河南省三維電子沙盤系統在防汛抗旱中的應用研究

□薛紅勛（河南省水利科學研究院）

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河南省三維電子沙盤系統在防汛抗旱中的應用研究

□薛紅勛（河南省水利科學研究院）

摘要：隨著現代信息技術的迅速發展，水利信息化帶動現代化進程，數字水利技術提到了水利發展的重要議程。河南省防汛三維電子沙盤系統充分利用三維地理信息系統、遙感技術、海量數據管理技術、虛擬現實技術、網絡通訊技術和高性能計算機技術等現代高新信息技術，采用高精度DEM地形數據、遙感影像和基礎地理矢量數據，建立河南省三維空間場景；并在三維場景中，直觀地展現河南全省地形、地貌、水系分布、河流形態、防洪工程等防洪信息。同時，還與已有的水雨情庫、防洪工程庫連接，可以實時展示和查詢水雨情信息和防洪工程信息，為河南省防汛管理及會商決策提供更為直觀、準確的信息服務和技術支持。

關鍵詞:三維；電子沙盤系統；防汛抗旱；應用研究

1概述

河南省防汛三維電子沙盤建設，是將河南全省地形貌、防洪工程體系在三維場景中生動地展示出來，直觀展現防洪工程、淹沒范圍，并與水雨情庫、防洪工程庫良好銜接，能夠實現水雨情信息、防洪工程信息的展示和查詢，進一步豐富、完善目前防汛抗旱系統的建設，對河南省防汛抗旱的科學化、信息化、實用化、可視化具有重要意義。

2總體設計

2.1系統體系結構

系統的體系結構設計是基于分層思想進行的。系統自上而下劃分為用戶交互層、應用層、系統服務層、數據層。

2.2應用層

提供三維場景自由瀏覽，定制漫游軌跡并按軌跡自動飛行，分流域、水系進行瀏覽，防汛信息（水雨情、工情及視頻監控等信息）分類分層查詢瀏覽。

要求應用層能夠表現全省范圍內重點河道和地區的三維場景，場景中包括地形、地貌、城市、鄉村、公路、鐵路等基礎地理對象，還包括周邊重點水利工程、河道、堤防、水閘、險工險段等專題地理信息要素。

2.3系統服務層

系統服務層由三維虛擬現實引擎、三維GIS服務構成。

三維虛擬現實引擎是系統運轉的核心層，亦是處理分析數據、支撐應用層各種實際應用的基礎。它提供對操作系統、圖形API（DIRECTX或OPENGL）進行抽象封裝和管理，并對虛擬現實中的虛擬場景進行管理，提供了各種先進的特效表現手段。針對數據層各種類型的數據提供存、取的訪問接口，對這些海量數據的快速無縫讀取和處理提供可靠支持。同時，它是實時虛擬顯示系統高效穩定運行的基礎，采用了各種方法對系統進行優化、監控，以保證系統的高效性、實時性和穩定性。

三維GIS服務是構建在三維虛擬現實引擎基礎上的專門針對三維空間數據的地理信息系統服務，它在二維GIS的基礎上將空間內的數據擴充到三維，并提供類似二維GIS的圖層、圖元等基本概念，提供信息查詢、地理位置搜索、空間位置搜索、空間位置分析等數據分析能力，為上層應用構建出面向三維GIS的各類應用的基礎。

2.4數據層

數據層是系統的數據基礎，涵蓋了三維動態實時顯示所需要的多種數據，包括：三維建模數據和應用類數據。

三維建模數據包括：數字高程模型（DEM）數據、衛星影像（DOM）及航拍圖片數據。

應用類數據包括：地理信息數據（道路、行政區等）、各種防汛所需的水利行業數據，包括防洪工程數據庫、實時水雨情數據庫等。

3關鍵技術

3.1海量數據處理技術

河南省防汛三維電子沙盤系統的建設，以海量數據為基礎，

3.2三維場景展示技術

三維虛擬現實引擎是服務層的核心和基礎，它在以下方面為整個系統提供核心支撐。

保證系統在海量數據條件下的實時性和高效性。給系統提供以數據為驅動方式的運行機制，方便上層應用對用戶的需求進行快速反映。提供對操作系統、圖形API以及三維虛擬場景的各個方面的封裝和管理，大大縮短應用層開發周期。提供方便的糾錯與準確的診斷和監控，保證系統在長時間高負荷運轉條件下的穩定性，為系統提供各種接近真實的顯示效果。

