流域防洪場景可視化仿真優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

摘要：為滿足流域防洪可視化仿真需求，提出了適用于不同尺度下防洪要素表達(dá)及其性能優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)。研究了如何構(gòu)建大范圍的輕量化三維仿真場景，針對宏觀、中觀、微觀多尺度下的不同水系關(guān)鍵要素，提出相應(yīng)的表達(dá)方式與性能優(yōu)化技術(shù)思路，如宏觀下流域海量水系矢量表達(dá)內(nèi)存優(yōu)化技術(shù)，中微觀場景下集成一維與二維水文水動(dòng)力學(xué)模型成果的仿真技術(shù)，探索了虛擬仿真VR設(shè)備與防洪場景的同步聯(lián)動(dòng)。通過以上方式實(shí)現(xiàn)流域場景下防洪成果的一體化仿真呈現(xiàn)，有助于在防洪工作中快速獲得準(zhǔn)確直觀的決策輔助信息。

關(guān)鍵詞：流域防洪； 可視化仿真； 防洪要素； 數(shù)字孿生

中圖法分類號：P208""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.019

文章編號：1006-0081（2024）08-0118-06

0 引 言

長江上游干支流近些年建成并投入運(yùn)行的水庫、水電站不斷增多，流域梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度難度也愈來愈大［1］。近年來，國家大力發(fā)展數(shù)字孿生業(yè)務(wù)，水利部先后出臺了《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)》《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》等系列文件。國內(nèi)各機(jī)構(gòu)也先后嘗試并推出不同尺度層級下的孿生系統(tǒng)。GIS平臺因可承載城市級的多源數(shù)據(jù)，已成為三維仿真的主要平臺。例如，胡軍等［2］基于GIS和虛擬仿真技術(shù)建立了丹江口水庫大壩和水庫庫區(qū)三維虛擬仿真系統(tǒng)。為了更好地服務(wù)于防洪工作，對流域防洪仿真平臺的要求也隨之提高。目前，流域防洪場景范圍更加廣闊，主題視角尺度層級更加多樣，更加需要一個(gè)在流域范圍內(nèi)可以一體化呈現(xiàn)宏微觀下防洪成果的三維仿真引擎。流域防洪仿真引擎應(yīng)具備全流域數(shù)據(jù)加載、場景管理、仿真建模、空間分析、仿真計(jì)算、三維渲染、特效處理、模型輕量化等服務(wù)能力，主要技術(shù)路線為采用地理空間數(shù)據(jù)構(gòu)建流域范圍的三維數(shù)字底板，以防洪數(shù)學(xué)模型為核心，采用可視化合適的仿真模型，對物理流域全要素和防洪治理管理活動(dòng)全過程進(jìn)行仿真表達(dá)、虛實(shí)交互，最終結(jié)合業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)對物理流域的防洪調(diào)度仿真。

隨著防洪模型算力、算法、數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化，流域防洪的模擬仿真表達(dá)的素材也日益豐富。在面對流域級海量數(shù)據(jù)時(shí)，性能優(yōu)化是不得不考慮的問題。本文介紹了基于webGIS平臺搭建三維仿真平臺的性能優(yōu)化技術(shù)，提出從流域范圍的三維基礎(chǔ)場景搭建、水利要素簡化表達(dá)、防洪模型成果仿真等構(gòu)建流域防洪主題仿真引擎關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)包含基于多細(xì)節(jié)層次技術(shù)（level of detail，LOD）的流域場景內(nèi)數(shù)據(jù)輕量化與水資源各要素及模型的融合技術(shù)，通過道格拉斯-普克算法水動(dòng)力模型成果簡化仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在流域范圍下宏觀、中觀與微觀不同管理主題場景的防洪要素一體化表達(dá)。基于上述技術(shù)的流域防洪引擎，有助于增強(qiáng)流域防洪模擬的直觀性，從而更加科學(xué)地輔助流域級防洪管理決策。

1 三維數(shù)字底板構(gòu)建與輕量化技術(shù)

