（水利水电工程专业论文）清江流域洪水演进仿真技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘 ， f 建立在现代综合空闻信惑技术綦穑上， 要 黻承文学、求力学为瑾论指导，汉先进静 计算机软硬件和三维可褫亿技术为手段的浃水演迸可视傀仿翼系统楚“数字流域”应 用的踅要研究内容和层次。主要通过面向对象的系统开发技术对提供的多种类流域基 础地理数掂及水义、水力学等多种参数结果实现对清江流域的虚拟现实及历史、坝报 洪水的跨平台三维可视化仿真并提供淹没与推进过程中综合数据的可视化表达。f 针对从遥感、可疆图片转化褥到麴援毒舞d e m 数握研制流域三维地形牛成模块。 遁过三角形逼近鼹嚣或b e , z i e r 夔鞭拟灏方式对每个数据点豹三雄坐撂f x ，y ，z ) 在 生残酌魏澎审进行 粪实静蒜现。鼹游对生成酌三危形溺格诗算法岛藿藏以光照等， 结合纹理映射及l o d 筒佗技术安现对三维环境的虚攒仿粪。 在三维越形壅成模块研制基础上，如何使永按预期嗣的动起来，蹙研究簸关心的 问题。系统通过建立洪水演进可视化仿真淹没与推进模型，使用自适应搜索，河岸点 拓扑关系修破等算法获得流域边界信息，结合两种水体生成方式模拟了洪水淹没与报 进的动态过程，并模拟了淹没与演进过稔中水题波动及产生的光影效果。 缝合上述功熊组传的开发，洪水淡进霹视纯仿真系统对缎饽的集成鸷装髅鉴了地 理科学磅宠成果_ 帮“多s ”集成开发技术，从用户操控界覆、数据库接1 3 、寝拟现实 与霹视识仿冀平台足令方海搜模涣形成了一个完整的系统，煞够邂遘每承文求情数据 瘁迸行交互得蜀所需数据来避行环境的虚撅现实及准确再现和预演洪水演迸过程，并 通过视景体剪裁算法去掉多余的像素以优化整个系统的处理性能。 ( 数字流域是一个庞大而熨杂的系统工程。洪水演进可视化仿真作为数字流域研究 的一个接口层次综合了计算机仿真与数字化的思想。随蓑研究的逐步深入它不仅仅将 为防洪减灾摄供辅助决策，丽且对整个数字化仿真都姆产生深远影响。j ， 关键溺：数字流域；洪水演避；模拟仿真；虚拟现实 l 华中科技大学硕士学位论文 = = # = = = = # = = = 2 = = = = = # = = = = = = = = = = = 一一 a b s t r a c t a sd i r e c t e d b y t h e t h e o r y o fh y d r o l o g ya n d h y d r a u l i c s a n dm o d e r n s p a c e t e c h n o l o g y ，f l o o dr o u t i n gs i m u l a t i o ns y s t e mm a k e s u s eo f a d v a n c e d c o m p u t e r s o f t w a r e ， h a r d w a r ea n d3 d g r a p h i ct e c h n o l o g y i ti sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hd o m a i na n dl e v e lo ft h e “d i g i t a lv a l l e y ia c c o r d i n g t os o m e p a r a m e t e r sf r o mt h ec o m p u t i n gr e s u l t so fn y d r o l o g y a n dh y d r a u l i c s ，t h es y s t e mi sc a b l et os i m u l a t et h ev i s u a le n v i r o n m e n to ft h eq i n g j i a n g v a l l e ya n d t h e p r o c e s s o ff l o o d r o u t i n g i nh i s t o r yo rt h ef u t u r e a l s o ，i ti sc a b l e1 0v i s u a