水深和航道級別等信息的實時查詢，仿真了不同控制水位條件下的鄱陽湖區(qū)淹沒范圍，仿真結(jié)果能夠服務(wù)于鄱陽湖水利樞紐的水位調(diào)控決策;該仿真系統(tǒng)在湖泊干旱特征水位等確定中也具有重要的應(yīng)用價值。

湖泊水位仿真系統(tǒng);控制水位;淹沒范圍;鄱陽湖;World Wind;GIS

0 引言

地形三維可視化技術(shù)研究的關(guān)鍵問題是三維地形模型的管理、調(diào)度與實時渲染，以提高地形實時顯示速度并達(dá)到視覺效果的最佳平衡。國內(nèi)外學(xué)者對大地形建模和仿真技術(shù)做了大量的研究，綜合運用了地形多分辨率表示法、層次細(xì)節(jié)載入LOD(level of detail)控制和地形生成算法等［1－2］。近年來出現(xiàn)的Google Earth和World Wind等數(shù)字地球平臺都以大量的空間數(shù)據(jù)服務(wù)為支撐，實現(xiàn)了多維數(shù)據(jù)在地球模型中的可視化。World Wind是一款由NASA開發(fā)的三維地理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Landsat 7，SRTM，MODIS等多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，將衛(wèi)星圖像與SRTM數(shù)字高程模型疊加在一起，實現(xiàn)三維地球仿真［3－4］。World Wind 是采用 C#語言編寫的開源軟件，研究人員能夠自由修改源代碼，擴(kuò)展其功能和樣式，在科學(xué)、教育和政府等行業(yè)應(yīng)用中都有非常大的潛力［5］。

湖泊的水文過程決定了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，水位變動是影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)長期變化的最主要因素［5］。鄱陽湖是中國最大的淡水湖，是國際重要濕地和長江干流重要的調(diào)蓄性湖泊。本文針對鄱陽湖水利樞紐不同控制水位淹沒范圍、對港口吞吐量和候鳥棲息地影響等問題，基于World Wind軟件開發(fā)了鄱陽湖水位動態(tài)變化仿真系統(tǒng)，這有利于鄱陽湖水利樞紐水位調(diào)控的決策需求。

1 研究區(qū)概況

鄱陽湖位于江西省的北部、長江中下游南岸，是中國最大的淡水湖泊。鄱陽湖承納贛江、撫河、信江、饒河、修河5大江河及清豐山溪、博陽河、漳田河、潼津河等區(qū)間來水，經(jīng)調(diào)蓄后由湖口注入長江，是一個過水性、吞吐型的湖泊，鄱陽湖水系流域面積16.22萬km2，最大豐水期面積約5 100 km2。鄱陽湖為季節(jié)性湖泊，年內(nèi)水位變幅巨大，形成了大量的灘地、沼澤和沙洲，是我國重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)。水位高時以湖泊為主體，水位低時以沼澤為主體，呈現(xiàn)水陸相交替出現(xiàn)的生態(tài)景觀。夏季的7月與冬季的1月水位相差多年平均為12 m左右。水位和水域面積的變化造成鄱陽湖天然濕地各類型之間的動態(tài)變化［9］。南昌是江西省的省會，而南昌港則是江西省的樞紐港，在全省處于航運中心的地位［10－11］，鄱陽湖水利樞紐工程對南昌港港口岸線資源影響主要取決于鄱陽湖區(qū)水位的控制情況，鄱陽湖地區(qū)的水系及城鎮(zhèn)分布情況如圖1所示。

圖1 鄱陽湖地區(qū)水系分布圖Fig.1 Distribution of river system of Poyang lake

2 湖泊水位仿真系統(tǒng)的研制與實現(xiàn)

2.1 功能設(shè)計

鄱陽湖水位動態(tài)變化仿真系統(tǒng)是收集、存儲、管理、綜合分析和處理空間信息的軟件系統(tǒng)，重點強調(diào)和突出以下功能:

1)人機(jī)交互。仿真系統(tǒng)簡單直觀，方便用戶操作，具有較好的交互性和處理效率。如Shape文件圖層的加載、圖像文件的疊加、局部地形詳細(xì)查看、淹沒區(qū)水位、流量數(shù)據(jù)的加載與動態(tài)修改和點、面、線信息的編輯等功能。

2)科學(xué)計算及可視化。河道、湖區(qū)水位、流量和河道等級數(shù)據(jù)的演示以及實時顯現(xiàn)河道與湖區(qū)的中任意點的水位、高程、通航能力等信息。

3)虛擬環(huán)境模擬?？蓪崿F(xiàn)基于三維模型的高分辨率圖像瀏覽，遙感圖像分辨率最高可達(dá)到15 cm，DEM數(shù)據(jù)分辨率湖區(qū)為25 m，湖區(qū)外為90 m;實現(xiàn)分類信息圖層表達(dá)，包括自定義的河網(wǎng)編碼、水位淹沒線、地名標(biāo)注等圖層;鄱陽湖區(qū)的全景、河道視點控制等功能。

2.2 地形處理

World Wind衛(wèi)星數(shù)據(jù)可自動更新，低分辨率的Blue marble數(shù)據(jù)也包含在內(nèi)，當(dāng)用戶放大特定區(qū)域到一定比例尺時，附加的高分辨率數(shù)據(jù)將會自動從NASA服務(wù)器上下載，遙感影像與SRTM高程疊加生成三維地形。SRTM高程數(shù)據(jù)的分辨率在中國范圍內(nèi)是90 m，不能滿足鄱陽湖水位動態(tài)變化仿真的要求，必須將已有鄱陽湖區(qū)的高分辨率地形數(shù)據(jù)處理成World Wind地球模型能夠識別的數(shù)據(jù)格式。

1)處理SRTM數(shù)據(jù)，生成數(shù)字高程模型(DEM)，利用ENVI軟件將鄱陽湖區(qū)的SRTM數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、裁剪及調(diào)整分辨率(25 m)后，導(dǎo)出為TXT格式的DEM數(shù)據(jù)文件。

2)利用ArcMap軟件，將鄱陽湖湖區(qū)及河道的高精度Shape格式等高線數(shù)據(jù)(重點地段加密測量)轉(zhuǎn)換成柵格DEM數(shù)據(jù)(水平分辨率25 m)。將湖區(qū)和河道外部高程低于60 m的網(wǎng)格數(shù)據(jù)的高程值修改為60 m，使得在設(shè)置動態(tài)淹沒水位時水不會外流到湖區(qū)外或河道外部，確保淹沒面積計算正確。

3)將鄱陽湖區(qū)的DEM數(shù)據(jù)、河道DEM數(shù)據(jù)與SRTM 數(shù)據(jù)同步同化［7－8］，將同步同化后的研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成帶有地理投影的TIF格式圖像文件。

4)將地形數(shù)據(jù)進(jìn)行瓦片切割。在鄱陽湖湖泊水位仿真中，當(dāng)視野集中在某一地區(qū)時，動態(tài)加載該地區(qū)的地形數(shù)據(jù)，而不是一次性將所有地形數(shù)據(jù)加載，這就實現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)來源的遙感影像、高程數(shù)據(jù)在地球模型中流暢的顯示和信息提取。高程數(shù)據(jù)同紋理數(shù)據(jù)一樣分層存儲，數(shù)據(jù)存放在“CacheEarthImagesNASA Landsat ImageryNLT Landsat7(Visible Color)”目錄。從服務(wù)器下載的圖像為JPG格式，512像元×512像元，下載完畢后轉(zhuǎn)換為DDS格式，DTX3壓縮，下載的臨時文件后綴為jpg.tmp。World Wind的分層技術(shù)以地球360°經(jīng)度和180°緯度為標(biāo)準(zhǔn)，第一層以36°劃分，分為(360/36)×(180/36)=50層，第二層以18°劃分，第三層以9°劃分，依次類推［4］，如圖 2、圖 3 所示。