相較于單點(diǎn)防洪工程場景，流域級防洪場景仿真的流域管理主題需求更加復(fù)雜多樣。流域防洪數(shù)字底板由宏觀、中觀、微觀尺度的大量信息與模型構(gòu)成，包含海量的地形、影像及施工設(shè)施、建筑物、植被等三維實(shí)體。在此基礎(chǔ)上疊加防洪業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)成果，故搭建一個(gè)承載大量防洪要素的三維數(shù)字底板成為流域防洪仿真的首要任務(wù)。構(gòu)建流域三維數(shù)字底板核心問題包含對海量數(shù)據(jù)的一體化管理和對多學(xué)科專業(yè)模型的集成應(yīng)用等［3］，且流域范圍的防洪場景中龐大的數(shù)據(jù)量與逼真的互動(dòng)顯示需求可能造成顯示速度慢，并且不能直接加載到頭顯中去，使得項(xiàng)目對計(jì)算機(jī)性能要求較高。為了解決這個(gè)問題，使用三維地理信息系統(tǒng)（3DGIS）技術(shù)，對整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述。3DGIS構(gòu)建的數(shù)字底板首先采用基于DEM與影像的建模方式搭建基礎(chǔ)三維多尺度基礎(chǔ)場景，適用于流域級這類范圍大卻精細(xì)需求高的應(yīng)用場景［4］。這種將影像與高程格網(wǎng)進(jìn)行疊加生成的地形三維場景，可以任意漫游且?guī)в姓鎸?shí)的地理坐標(biāo)。隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，該建模方式可以大批量地快速制作DEM，適用于項(xiàng)目中針對流域級別管理的大范圍地形景觀。

3DGIS構(gòu)建的三維場景輕量化技術(shù)采用多細(xì)節(jié)層次技術(shù)（LOD），即地形場景與模型采用多分辨率四叉樹模型，是減少圖形畫面的復(fù)雜度與渲染數(shù)據(jù)輕量化常用技術(shù)之一［5］。多分辨率四叉樹模型是將同一塊地形或影像數(shù)據(jù)按照不同分辨率進(jìn)行分割存儲(chǔ)管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，分割前后地形數(shù)據(jù)分辨率呈倍數(shù)遞增關(guān)系，即分割后地形數(shù)據(jù)的網(wǎng)格間距是分割前網(wǎng)格間距的1／2，組織方式如圖1所示。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)組織方式，三維引擎在仿真調(diào)度時(shí)可根據(jù)觀看視角進(jìn)行“遠(yuǎn)粗近細(xì)”調(diào)度與剔除，即當(dāng)前實(shí)時(shí)視距的變化將超出可視距離的瓦片數(shù)據(jù)從場景中卸載掉，同時(shí)將符合條件的PageLOD對應(yīng)渲染范圍內(nèi)相匹配精度的瓦片數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)加載并添加到場景視圖中，保證仿真視口內(nèi)只渲染少量必要數(shù)據(jù)。通過LOD技術(shù)優(yōu)化場景調(diào)度后，防洪數(shù)字底板可以依照業(yè)務(wù)需求劃分為L1，L2，L3。L1級數(shù)據(jù)底板覆蓋全國，L2級數(shù)據(jù)底板覆蓋流域和重點(diǎn)區(qū)域，重點(diǎn)水利工程建成L3級數(shù)據(jù)底板。構(gòu)建完整的流域防洪數(shù)字底板既能滿足流域管理中大范圍的場景應(yīng)用，又能滿足部分水工細(xì)節(jié)的查看管理。

2 流域多尺度防洪仿真優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 宏觀流域要素仿真優(yōu)化

在流域宏觀層面，特大洪水的調(diào)度場景涉及流域雨情、水情態(tài)勢、洪水組成、重要水庫和測站信息等多元要素，還包含海量的河流、道路、行政區(qū)劃界限等數(shù)據(jù)［6］。在宏觀視角下，這些數(shù)據(jù)均以點(diǎn)線面符號化矢量進(jìn)行表達(dá)，為了數(shù)據(jù)精度和所需渲染內(nèi)存達(dá)到平衡，對矢量數(shù)據(jù)分層顯示進(jìn)行性能優(yōu)化。以長江流域的河流為例，首先根據(jù)河流的平均流量、長度等信息，將長江干流以及各支流劃分顯示等級（圖2～3），當(dāng)視角較高時(shí)，顯示長江干流與主要支流，當(dāng)視角推進(jìn)時(shí)，顯示更加細(xì)小的支流。