l i z e t h ed a t a p r o d u c e di nf l o o dr o u t i n g s i m u l a t i o n d e v e l o p i n gv a l l e y3 d t e r r a i ng e n e r a t i o nm o d u l ef r o md e mi st h ef i r s tt h i n gt od o b a s e do nt r i a n g l eo rb e z i e ra p p r o a c hc u r v e ds u r f a c e ，t h i sm o d u l ee m u l a t e se v e r ys p a c e p o i n t sc o o r d i n a t e ( x ，y ，z 1a c c u r a t e l y i nt h et e r r a i n 。a tt h es a m et i m e ，t h e a p p l i c a t i o no f i l l u m i n a t i o nt h r o u g hc a l c u l a t en o r m a lv e c t o ro ft h ea l r e a d y - b u i i tm e s ht e r r a i n ，t e x t u r e m a p p i n g a n dl o d t e c h n o l o g y r e a l i z e st h ev i r t u a ls i m u l a t i o no f 3 d e n v i r o n m e n t b a s e do i lb u i l tt e r r a i n ，t h em o s ti m p o r t a n tt h i n go fa l li st om a k ef l o o dm o v c a c c o r d i n g t oo u r p u r p o s e 。t h em o d e l o f f l o o di n t m d a t i o na n d 踟醴b o o s ti ns t r e a mc h a n n e l a p p l i e ss e l f - a d a p t a t i o ns e a r c ha r i t h m e t i ca n dc o r r e c tf i v e rb a n kp o i n tt o p o l o g i c a lr e l a t i o n a r i t h m e t i ct og e tf i v e r sb o u n d a r ya n dr e a l i z ef l o o dr o u t i n gs i m u l a t ee f f e c t sa n dw a v ee f f e c t o f w a t e rs u r f a c ei nt h e p r o c e s so f f l o o dm u t i n g b a s e do nt h ea c c o m p l i s h m e n to fa l lm o d u l e s ，t h ei n t e g r a t i o no fv i s u a ls i m u l a t i o n s y s t e ma p p l i e st h er e s e a r c hr e s u l t so fg e o g r a p h ya n d m u l t i p l es d e v e l o p i n gt e c h n o l o g y t or e a l i z es y s t e mi n t e g r a t i o n 。