圖2 多分辨率分層原理圖Fig.2 Multiresolution layered principle

圖3 World Wind分層結(jié)構(gòu)圖Fig.3 World Wind’s layered structure

針對鄱陽湖區(qū)地形數(shù)據(jù)，主要采用瓦片切割工具FWTools和Dstile將地形TIF格式文件切割成分級的多分辨率圖像分層文件集合。創(chuàng)建瓦片的通用命令行格式為:dstile.exe－－tile－－lztsd tile_size－－wwcache－－overviews output_directory georeferenced_image_file(s)。其中參數(shù)如下:tile_size為圖層瓦片大小，十進(jìn)制數(shù)，能被180整除(最好為180/2n);output_directory為瓦片金字塔的輸出路徑;georeferenced_image_file(s)為影像數(shù)據(jù)的完整路徑，一系列的多重影像可以自動組合成單一的瓦片金字塔。命令說明:①－－tile，作用是Dstile將要創(chuàng)建瓦片金字塔;②－－wwcache，作用是Dstile按World Wind的內(nèi)部格式組織和命名創(chuàng)建的瓦片;③－－overviews，作用是Dstile去創(chuàng)建所有可以創(chuàng)建的瓦片圖層。

5)配置Earth.xml地球加載文件，使得地球模型運行時自動加載研究區(qū)的高分辨率DEM數(shù)據(jù)。在config文件夾下找到 Earth.xml，在 ＜TerrainAccessor＞標(biāo)簽下添加“＜Higher Resolution Subset＞地形數(shù)據(jù)名稱，＜/Higher Resolution Subset＞”標(biāo)簽。名字和數(shù)據(jù)集名字要與上面自定義的文件夾名稱相同。

2.3 水位仿真插件開發(fā)

World Wind提供兩種擴(kuò)展系統(tǒng)功能的方法:Plug－in(插件)機(jī)制和Add－on(附加)技術(shù)。插件機(jī)制支持多種語言的插件形式，具有較高的運行效率。水位仿真插件是借鑒World Wind 1.4版本中的插件機(jī)制開發(fā)的，主要設(shè)計思路如下:

1)選取一個矩形范圍的左上角和右下角經(jīng)緯度，作為水位演示區(qū)域，即為Rect1。

2)計算當(dāng)前的取景視野矩形范圍，即為Rect2;計算Rect1和Rect2兩個矩形的交集，即為Rect3。本步驟中采用了動態(tài)計算Rect2的方法，Rect2的mesh網(wǎng)格大小是128×128。因此，當(dāng)視野距離研究區(qū)較遠(yuǎn)時，看到的淹沒范圍分辨率較低;當(dāng)放大到一定倍數(shù)時，即視野離研究地點越近時，看到的淹沒范圍分辨率越高。這樣做的優(yōu)點是進(jìn)行動態(tài)渲染時圖像非常流暢，其缺點是計算機(jī)的CPU占用率較高。

3)對Rect3矩形區(qū)域作行數(shù)和列數(shù)為128的雙層循環(huán)，以(地球半徑+水位×垂直夸張系數(shù))為半徑構(gòu)建一個網(wǎng)格mesh，并可以動態(tài)設(shè)置mesh的顏色和水位，這樣當(dāng)某一點的水位高于該點的高程時，該點就被mesh網(wǎng)格覆蓋，呈現(xiàn)了湖水淹沒范圍特效。反之，當(dāng)某一點的水位低于該點的高程時，該點就覆蓋了mesh網(wǎng)格，呈現(xiàn)陸地或高山景象的特效。

4)對Rect3矩形區(qū)域作行數(shù)和列數(shù)為128的雙層循環(huán)，計算每一個小單元的水位值減去當(dāng)前高程值，然后以標(biāo)簽的形式輸出當(dāng)前點的經(jīng)度、緯度、高程、水位、水深和航道級別信息。

