基于河道堤防工程管理中三維仿真技術和GIS技術結合的應用研究

劉 碩

(盤山縣農業水利事務服務中心，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

帶有隨機因素的復雜龐大的堤防工程管理系統一般難以用數學解析模型描述，對于復雜系統的研究分析現三維仿真技術得到越來越廣泛的應用，該技術為解決此類問題提供了一種直觀、有效的方法[1]。在遼寧省防洪保障體系中分蓄洪區、堤防工程發揮著不可替代的作用，河道的管理及工程維護、搶險救災物資分布、防汛搶險組織以及河段防洪規劃等均以堤防工程為根本依據。河道堤防工程管理信息系統的構建應覆蓋遼寧省分蓄洪區及堤防工程，并為堤防工程的建設管理、防汛決策等提供科學、全面的信息服務和技術支持。結合堤防管理實際需求和管理對象的空間分布特征，將三維仿真與GIS技術相融合建立信息系統，為實現管理目標提供科學的方法，為保證防洪工程的經濟、社會效益以及科學化管理水平的提升奠定基礎[2-3]。

1 三維仿真技術原理

1.1 系統結構設計

應用系統層、系統支撐和信息采集為構成信息系統的主要部分，其中系統應用層的各功能子系統主要有工險情會商支持、三維仿真、工險情監測、堤防工程檔案管理、涵閘調度視頻監控和工程運行管理；系統支撐層是可視化表達、開放的應用集成及資源共享的公共服務平臺，主要有GIS系統軟件、數據庫、服務平臺層和操作系統等組成，在支撐業務應用時發揮著關鍵作用；系統采集層主要包括工程日常運行管理、災情、工險情的數據處理及采集，通過有機集成分蓄洪區和各類堤防信息采集系統為應用支撐層提供數據來源，在系統建設過程中發揮著基礎性作用。

三維瀏覽部分和二維GIS部分為三維仿真子系統的主要構成，將業務和空間數據依據堤防工程管理實際需要集中管理、存儲，并且具有分布式計算屬性，而業務屬性或空間數據的編輯、查詢、瀏覽可通過登錄遠程客戶端來訪問，能夠滿足不同權限的用戶需求。二維GIS的應用主要通過工險情會商子系統實現，利用IMS平臺發布服務達到應用目的，系統結構如圖1所示。

1.2 三維仿真技術原理

集系統仿真和計算機可視化技術于一體的三維仿真技術，涉及系統、控制、信息、通訊、多媒體、計算機及相似原理等現代高科技技術。它是以基于計算機虛擬技術和各種物理效應設備，為用戶創造一種能夠真實感受現場環境的平臺，由此實現環境與用戶的自然交互。該技術在大中型高精密儀器，如輪船、飛機、核電站、宇宙飛船等操作者的仿真訓練中均得到廣泛的應用，同時為水電施工的分析、演示、模擬、設計和規劃等提供一種有效的方法。

圖1 三維仿真系統結構

2 數據組織

2.1 數據分類

水雨情、基礎工情、元、堤防業務、空間地理和社會經濟等數據為系統主要內容，具體如下：

1)專題地理信息和基礎數據為空間地理數據的兩大類型，其中基礎地理信息數據主要包括全省5萬DEM數據、25萬矢量數據、25.0m分辨率衛星影像數據；堤防沿岸1萬DEM數據、沿線1萬矢量數據、分蓄洪區5萬矢量數據、0.5m分辨率高清晰航拍片數據。專題地理信息數據主要有跨河工程、河流、水庫、湖泊、控制站、水位站等水利工程數據；蓄滯洪區、安全區、主要橋梁、轉移道路、安全太、口門、躲水樓等附屬設施及分蓄洪區數據；采砂區、圩垸、防浪林、穿堤建筑物、管理單位、水閘、碼頭、防汛倉庫、視頻監控點、險點險段、樁號、堤防等堤防工程數據，等等。

2)基礎工情數據主要包括多媒體、文檔、表格型等與基礎空間信息相關的數據，而對于描述地理定位部分的屬性數據并不產生直接的影響作用。

3)社會經濟數據為防護區內公眾設施與大型工業企業分布情況、社會總產值、耕地與土地面積、各行政區人口等數據。

4)堤防業務數據有分蓄洪區與堤防工程建設管理數據、視頻監視和險情數據等。

5)場次洪水和實時水雨情歷史數據為水雨情數據主要內容。

2.2 數據庫設計

通過概括和分析相關數據，將數據庫劃分為社會經濟、基礎工情和空間地理等信息，以及既相互關聯又相互獨立的水文、元、三維模型、堤防業務等子數據庫。

空間地理信息數據庫是組成系統底圖和定位空間位置的核心，而基礎數據庫和專題地理信息為構成該系統的基本內容，主要用于存儲各種精度的基礎地理信息、堤防工程、水庫大壩、河流等數據的。

依據實際需要和相關的地理數據，生成的水文數據庫、堤防業務、基礎工情信息等數據，其比例尺、坐標系統英語基礎底圖保持對應關系。所有水利工程的三維模型存儲于三維模型數據庫，通過對這些模型的調用可實時展現系統運行的場景。

