防洪推演三維可視化關鍵技術研究

顏吳君

（南通賽維測繪有限公司，江蘇 南通 226100）

1 引言

防洪調度與推演[1]是一門依據洪水規律和災情特點，研究并采取各種對策和措施，預防或減輕洪澇災害損失的科學。它涉及水利工程、地理環境、社會經濟、氣象等多方面因素，信息量大，突發情況多，對信息的處理和響應速度要求較高。當前，人們在洪水推演模擬、洪澇災害評估、防洪決策支持等方面的研究取得了豐碩成果，研制開發了大量應用系統。但是，大多研究成果和系統由于平臺的局限性，均難以在三維空間上實現異構、多源、多維數據的無縫融合與共享，對各類水利模型計算成果的表達難以達到直觀、立體、形象的動態效果，因此，無法給管理者和決策者提供綜合、直接的判斷依據[2]。

傳統的二維地理信息系統（2DGIS）[3]已深入應用于防洪調度的各類業務，如洪水演進模擬、防洪調度信息管理等。然而，二維GIS 存在難以克服的缺陷，其可視化效果僅局限于平面效果，不能形象和直觀展現防洪調度現場的情況，也無法充分利用三維空間的3D信息對洪水風險進行快速分析和計算[4]。更重要的是，在三維空間上，利用1D/2D 的計算成果+ 3D 的技術進行快速計算，避免直接采用3D 進行數學計算時因時間、水流邊界和初始條件等復雜性造成的耗時長、計算精度無法保證等問題[5]。

針對上述問題，本次研究從防洪調度管理實際出發，以三維可視化技術為要點，以長江防洪調度及可視化為應用點，綜合運用三維地理信息系統技術（3DGIS）、三維建模技術、虛擬現實技術、數據倉庫技術、組件技術等先進信息技術，建設以三峽為核心的水庫群投運后防洪形勢展示系統，在三維交互式的環境中直觀展現長江流域地形地貌、水系等基礎地理信息與重點水利工程、水雨情等水利專題信息，并通過開發的多個互動演示功能模塊來展現長江防洪體系的歷史、現狀與未來發展，對每場次洪水進行基于3D信息上的淹沒災害統計，切實增強長江流域洪水應急反應能力，提高風險管理水平。

系統能真實表現防洪調度與推演三維景觀，同時為防洪調度與推演相關模型，如洪水演進模型，提供接口，在三維場景下形象、生動地表現模型計算結果。基于3DGIS 平臺，以水文信息和地理信息為依據，以空間數據和屬性數據為基礎，集數據管理、分析、表達于一體，實現圖、文、表一體化管理，在三維可視化條件下提供災害統計分析、調度推演方案展示等，因此，本次研究不僅僅解決“看得見”的問題，更重要的是解決“快速”估算洪水風險，同時給出更多直觀、立體的展示效果，為防洪調度推演決策提供支撐，增強決策的科學性和預見性。

2 關鍵技術研究

防洪推演三維可視化系統以多源異構信息的無縫集成及動態模擬的三維可視化為研究目標，綜合運用3DGIS 和虛擬現實、網絡剖分等技術[6]，實現防洪推演過程中多元信息的整合與統一管理、1D 洪水演進模擬成果的三維可視化，不僅為防洪調度工作中各類信息的綜合管理和數據挖掘提供集成平臺，也能夠在洪水演進模型的支持下，動態展示三維場景、洪水淹沒過程和退水過程，為防洪調度指揮決策提供生動、形象的三維數字化虛擬環境，為制訂防洪調度方案、移民方案、撤離方案提供科學依據。

三維可視化的關鍵技術包括以下幾點：

（ 1）洪水推演模型接口

運用三維GIS 和模型集成技術、網絡剖分技術和組件技術等，開發三維GIS 平臺與洪水演進模型的接口[7]，將不同洪水推演方案下的演進模型計算結果，如水流方向、水流速度、水深等進行渲染，同時運用三維動畫技術將潰堤過程、開閘放水過程動態逼真展現在三維場景中，最終在地形數據基礎上形成洪水的動態演進過程，實現三維GIS 平臺洪水推演模型的無縫集成。

（ 2）防洪推演海量空間數據的無縫集成

采用三維GIS 技術和數據倉庫技術，通過開發空間數據和信息整合、組織管理、空間信息智能處理、空間信息在線分析處理等各種應用構件，建設空間信息一體化處理與管理平臺[8]，實現對防洪推演業務中各類空間信息和屬性信息的統一管理。

（ 3）基于三維可視化的防洪推演決策支持

系統提供防洪推演決策支持功能，主要包括淹沒損失估算、典型洪水推演等[9]。

淹沒損失估算是根據洪水演進模型計算得到的淹沒區域，或者給定某一水位標高，由系統自動獲得淹沒范圍，在獲得淹沒范圍后，系統利用空間拓撲分析功能，結合數據庫中的社會經濟等信息，給出淹沒區內各種損失類型，并對經濟損失總量進行估計。

3 防洪推演三維可視化系統體系架構

防洪推演三維可視化體系結構如圖1所示。

圖1 系統體系架構

規范標準體系主要包括信息系統開發、測繪數據采集相關的國家、行業標準規范，以及項目建設的信息化導則等。

軟硬件保障環境主要包括網絡支撐平臺、主機及存儲設備、顯示設備、軟硬件運行環境等，為系統正常運行提供軟硬件保障。

用戶層主要包括三峽集團公司管理部門、長江防洪主管部門等。

業務應用層包括基本應用與交互式演示應用功能兩部分內容。其中，基本應用涵蓋基礎信息查詢、水雨情展示、視頻監控及交互、三維全景展示；交互式演示應用包括長江流域概況、長江洪水與洪災、防洪工程體系、長江防洪調度。