2.4 地理空間數(shù)據(jù)擴(kuò)展

1)矢量數(shù)據(jù)。World Wind可將本地的Shape文件作為圖層加載到World Wind地球模型上，能將地理要素對應(yīng)到正確的地理位置上，并能自動顯示出World Wind中的屬性信息。鄱陽湖仿真系統(tǒng)中需要1∶25萬水系圖(河流、湖泊)、地標(biāo)(詳細(xì)到村鎮(zhèn))、公路、鐵路、省界及河網(wǎng)編號等點、線和面的Shape文件格式數(shù)據(jù)。

2)柵格數(shù)據(jù)。開發(fā)柵格圖像疊加的功能插件，將本機(jī)的柵格數(shù)據(jù)疊加到World Wind三維地球模型上，并且可以調(diào)整柵格圖像的透明度，方便用戶進(jìn)行深入的觀察分析。將不同時期的Landsat鄱陽湖地形處理成TIF格式的圖片，對高程數(shù)據(jù)及TM/ETM+衛(wèi)星圖像作前期處理時可以用使用Global Mapper軟件處理，配準(zhǔn)加載到World Wind中實現(xiàn)地形變遷分析。

3)3D模型數(shù)據(jù)。鄱陽湖的一些水工建筑物3D模型，可以運用XML文件以靜態(tài)方式加載到仿真系統(tǒng)中，動態(tài)管理各個模型。使用AutoCAD建模軟件，建立水閘、船舶等三維模型，導(dǎo)出為*.x格式三維模型文件，編寫XML配置文件加載本地3D模型數(shù)據(jù)到World Wind平臺上顯示。

3 湖泊水位仿真系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 鄱陽湖淹沒范圍仿真

鄱陽湖水位仿真系統(tǒng)可有效地模擬不同控制水位下的湖區(qū)及河道的淹沒情況，如圖4所示。圖5是在12～19 m的控制水位條件下的湖水淹沒情況。

圖4 控制水位淹沒范圍的疊加顯示Fig.4 Superposition display of control water level and submerged range

圖5 控制水位下的淹沒范圍Fig.5 Submerged range under different water level

選取柵格步長100 m的鄱陽湖區(qū)的柵格覆蓋，總柵格子數(shù)為1 490 890個(1 537行×970列)，其中無數(shù)據(jù)總柵格數(shù)為967 368個，有數(shù)據(jù)總柵格數(shù)為523 522個。表1是鄱陽湖區(qū)在不同控制水位狀態(tài)下的水深面積的統(tǒng)計表;圖6是在一定的水位條件下，不同水深的統(tǒng)計曲線圖;圖7是淹沒面積與水位關(guān)系曲線;圖8是未淹沒面積與水位關(guān)系曲線圖。

表1 鄱陽湖區(qū)不同水位下不同湖區(qū)內(nèi)水深水域面積Tab.1 Poyang Lake under different water submerged depth statistics

圖6 水深2 m以下的淹沒面積曲線Fig.6 Submerged area curve(depth of 2 m)

圖7 淹沒面積與水位關(guān)系曲線Fig.7 Submerged area and water level relation curves

圖8 未淹沒面積與水位關(guān)系曲線Fig.8 Unsubmerged area and water level relation curves

3.2 鄱陽湖水位的環(huán)境影響分析

1)對候鳥的影響。鄱陽湖為一過水性吞吐型湖泊，洪水季節(jié)水位在19.0 m左右;枯水季節(jié)(11月至次年3月)湖面萎縮，水位一般低于10.0 m。在冬季水位下落的過程中大片灘地出露，珍禽候鳥云集，冬季氣溫適合鳥類生存。從圖6中可以看出，當(dāng)水位大于16 m時，水深為2 m以下的水域面積迅速減少。有關(guān)研究表明，湖區(qū)水深在2 m以內(nèi)是有利于候鳥的棲息的［12］，可見，鄱陽湖水位和水深的變化對候鳥的棲息有一定的影響。