i ti n c l u d e si n t e r f a c eo f u s e rc o n t r o l ，d a t a b a s ei n t e r f a c e ，v i r t u a l r e a l i t ya n dv i s u a ls i m u l a t i o n t h ei n t e g r a t i o na i m s t om a k e s y s t e mc a n r e - a c ta n dp r e v i e w t h ep r o c e s so f f l o o d m u t i n g “d i g i t a lv a l l e y ”i s ac o m p l i c a t e d e n g i n e e r i n g 1 1 h e s i m u l a t i o no ff l o o d r o u t i n g s y n t h e s i z e s t h e i d e a o f c o m p u t e rs i m u l a t i o na n d d i l g i t a l i d e a a s d e v e l o p i n g o f o u r w o r k ， t h es i m u l a t i o nw i l lc h a n g eo l i rl i f em o r e a n dm o m k e y w o l d s ：d i g i t a lv a l l e y f l o o dr o u t i n g t s i m u l a t i o n ，v i r t u a lr e a l i t y n 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1选题来源 论文选题来源于：华中科技大学水电及数字化工程学院与湖北清江水电有限责任 公司合作开发项目清江流域水文水情分析及仿真系统。该课题在清江流域基础水 文水情数据模刑及数字化三维地形摹础数据模犁基础l ，充分应用清江公司已有的分 析预报模型及国内外水文学、水力学工程界与学术界的研究成果，建立一个集水情分 析、虚拟景观、三维可视化与一体的分析系统。本论文选题属于该项目的二级子项目 洪水演进及水文水情三维可视化仿真中的子模块洪水演进可视化仿真。 1 2 选题的目标及实现意义 从系统仿真的角度看，计算机仿真是以计算机和其他专用物理设备为工具，利用 系统模型对真实或假想的系统进行实验，并借助专家知识、统计数据和信息资料对实 验结果进行分析研究进而作出决策的- i 1 综合试验性学科【。因此，建立一个计算机 仿真系统，根据清江流域已有的统计资料和水文水情专家的知识经验建立的合理预报 模型，在计算机生成的真实感三维虚拟环境中对洪水演进数据实现历史再现和预演就 自然成为了本文专题研究实现的目标。 任何复杂的数据如果以视觉的形式表现是最易理解的，在尽可能提高图形真实感 系统处理性能的前提下，对洪水在现实河道中的推进情况及洪水对流域内的淹没情况 可视化是本专题研究的技术关键所在【2 j 。 随着流域信息化的深入和“数字流域”工程的展开，作为水文预报的重要研究课 题洪水演进必须上升到模拟仿真的高度。传统的洪水预报与监测多建立在统计与经验 ( 半经验) 的基础之上，缺乏对洪水动态规律的科学认识，也不能通过实时的获取洪水 演进过程中的影响因素，再现或预演洪水传播的过程，以至于洪水预报的结果往往滞 后于防洪减灾的行为，而现有的一些虚拟现实软件如m u l t i g e n 等虽然可以很好的模 拟出三维地形环境，但是对洪水演进的动态效果表达功能极其有限。从计算机仿真技 术的角度讲，经济有效的系统仿真能够以相似论为理论基础，取代昂贵、危险、过快、 过慢和目前不可能实现的真实系统实验。从计算机图形学的角度讲，计算机系统能够 华中科技大学硕士学位论文 将客观世界中存在的物体映像处理成新的数字化图像。因此，洪水演进可视化仿真系 统的研究能够利用数字流域水文地理信息平台，结合计算机仿真技术与图形技术，通 过对流域信息的数字化、信息化，实现真实流域及相关现象的数字化重现，为洪水事 件发生的时间、地点、范围和强度提供及时、直观和准确有效的预报手段，为各级防 汛指挥部门提供决策依据并对抗洪减灾方案的实施效果作出快速的检验与评价。 1 3 专题研究面临的挑战 洪水演进可视化仿真是基于三维虚拟地形基础上根据地形提供的水系特征进行 洪水的推进和淹没行为模拟的过程。