針對以上數據子庫的描述、輔助數據的分發和管理主要是通過元數據庫的運算實現，其邏輯結構如圖2所示。

圖2 數據庫邏輯關系圖

3 平臺選型與功能設計

3.1 平臺的選型

選用Oracle 10g軟件作為系統的數據管理平臺，根據系統實際需求和綜合比選結果，由于系統中飛行線路彎曲、地物種類較多、地形復雜且地形地理數據量龐大，還要較好的共享和融合二、三維系統數據。從性價比的角度分析，該系統實施的二、三維平臺選用AacGIS軟件，二維、三維數據的管理及配置分別選用ArcMap和ArcGlobe軟件，二維、三維功能運行環境為三維擴散模塊以及ArcEngine、ArcIMS模塊。

目前，針對系統的設計與分析應用最為廣泛的技術為面向對象的方法，UML是一種表達方便、功能極其強大、具有較好適用性以及良好建模語言的軟件，其主要功能可實現面向對象以及開發全過程的設計分析。面向對象為系統運行的基本方法，UML建模工具采用Rational Rose軟件。

3.2 功能設計

仿真子系統主要包括如下6方面功能，即：

1)場景控制，實現繞點旋轉、模式切換、鷹眼圖、漫游、縮小、放大、圖層控制等通用GIS的基本功能。

2)提供數據坐標、精準的查找位置、地名以及工程要素等，對工程相關信息進行預覽和搜索。

3)信息查詢。對各類工程按照行政區劃以目錄的方式羅列，也可將工程按照代碼、工程名稱或樁號等信息檢索，瀏覽搜索結構的詳細工情信息以及二、三維場景的空間定位，達到雙向查詢屬性和圖形的目標。

4)路線飛行，飛行模式主要有自繪、選擇和預定義3種。預定義路線是在3D文件正配置預先創建好的路線，根據工程實際狀況隨時調整飛行的告訴、速度和角度等，且具有解說飛行過程和播放多媒體文件的功能；自繪和選擇路線是指在三維場景中用戶繪制1條飛行路線會選擇1個線狀要素飛行。

5)書簽管理，通過快速定位二維、三維視圖的書簽，為用戶視點跳轉提供方便。當前視圖的視點即為書簽，能夠實現對書簽的修改、刪除、被創建等操作處理。

6)決策和輔助分析，主要設計視頻實施瀏覽、距離量算、水位模擬變化、水文預警、面積量算、三維場景的斷面分析以及二維的緩沖區分析等。

GIS技術在工險情會商等子系統中的主要功能為雙向查詢屬性和圖形，瀏覽業務信息、二維場景詳細工情、空間定位等。

4 三維實體建模及實現技術

4.1 實體建模

實現整個虛擬場景建立的重要基礎為三維仿真子系統中實體模型的構建，模型的建立主要分為樁號、水文站、涵閘等其它實體和地形建模工作。系統運行的速度、虛擬場景可視化效果與這些模型建立的合適與否直接相關。計算機圖形學為三維仿真最基本的圖像顯示底層技術，涉及許多專業知識和基礎算法。為簡化大中型圖像開發各種圖形接口應運而生，為不同硬件和軟件的開發創造了獨立統一的接口。根據水利工程基本特征，對所有點狀堤防管理工程利用3DMax、MultiGen Creator等工具建立模型，針對部分特殊模型還需要對真實紋理進行現場拍攝。建立外部模型后，要設定專門的計算程度編輯處理模型的相關屬性，主要有模型大小、工程代碼、模型坐標等內容，在場景中人工處理所有模型，從而構建水利工程三維模型數據庫。

4.2 關鍵技術

針對遼河流域整個堤防的河道場景通過仿真子系統管理和表征，可交互的動態化數字平臺主要包括高精度數字高程模型10G、高清晰影響模型200G和數量巨大種類繁多的其他模型7000多個，能夠形象、直觀的描述堤防工程現狀。通過數據緩存和數據預處理實現對場景海量數據的動態載入、大場景無縫拼接顯示以及科學有效管理。

在生成DEM過程中，受技術條件、建模環境和各種誤差等因素限制，在河道堤防三維建模分析時生成的DEM無法滿足精度要求，從而導致河道堤防場景模擬中存在鋸齒狀現象，部分河段堤防坑坑洼洼，對可視化效果造成極大的不利影響。所以，在不改變堤防整體地形的條件下，編制程序需要接邊處理不同格網間距的DEM和平滑處理呈鋸齒狀的DEM數據。另外，在場景文件配置過程中需要適當的設置各個圖層參數，數據緩沖利用ArcGlobe軟件實現。

5 結 論

以專題數據和水利工程基礎數據為依據，以堤防工程為核心，根據數據庫、虛擬現實、地理信息等現代化技術，構造堤防工程項目可視化、堤防動態交互瀏覽和堤防虛擬現實的信息系統。在二維、三維窗口中可實現各類信息的靈活展現和查詢；通過計算分析、工程模擬、統計等實現堤防工程水位漲落演練，結合可視化輔助平臺為堤防工程的管理規劃、深入研究以及科學評價提供一定參考。在未來的建設、維護過程中，經擴展至全省堤防管理的各個方面。