由于流域范圍過大，即便對流域防洪場景矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分級顯示，待展示與仿真的數(shù)據(jù)量依舊龐大，亟須進(jìn)一步優(yōu)化表達(dá)。因此，仍需對更加宏觀視角下的河流矢量進(jìn)一步壓縮，根據(jù)視點(diǎn)距離展示不同壓縮率的河流。目前國內(nèi)外常見的曲線壓縮方法有間隔取點(diǎn)法、角度限值法、光柵法、垂距限值法、道格拉斯-普克法等。其中，最為經(jīng)典的道格拉斯-普克算法（圖4）對每一條曲線的首末點(diǎn)（p1，p9）虛連一條直線，求所有點(diǎn)與直線的距離，并找出最大距離值dmax，比較dmax與限差D：若dmaxlt;D，這條曲線上的中間點(diǎn)全部舍去;若dmax≥D，保留dmax對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，并以該點(diǎn)為界，把曲線分為兩部分，對這兩部分重復(fù)使用該方法［7］。

在仿真調(diào)度過程中，通過不同視角距離，控制不同級別河流的顯示與卸載，以及同一河流不同精度的渲染，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精度和所需渲染內(nèi)存達(dá)到平衡狀態(tài)。

基于上述矢量簡化技術(shù)，通過對河道水位分層著色（圖5），宏觀視角下可以使用壓縮后的河道曲線快速表達(dá)流域的一維水動(dòng)力模型成果，展現(xiàn)河道洪水演進(jìn)過程。同時(shí)，進(jìn)一步結(jié)合圖標(biāo)閃爍、要素高亮、重點(diǎn)信息標(biāo)注等形式呈現(xiàn)概況，實(shí)現(xiàn)流域洪水在宏觀仿真視角下防洪工程體系建設(shè)條件下防洪推演過程的情景再現(xiàn)。結(jié)合流域降雨量變化、干支流水位流量演變、控制性水庫與蓄滯洪區(qū)運(yùn)用情況、防洪庫容剩余情況變化等多粒度信息，宏觀地展示洪水的發(fā)生、發(fā)展、控制與消退的全過程［8］。

2.2 中觀淹沒仿真優(yōu)化

在流域水資源管理的中觀層面，往往涉及流域部分河道預(yù)警演示、蓄滯洪區(qū)分洪的淹沒仿真等效果。MIKE21作為水文專業(yè)計(jì)算的常用軟件［9］，流域防洪推演建立在MIKE21二維水動(dòng)力模型計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，故對MIKE21二維水動(dòng)力成果進(jìn)行可視化是流域防洪仿真的重要任務(wù)之一。

首先將數(shù)字地形和MIKE21水動(dòng)力模型相結(jié)合，在MIKE21計(jì)算結(jié)果中提取出不同時(shí)刻的淹沒范圍非結(jié)構(gòu)化不規(guī)則的三角形網(wǎng)格dfsu格式文件，并將dfsu格式文件轉(zhuǎn)換成dfs2文件，再轉(zhuǎn)換成GIS的通用shp格式的網(wǎng)格文件，生成虛擬洪水水面（圖6）。其次將dfsu文件包含的不同時(shí)段各個(gè)節(jié)點(diǎn)的m方向流速、n方向流速、流向、水位以及水深等要素導(dǎo)入相應(yīng)屬性數(shù)據(jù)庫。并在某一特定時(shí)刻，通過{網(wǎng)格ID，水深（m）;……；網(wǎng)格ID，水深（m）;}序列的形式描述當(dāng)前格網(wǎng)的變化值［10］。然后對其中的每一個(gè)格網(wǎng)進(jìn)行編號，外聯(lián)到洪水計(jì)算的淹沒成果表。每一個(gè)時(shí)刻，可對三角格網(wǎng)采用水波紋、顏色和相對高程手段動(dòng)態(tài)仿真出當(dāng)前時(shí)刻的淹沒水深值情況。當(dāng)模型成果格網(wǎng)數(shù)量較大時(shí)，通過將渲染網(wǎng)格柵格化，利用canvans渲染以降低內(nèi)存消耗優(yōu)化前端渲染效率。并以時(shí)間軸為驅(qū)動(dòng)，將淹沒仿真映射至對應(yīng)的三維場景中，動(dòng)態(tài)展示洪水淹沒狀態(tài)（圖7），并在播放過程中提供數(shù)據(jù)庫屬性的實(shí)時(shí)信息查詢服務(wù)，實(shí)現(xiàn)洪水淹沒范圍查詢、淹沒水深查詢及淹沒時(shí)刻查詢，完成整個(gè)洪水淹沒仿真不同流程。