要使洪水仿真的效果看起来合理逼真不仅仅要构 造真实的三维虚拟环境，同时要使水体运动的状态符合现实规律，进而能够实现真实 数据的再现和预演，主要要求解决以下四个问题： 1 根据清江流域基础数据d e m ( 离散或网格) 、清江流域真实纹理数据等进行 计算机编程处理，生成真实自然的三维地理景观，可漫游及多种视觉效果及 l o d 简化。真实的三维地理景观是进行洪水演进分析的载体，制约洪水运 动状态； 2 根据给定的水文水情分析模型求解结果结合河网信息提取实现洪水在模型 计算的时间段内淹没过程的正演与反演，淹没区域、淹没高度的实时可视化 显示； 3 洪水推进动态模拟。利用给定的水动力学模型及水文水情参数模型的求解结 果结合河网信息提取控制洪峰在模型计算的时间段内的传播过程与状态以 及对洪水波浪与洪峰形状模拟； 4 在推进与淹没过程中对主河道水位、洪峰传播速度及时间等参数实时可视化 表达以及使仿真环境尽可能的与现实环境一致，提高真实性； 5 应用面向对象的系统设计技术实现对各个功能模块信息的协调与管理，功能 的封装集成，形成一个高效协调的可视化仿真系统； 6 对大数据图形仿真的效率改进。 1 4 专题研究流程 查童望堑窒塑王! 塑旦笙! ! 旦：生王生竺璺兰堡塑三丝堕登塑堡塑竺堡堡旦堡垡 2 华中科技大学硕士学位论文 了二维和三维建模、变换、光线处理、色彩处理、纹理映射、运动模糊等功能，具有 绘制图形质量高，程序可移植性好等优点，我们最初在微机w i n d o w s 平台下使用v i s u a l c + + 结合o p e n g l 进行底层三维地形仿真，再考虑在此基础之上仿真洪水演进过程。 在此期间，我们通过读入清江基础栅格d e m 利用三角形逼近和b e z i e r 曲面拟合方法 成功模拟了清江流域的三维地理景观，使用广度自适应算法以及根据河道中心点参数 曲种方式搜索 h j 道边界并根据搜索的结果模拟了洪水推进与淹没的过程，实现，水面 的波动仿真效果，同时通过读取位于o r a c l e 数据库中的水情参数数据控制演进状态， ( 但无水动力学分析模型支持) 初步搭建了洪水演进可视化仿真的基础平台。 在2 0 0 2 年3 月的第二阶段工作中，我们主要工作是移植上阶段系统功能到s g i 公司o n x y 2 小型机的u n i x 平台下，利用水文水情参数分析模型求解结果控制洪峰传 播的速度、方向及洪水淹没过程，为利用水动力学分析模型留出必要的接口以控制洪 水在演进过程中的形态。结合微机下的开发工作，系统不仅具有了跨平台的特性并易 于实现软件的复用。 1 5 专题的研究思路与成果 上面叙述的内容介绍了前人关于洪水演进可视化仿真的各个技术环节的基本理 论和解决方法。以洪水淹没与推进模型为设计基础的洪水演进可视化仿真系统是整个 清江流域水文水情分析系统重要组成部分与展示平台，清江流域水文水情分析系统各 子系统之间的接口关系如图1 所示。 由于洪水演进可视化仿真系统直接与各级各类用户交互，其研制主要是在g i s 数 据基础上，开展包括流域地形仿真、洪水动态演进模拟等三维可视化研究，在系统开 发方面，利用o p e n g l 提供的开放三维图形软件包，实现流域地形、地貌和洪水演进 动态模拟的三维可视化效果及多种参数的可视化表达，因此，本文研究主要从以下几 个方面进行： 1 系统总体结构设计。 运行软硬件环境：基于u n i x 或者w i n d o w s 操作系统的图形工作站，同时必须 支持o p e n g l 通用函数库和g l u t 函数库。 系统研制主要包括四个功能模块： 3 华中科技大学硕士学位论文 图1 清江流域水文水情分析仿真系统接口关系图( 据徐学军等，2 0 0 2 ) 输入的流域数据采集、管理、转化模块； 三维流域地形景观生成模块； 一 4 华中科技大学硕士学位论文 洪峰传播过程的动态仿真模块( 淹没与推进) ； 水文水情参数可视化表达模块。 各功能模块之间的结构关系如图2 所示。由于洪水演进可视化仿真系统是“清江 流域水文水情与洪水演进可视化仿真系统”专题级应用型计算机功能组件的开发，其 研制除了要满足三个基本要求，即加强实用性、降低开发和应用的成本、提高模块的 以数据为基础，“多s ”集成 的简洁直观的洪水演进三维可 擎罐微 视化模块 。