2)對航道的影響。當(dāng)環(huán)鄱陽湖區(qū)枯水期調(diào)控水位到15～16 m時，對樞紐上游航道而言亦能形成真正意義上的環(huán)鄱陽湖千噸級(Ⅲ級)以上標(biāo)準(zhǔn)的高等級航道網(wǎng)。為水運發(fā)展的需要，建議鄱陽湖水利樞紐枯水期調(diào)控方案首選16 m，其次可采用15 m。

3)對港口的影響。南昌港是江西省的水運樞紐港，是由交通部定位的全國內(nèi)河28個主要港口之一。環(huán)鄱陽湖區(qū)枯水期調(diào)控水位15 m以上時，將使南昌港的深水港口岸線條件有一個質(zhì)的飛躍，與長江黃金水道枯水期維護(hù)性航道水深一致，可實現(xiàn)南昌港水運貨物的江海直達(dá)。綜合上述枯水期調(diào)控水位方案對環(huán)境影響來看，枯水期調(diào)控水位15 m及以上為可接受方案。

4 結(jié)論

1)基于GIS，World Wind和遙感技術(shù)，仿真了環(huán)鄱陽湖區(qū)枯水期不同調(diào)控水位對環(huán)鄱陽湖航道通航水位、港口、岸線的影響分析，仿真結(jié)果有利于鄱陽湖水利樞紐水位調(diào)控的決策需求。

2)系統(tǒng)仿真了環(huán)鄱陽湖區(qū)枯水期不同調(diào)控水位(吳淞高程分別為16 m，15 m，14 m和13 m)的情況，并綜合枯水期調(diào)控水位方案對航道影響，得出枯水期控制水位15 m是對該區(qū)域的生態(tài)和通航比較有利的方案。

3)目前的湖區(qū)地形數(shù)據(jù)采用了Dstile工具處理成World Wind所需要的金字塔式的瓦片圖像數(shù)據(jù)，這對于具有時間序列的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行時態(tài)的對比分析是不利的，需要進(jìn)一步研究。

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Simulation Research on the Water Level of the Poyang Lake Based on World Wind Technology

QI Xiao － ming1，2，DU Pei－ jun2，WANG Ying － chun2，3，JIN Ju － liang4，XU Shan － jian1
(1.Computer Science and Technology Department of Bengbu College，Bengbu 233000，China;2.Department of Remote Sensing and Geographical Information Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;3.Hydrology and Water Resources and Hydraulic Engineering Laboratory，Hohai University，Nanjing 210098，China;4.School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

World Wind is an open source(released under the NASA license)virtual globe developed by NASA.The program provides a platform for digital earth and 3D GIS.The realization of the compacted 2－3D coupling of multi－source data is one of the problems in the process of developing professional system based on World Wind.In the .Net development environment，taking World Wind as the simulation kernel，the authors developed the water level simulation plug－in，studied the 2－3D coupling of data technology，and realized the lake＆ channels’flood inundation risk analysis and 3D roaming of the Poyang ecological economic development zone.The results show that the simulation system can realize smoothly the real－time information query at any point in such aspects as terrain elevation，water level and submerged depth，and navigation level.The submerged range of the Poyang Lake is also simulated under different water－control conditions.The results can serve the decision－making regulation of Poyang Lake water conservancy hub.

simulation of Poyang Lake’s water level;control water;submerged scope;Poyang Lake;World Wind;GIS

TP 751.1

A

1001－070X(2012)02－0105－05

戚曉明(1975－)，男，副教授，博士后，主要從事水文水資源和地理信息系統(tǒng)研究。E－mail:qixiaoming888@sina.com。

(責(zé)任編輯:李 瑜)

10.6046/gtzyyg.2012.02.19

2011－07－08;

2011－09－04

國家自然科學(xué)基金項目(編號:41001292)、水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(編號:201001043)及安徽省教育廳自然科學(xué)研究項目(編號:KJ2009B131)共同資助。