2.3 河湖水面動(dòng)態(tài)仿真優(yōu)化

微觀上，水面仿真是水資源管理仿真的重要內(nèi)容，水的色度、渾濁度可以反映水質(zhì)、含沙量等信息，水波可以反映天氣風(fēng)力、水位流量的大小。在以往的研究中，由于缺少準(zhǔn)確的河流流速數(shù)據(jù)，大部分的流域模擬系統(tǒng)對河流水體的模擬缺乏細(xì)節(jié)表現(xiàn)，很少能表現(xiàn)河流的水流流速分布特征（流速大小，橫流、渦流等流態(tài)特征）和水流變化情況。

為解決傳統(tǒng)水面表達(dá)方法在一定程度上存在交互性差、可視性不強(qiáng)、難以表達(dá)河流水質(zhì)的變化規(guī)律等缺陷，同時(shí)為了盡量降低流域大范圍水面模型文件大小。本文采用法線貼圖normalMap算法，即采用圖8的法線貼圖與圖9的波浪貼圖進(jìn)行紋理仿真，在特定位置上應(yīng)用光源，可以讓細(xì)節(jié)程度較低的表面生成細(xì)節(jié)程度高的精確光照方向和反射效果。而法線貼圖主要是通過紋理RGB顏色通道來標(biāo)記法線的方向，波浪貼圖則通過像素灰度值表示了水面的高低深度。

法線貼圖normalMap算法通過兩圖相鄰像素之間的差異來微調(diào)法向量，改變光照方程的法線來模擬波動(dòng)效果的假象，仿真出水波的效果。該方法在不增加幾何體復(fù)雜度的前提下，提升了表面渲染的細(xì)節(jié)，計(jì)算量比較小。該構(gòu)造方法是使用數(shù)學(xué)函數(shù)構(gòu)建波浪的形狀，實(shí)現(xiàn)簡單，波形容易控制，但是波形比較規(guī)整，以較小的性能代價(jià)來達(dá)到逼真的效果。同時(shí)結(jié)合水的水位高度、顏色、透明度等屬性，可對不同水質(zhì)的特性進(jìn)行仿真表達(dá)（圖10）。即便渲染硬件有限，也能顯著提高流域級大范圍水面數(shù)據(jù)的可視性和交互性，增強(qiáng)研究者的參與感。

3 虛擬設(shè)備集成與應(yīng)用

流域防洪仿真場景在VR設(shè)備上的運(yùn)行效果能夠較好地反映仿真性能的優(yōu)化效果。本文選擇HTC-VIVE設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備與常見VR設(shè)備一致，可將流域防洪場景搭建的虛擬三維GIS場景通過3DVR云渲染平臺，利用5G網(wǎng)絡(luò)將VR內(nèi)容以視頻流的方式快速傳輸?shù)皆O(shè)備終端以投射到VR頭顯的眼鏡上?？赏ㄟ^佩戴VR感知設(shè)備，進(jìn)入虛擬防洪仿真場景，獲得沉浸式體驗(yàn)。系統(tǒng)采用共線方程，將GIS服務(wù)器端的視角場景空間坐標(biāo)映射到鏡片的屏幕二維坐標(biāo)。通過VR頭顯設(shè)備的慣導(dǎo)裝置獲取人眼（設(shè)備）姿態(tài)外方位元素ψ，ω，κ或旋轉(zhuǎn)矩陣Rγ，其中透視投影矩陣Rp與鏡頭的畸變參數(shù)（或內(nèi)參數(shù)矩陣Ri）一般由廠家提供［11］。轉(zhuǎn)換公式可簡化為P′（x，y）=P（X，Y，Z）·R-1γ·Ri·Rp。