l 输入各种流域基础数据l 7 l 1 真实纹理数据一 l的接1 ：3 功能组件 l 提供数据转 7 l换接口三角格网i 纹理映射 t 或b o z i c r l 算法 曲面模型l 三维流域地理景观 山山 、 生成 、 ；io封peng l 技术h 洪峰传播过程 | g l s 技术h 的动态模拟可 视化( 淹没与 推进) 7 t - t 完备水文水情参数 水文水情参数的多 一 形式形象化表达 - t 水文学模型及实现代码l l 。一一一l 洪水淹没与推进三维动态 可视化显示 图2 清江流域洪水演进可视化仿真系统结构图( 据袁艳斌等，2 0 0 2 ) 5 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = ；= = = = = = = = # = = = = ；= = = # = = = # = 一= = ： 生命周期外，必须在密切配合整个“项目”研制过程中，充分研究洪水演进可视化仿 真系绞的结梭模型、概念模型、数据摸型帮应蘑模型。杰系绞工程静璎论窝方法律系 指导下。系统研制应遵循以下原则： ( 1 ) 在结构功畿致往匏整剩之上，戬滚域空润数据露建设为核心，浚东演遴 系统各个行为功能组件的开发都在共同的主题空间数据库基础上进行； 稼) 以系统分析为系统歼获的基翻，根据流域遣爨、毯貌和永文数据特点和模叛 洪水演进时空行为的专题要求，进行详细的洪水演进司褪化仿炱系统静态信息 结构设计和动态行为操作设计，在可行的软硬件支持下，进行系统的静态空简 属性管溪组 牛鄹洪水演避动态费为操终功能缝 譬数开发； ( 3 ) 围绕熬个仿真系统的歼发，税系统整体功能总体最优前提下，研制数据接口 技术，秀发滤域越形遮貔薅宾、海道动态逮赛爨搜索及交互式遴行滚承演遴动 态模拟； ( 4 ) 考虑功巍结构豹会溪经帮完备性、系统各功麓酌独立性、功熊模块静可靠霞 及操作的简便性原则基础上，力求使该模块具拇数据共享和软件复用的双重性 能，采掰约定的处理方式和模块间通用的数据和软件接口，开发友好的用户界 藏，并戴对所有据为功能组件进孬组装； ( 5 ) 寻求洪水演进专业知识和信息技术的结合点，尽量利用现成的基础软件和应 蹋软传，注重二次开发，采鼹纛自对象豹软l 孛王程聂发方法，搜爨聂发的应用 软件，能支持备用户的褥开发和系统移植； 6 ) 捷供楚好懿系统支襻繇境，巍充分兼赣毪髭，徐格魄基础主，鸯虑硬侮设备、 软什环境的配置立足现在，重视未来。 2 系统各个模块功能的研制。洪承演迸可褫亿仿真在三维地形生戒方面借勘了前入 三角形恧片邋近曲面的思想构造清江流域的三维地形，在此基础上研究了广度岛适应 搜索算法以提取河道边界，利用得到的搜索结果实现洪水推进与淹没过程动态显示， 但是由予搜索缀暴缺乏对河遴走向及游道性矮豹识别因丽只戆对洪农的淹没过程进 行控制，对推进过程中的水位和洪峰传播速度、方向的控制却无能为力。针对广度自 适应攘索熬上述不足我餐避一步弱鬻绘定豹器令实测本文站及实溅溺遂薮瑟中- 0 点 6 华审科技大学硕士学位论文 数据研究了河道边界搜索算法结念河岸点拓扑关系自动识别算法对结果加以修正，确 定特定时刻洪峰传播的方向与速度，最终实现根掇流域洪水历史及洪水演进预报数据 控裂洪水推进与淹没瓣状态及参数可视化。包摆：洪水在不鄹瓣剡不阉叛殛的承经、 誉同蹿刻洪蝽豹传播速度、寿寓等，成功褥瑰_ 稻致演了洪拳溪避豹全过稷。傍真过程 中对洪蜂的形袄加戬模叛可醵使稍粒子系统来楱| 簸卷蠲静波蜂和浪花，毽本文使瘸了 较为简单的小舰则曲曲来模拟浃峰在传播过程中形状的变化。钳对洪水演迸中的海量 数据我们研究了视景体裁剪算法减轻系统的处理负担。洪水在运动中由于受力而发生 的形态变化可以由水幼力学模型通过计算加以控制，这方面本课题无力涉及。但是本 文在建立的仿真系统中留有龠理的接口利用水动力学模激计算数据以便于进一步扩 态。 3 渣江滚域洪水演遴哥攫化仿真的磺割为整令系统提供w 视化软锌铰攥，其臻铡滚 耩魏羯3 所承： 7 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 图3 清江流域洪水演进可视化模块研制流程图( 据袁艳斌等，2 0 0 2 ) 经过以上两个阶段，我们工作的主要成果可以归纳如下： 1 将通过g i s 技术得到的地形数掘生成真实的流域地形景观。