為將來的技術發展方向提供強大的可擴展性和延伸性，以縮短系統升級周期。

此外引擎架構的設計充分追蹤和研究了國際最先進實時圖形學的發展趨勢，采用多層次、多子模塊設計，為將來幾年內的發展條件下，對引擎的擴充、升級提供了體系結構上的支持。

3.3分層展示技術

河南省防汛三維電子沙盤系統，要求展示豐富的基礎地理信息和防汛專題信息。為了達到更好展示效果，系統對這些信息進行分類和分級，可以從全省全景開始，層層推進，逐極展示；也可以從局部區域開始，在不同級別之間進行切換。

3.4自動切換技術

根據不同的視野范圍，不同比例尺的三維場景，展示的信息及內容不同，系統要求對不同場景（如流域瀏覽模式）之間能夠快速切換。

3.5自動飛行技術

為了便于展示全省的三維場景及水利工程分布，系統提供了自動飛行功能，可沿設定的路線以適合的角度和高度飛行，并具備適時調整俯視角和飛行高度等功能。

4功能設計

圖1　系統功能結構圖

4.1系統功能結構

系統功能結構圖如圖1。

4.2地理要素控制與分析

地理要素（圖層）控制，系統的數據從應用的角度劃分為多類用戶可以動態開啟、關閉的圖層。

基礎地理信息圖層：包括省、市、縣界，省市縣區域，市、鄉鎮、村莊等行政區劃圖層。

非水利行業的社會經濟數據圖層：各類公路、鐵路、管線等圖層。

水利行業數據圖層：各類水利工程及防汛抗旱相關的地理要素圖層，如河流、提防、水庫、各類監測站、視頻監控點等。根據用戶的選擇，來控制各圖層是否可見。

4.3地理信息搜索

支持各類圖層的模糊搜索，用戶輸入搜索關鍵字，展示搜索結果，并可以在結果列表界面內雙擊某條結果后自動定位到該地理要素。

4.4地理信息分析

提供坐標查詢、高程查詢、距離量算等地理信息分析功能。點擊“距離量算”，“距離量算”按鈕轉換為，可以測量電子沙盤的任意兩點的直線、折線距離。

4.5飛行路徑編輯及播放

提供飛行路徑和參數的編輯功能，路徑的標定可手動在地形上點選路徑，選擇整條河流或部分河流作為飛行路徑。飛行參數由用戶指定俯仰角、可視距離、飛行速度。實現按用戶定義的路徑及參數自動飛行，并可以暫停、拖動播放進度。

4.6實時水雨情、水利工程信息查詢

提供對水利工程的水雨情、工情查詢功能。在查詢模式時，用戶在三維場景內選定某個水利工程的地理要素后，即可彈出該工程的水雨情或水利工程信息詳細查詢結果。本系統同時集成了已有的視頻監控系統，可在三維沙盤內選定某視頻監控點的地理要素，直接彈出該監控點的視頻監控畫面。

5結語

河南省三維電子沙盤系統更真實地展示了全省水利工程的地形地貌，實現了系統與實時數據庫的互聯互通，可使防汛指揮部門及時掌握水、雨、工情信息，從而迅速科學地做出決策，及時實施科學合理的防洪搶險調度指揮，將洪澇災害損失降到最低限度。

（責任編輯：左英勇）

收稿日期：2015-11-14

作者簡介：薛紅勛（1982-），男，工程師，主要從事全省防汛工作。book=99,ebook=106包括DEM數據、遙感影像、基礎矢量超過100G。常規的數據處理主要采用文件方式組織和管理數據，不能高效地利用金字塔三維數據引擎，無法有效管理海量數據。本系統主要采用金字塔三維數據引擎技術，實現海量數據的存取與有效管理。金字塔三維數據引擎是多種海量數據處理技術的集合，主要包括：磁盤數據存儲技術、內存數據組織技術、數據動態裝載與卸載技術、紋理動態載入技術、復雜消隱技術、多分辨北數據表現技術，以及其它相關技術。

中圖分類號：TP391. 41; P426. 616

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8853(2016)01-0098-02