因?yàn)镠TCVIVE眼鏡自身的計(jì)算能力和內(nèi)存的限制，無法一次性將全部流域數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中渲染。因此，在接入VR頭顯時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化了LOD調(diào)度方式，即每幀計(jì)算和加載當(dāng)前視野可見的子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并卸載已經(jīng)不在當(dāng)前視野內(nèi)的子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，還需要設(shè)置一個(gè)總體加載閾值。如果當(dāng)前已經(jīng)加載的點(diǎn)數(shù)據(jù)超過了該閾值，則自動(dòng)屏蔽所有其他的子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，不再載入新的數(shù)據(jù)。優(yōu)化后的調(diào)度，HTCVIVE平臺的渲染速度已經(jīng)可以滿足流域大范圍防洪仿真需求。

在帶寬充足的情況下，基于GIS創(chuàng)建的基礎(chǔ)虛擬三維場景，接入頭顯產(chǎn)品HTC-VIVE后，可以映射出防洪場景要素。使用硬件的陀螺儀（重力感性）來控制三維場景漫游以及視角的轉(zhuǎn)變，并可以通過縮放、移動(dòng)等操作，多角度地觀察不同區(qū)域細(xì)節(jié)，并且整體操作流暢、無延遲感，完成VR-GIS在流域管理中的輔助應(yīng)用。

4 結(jié) 語

本文介紹的全流域數(shù)字底座構(gòu)建方法與場景中宏觀、中觀、微觀視角多尺度下重要防洪要素的表達(dá)優(yōu)化技術(shù)，可以完整地調(diào)度全流域防洪要素信息，為防洪調(diào)度工作提供更加快捷與多元的信息依據(jù)。通過以上技術(shù)構(gòu)建的流域防洪場景不僅可以更加直觀、生動(dòng)和形象地表達(dá)流域管理調(diào)度結(jié)果，還能夠提高數(shù)據(jù)時(shí)效性，減少人工成本，增強(qiáng)管理的智能性，從而輔助管理決策，為進(jìn)一步提高流域管理智能化探索更多可能。低耗的流域防洪場景在虛擬設(shè)備上流暢運(yùn)行，也能讓人們通過虛擬環(huán)境動(dòng)態(tài)的交互方式在流域防洪管理中獲得更多樣的使用體驗(yàn)。

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編輯：江 文

Key technology of visualization simulation and optimization of flood control scene in river basin

LIU Jia1，2，GAN Yong1，2，3，QIAO Yanjun1，2，3，YI Chongzheng4，ZHANG Zhixin1，2，3

（1.Network and Information Center，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；

2.Center of Technology Innovation for Digital Enablement of River Basin Management，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；

3.Smart Changjiang Innovation Team of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；

4.Changjiang Spatial Information Technology Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to meet the simulation requirements for flood control within a watershed，key technologies applicable to how to express flood control elements at different levels have been proposed. We analyzed how to construct a lightweight 3D simulation scene for a large-scale watershed level. We propose different representations and technical ideas for key elements of the water system at multiple scales，including macro，meso and micro，such as memory optimization technology for vector expression of massive water systems in watersheds at the macro level，simulation technology for integrating one-dimensional and two-dimensional hydrological and hydrodynamic model results in meso and micro scenarios. We explored further synchronous linkage of flood control scenarios using virtual simulation VR devices. By combining the above methods，the presentation of integrated simulation of flood control results in watershed scenarios were realized. The research results were helpful to obtain accurate and intuitive decision aid information quickly in flood control work.

Key words：

river basin flood control； visual simulation； flood control elements； digital twin

作者簡介：柳 嘉，女，工程師，碩士，主要從事數(shù)字孿生、三維仿真方面的工作。E-mail：uneyliu@foxmail.com

引用格式：柳嘉，甘勇，喬延軍，等.流域防洪場景可視化仿真優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（8）：118-123.