使用三角形逼 近或b e z i e r 曲面拟合的方式生成地形基本网格，利用o p e n g l 技术对生成 的网格加入法向量以控制光照的方向，此外纹理坐标指定实现了地形纹理贴 制，真实纹理使地形具有真实地形外观，取得较逼真的环境仿真效果； 2 使用广度自适应搜索算法、河道边界搜索算法及河道左右岸识别算法提取 d e m 中的河网信息，使用两种不同的水体构造方式实现了用户在不同仿真 需求下的洪水推进与淹没过程仿真； 8 华中科技大学硕士学位论文 3 结合数据库中洪水历史数据和根据预报模型演算得到的水文水情数据实现 了由数据控制历史洪水再现与未来洪水预演的计算机仿真； 4 洪水演进过程中参数实时可视化表达。如洪峰传播速度、洪水水位及当前时 间等，使用户能够准确形象的获得仿真结果数据。 其他技术成果： 1 将水体网格视为高度场利用点源式扰动实现了水面波动模拟与光影效果处 理，使仿真水面呈现一种波光粼粼的效果； 2 通过比较d e m 中水平面横向与纵向网格点之间斜率变化量，简化地形生成 过程中的三角形数，在保证地形基本不失真的前提下有效提高了三维网格地 形的生成速度； 3 利用矩阵运算判别物体是否落在视景体内以决定是否绘制的裁剪技术极大 提高显示效率，增强系统处理大数据的能力。 本论文前两章介绍了洪水演进可视化仿真面临的挑战、前人研究的方法以及本文 的研究思路；第二章以后介绍我们的工作，具体描述了三维地形生成的具体方法，流 域洪水演进动态仿真的方法，以及系统集成的方式；最后总结了整个系统的创新和不 足之处以及对将来进一步工作的展望。 9 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一： 2 研究背景及现状 近几年实践证明，依靠遥感信息技术、地理信息系统、全球定位系统、大地测量 系统等空间信息技术来建立的洪水灾害预测与分析技术，通过全面了解洪灾发生的可 能性、时空分布规律等，能够极大的提高人类抗御洪灾的能力，使人类对洪灾被动的 “防”变为主动的“抗”。随着现代信息技术特别是空间信息技术的高速发展和“数 字地球”概念地提出，表明数字技术在防洪仿真方面将大有作为，尤其是建立在地理 信息系统之上的各种模型和分析方法，在规划整个流域经济可持续发展、预知洪水行 为起着十分重要的作用。针对洪水演进可视化仿真技术，国内外研究成果集中在三 维地形生成，根据d e m 提取三维流域的河网水系信息以及寻找河道起始点和流向的 算法，对不同流域的水体采用不同的数学模型进行模拟，对洪水行进过程中形成的波 浪模拟等方面，详细说明如下： 2 1 基于o p e n g l 的系统仿真理论 o p e n g l 最初是s g i 公司为其图形工作站开发的可独立于窗口系统、操作系统和 硬件系统环境的图形开发环境，是跨平台最广泛的三维图形引擎，也是目前应用最广 泛的三维图形标准。它的主要目的是为了向帧缓存中绘制二维和三维几何物体，这些 物体以一系列顶点或像素来描绘，而像素则定义的是图像，o p e n g l 对这些数据进行 处理，以便这些数据都转换为像素，从而构成帧缓存中最终所希望的图像。其基本功 能包括：创建二维和三维物体；布置场景并以适当的角度观看场景；在场景中引入光 线；纹理映射；实现特殊效果；绘制位图和图像；制作平滑动画；提供交互技术机制。 o p e n g l 与计算机图形学技术的发展为全流域地形及洪水演进可视化仿真提供了底层 开发的工其。 系统仿真是用模型化和试验的方法研究系统的方法和技术。它基于客观世界本身 所固有的相似性以及人们对客观世界认识过程的相似性，建立在相似理论、控制理论、 信息处理技术和计算技术等理论基础上，以计算机和其他专用物理效应设备为工具， 利用系统模型对真实或假想的系统进行实验，并借助于专家经验知识、统计数据和信 息资料对实验结果进行分析研究，进而作出决策的一门综合性和试验性的学科。相似 理论研究自然界中相似现象的本质，通过对各种系统的相似特性分析，寻求统一认识 1 0 华中科技大学硕士学位论文 自然界中各种相似现象的形成原理，从本质上阐明各种系统闻相似特性形成的内在联 系。