服務層為防洪形勢展示系統提供數據處理及標準化服務管理等，包括數據共享服務、數據接入服務、三維地理信息服務，是開發建設防洪形勢展示系統各項應用的重要技術支撐。數據接入服務由于涉及相關部委的專業水利信息系統對接，需要專門定制開發對應交換模塊及數據模型。

數據資源層主要包括三維模型數據庫、水利專題數據庫、三峽庫區專題數據庫、基礎地理要素數據庫、三維地形數據庫、數字高程數據庫、業務管理數據庫、正射影像數據庫等。

4 防洪推演三維可視化系統功能框架

系統提供全面而強大的應用功能，服務器端為數據庫服務器，提供客戶端應用程序所需全部數據。平臺與數據存儲之間采用服務的方式進行連接。系統功能框架如圖2 所示。

圖2 系統功能框架

系統的功能框架采用三層結構，數據存儲、服務發布與功能應用。數據存儲層用于管理三維模型數據、地形高程數據、正射影像數據與水雨情數據等；服務發布層用于管理地圖的基礎瓦片服務、地形瓦片服務、3DTiles 模型服務、水雨情服務等；系統功能應用層側重于對防洪推演等專題功能的集成，包括三維場景瀏覽、防洪信息管理、典型洪水推演、淹沒損失估算、三維交互展示等。

4.1 三維場景瀏覽

三維場景瀏覽以三維模型數據、基礎地理要素數據、三維地形數據、數字高程模型數據、數字正射影像數據為主要數據源構建三維場景，用戶可以在場景中進行自由瀏覽與漫游操作，如圖3 所示。

圖3 三維場景瀏覽

4.2 防洪信息管理

防洪信息管理完成與防洪相關的專題數據管理與查詢功能，包括：支持模糊查詢和拼音查詢的全要素搜索定位、重點水利工程基本信息查詢與展示、防洪重點區測站基本信息查詢與展示、防洪重點區河流基本信息查詢與展示、水雨情信息查詢與展示、雨情等值面展示等，如圖4 所示。

圖4 防洪信息管理

4.3 洪水調度模擬

對洪水進行調度模擬主要通過系統典型洪水推演功能完成，選取1954 年和1998 年典型洪水，對洪水通過上游水庫群和三峽水庫進行調度，對庫區及長江中下游的洪水演進進行模擬，實現典型洪水推演涉及防洪對象的展示和過程再現。宏觀方面包括 主要降雨干流、宜昌洪水組成、洞庭四水組成、水庫概況、蓄滯洪區概況等 ；中觀方面包括長江干流河道、蓄滯洪區、洞庭湖的淹沒分析表達；微觀方面包括三峽庫區水位漲落、庫區淹沒等表達，如圖5 所示。

圖5 典型洪水推演

4.4 淹沒損失估算

本研究洪災淹沒損失估算以三峽庫區移民調查數據為基礎，對不同淹沒水位線情況下的損失狀況進行統計，在三維中直觀了解洪水淹沒過程和淹沒范圍，同時以圖表方式展示淹沒及損失指標，如圖6 所示。

圖6 淹沒損失估算

4.5 3DGIS +水利結合的數字沙盤展示

通過3DGIS +水利的結合，提出可對各種場景進行展示的數字沙盤，在實時調度中任意提取歷史場景進行對比分析[10]。在長江流域防洪調度與可視化中，采用這套技術完成長江防洪與治理的一鍵式數字模擬，包括長江流域概況、長江洪水與洪災、長江防洪工程體系、長江洪水調度、防洪薄弱環節等，如圖7 所示。

圖7 3DGIS+水利的數字模擬

5 結論

通過集成三維可視化等多項先進信息技術建設防洪推演三維可視化系統，真實再現防洪推演區域的三維場景，并基于三維場景實現防洪推演信息的綜合管理。此外，還可通過人機交互制定各種防洪調度方案、淹沒損失等，為防洪調度與推演決策提供強有力的支持。概括起來，基于3DGIS 防洪推演三維可視化具有以下技術特點：

（ 1）三維地理信息系統平臺與水利專業模型的無縫結合應用。系統通過提供與洪水推演、淹沒損失估算等水利專業模型的接口，可以將各類水利專業模型的計算結果實時、動態地表現在三維場景，達到形象、直觀、真實的表現效果，實現三維GIS 與水利專業模型的無縫集成。（ 2）三維可視化技術應用提高了管理效率。系統以三維可視化技術為支撐，利用數據庫管理技術和高級編程語言，以空間數據和屬性數據為基礎，集數據管理、分析、表達于一體，實現了圖、文、表一體化。 （ 3）三維可視化條件下的防洪推演決策支持。系統可以在三維可視化條件下進行災情評估，并通過人機進行防洪推演展示，在三維可視化條件下為防洪調度推演決策提供支持，增強了決策的科學性和預見性。

應用結果表明，三維可視化先進、實用、可靠，對防洪推演和調度管理水平的提高有極大的促進作用，符合防洪推演和計算機技術的發展趨勢，具有良好的應用前景，可廣泛應用于防洪調度業務。