系统仿真模型与实际系统应具有某种形式和一定程度的相似性，相似理论的基本 原理为相似模型的建立提供了理论基础和思想方法，这些原理会贯穿整个仿真过程， 并在此基础上形成一套可操作的工程化方法和技术，使系统仿真更加精确、高效和可 信h i 。 o p e n g l 通过将像素写入帧缓存来实现从建模到动画生成的全过程，处理流程描 述如下： 图40 p e n g l 动画生成过程描述( 据强大再，1 9 9 9 ) 2 2 基于d e m 的三维地形仿真方法简介 首先明确两个概念，2 0 世纪5 0 年代m i l l e r 提出数字地面模型( d i g i t a l t e r r a i nm o d e l ) 概念，1 9 7 8 年d o y l e 定义d t m 为描述地面诸特性空间分布的有序数值阵列，其本质 属性是二维地理空间定位和数字表达。通常将地面高程空间分布的数字地面模型称作 数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 【5 】od t m d e m 为三维地形仿真提供了坚实的技 术基础。 三维地形是虚拟仿真中不可缺少的因素，目前通常使用的三维地形构造方式可分 为三类： 1 基于真实d e m 数据的地形生成及实时显示。其基本思想是采用在规则网格 上采样所得的高程值为数据源将其转换为o p e n g l 能表达的点、线、面原语 华中科技大学硕士学位论文 = = = = 一= 一 再利用o p e n g l 图形库进行绘制。很多情况下，地形仿真也可使用曲面f 二 次、三次曲面) 拟合，曲面不需做分段连续近似，仍可保证相邻曲面的连续 性，因而非常灵活，缺点在于：三角形与遥感图像的数据量非常大，加上曲 面计算的复杂性，即使在高性能的图形硬件平台上进行实时渲染也是几乎不 可能的，必须引入复杂的简化方法； 2 基于分形技术的地景仿真技术。分形地景建模大致可归纳为：泊松阶跃法、 傅立叶滤波法、中点位移法、逐次随机增加法、带限噪声累积法五类。以分 形几何为基本思想，能够有效的表达自然界中地形的非线性因素，也是迄今 为止能够描述真实地形最好的随机过程。但是它对地形生成和仿真的研究基 本停留在“视觉上可以接受”的阶段，因此应用受到一定的限制； 3 基于数据拟合的地形仿真技术。该方法采用小波技术进行地形数据拟合计 算，注重地学图形的精确描述f 6 j 。 2 3 洪水演进可视化仿真在国内外的研究概况 将洪水演进模型与数字流域技术相结合来对流域的洪水演进过程实现仿真，我国 国内的工作因为起步较晚，技术水平还很落后，尚处于探讨和局部试点阶段，通常是 建立洪水演进的预报模型。在国外，以推广应用地理信息系统( g i s ) 技术为主，已经 有一些商用软件包具备了初步的洪水淹没与演进模拟等功能，如d a m b r k 、 m i k e 1 1 、h e c 2 等等。必须看到，这些软件虽然在洪水演进模型与g i s 平台的集成 方面做了不少工作，但是所采用的洪水演算方法和计算模型本身存在诸多问题，有的 甚至只是洪水淹没面积扩展过程的简单演示，尚不能够动态模拟流域洪水三维演进的 全过程t lj 1 7 1 。国内外目前的研究包括以下几个方面： 1 基于d e m 的河网信息提取 d e m 数据类型有三种：栅格型、矢量型( 等高线) 、不规则三角网t i n ( t r i a n g u l a t e d i r r e g u l a rn e t w o r k ) 。栅格数据结构类型具有“属性明显、位置隐含”的特点，它易于 操作和实现，但是随着表达的精度提高，数据量的变化成几何级数增长，因而不能表 达高精度的地形，工作效率较低。矢量数据结构类型具有“位置明显，属性隐含”的 特点，它能表达较高精度的数据，工作效率较高，但是对它的操作分析都比较复杂， 1 2 华中科技大学硕士学位论文 难于实现。不规则三角网t i n 依据地表特征点构成不规则点阵网，它的无规律性使得 流域属性的计算比栅格d e m 困难，而且在t i n 里确定三角形的上坡方向十分麻烦， 只能用目视和手工操作来克服这一不确定性，带有主观任意性。鉴于栅格型d e m 数 据结构简单、直观易于操作，所以为从数字高程模型中信息提取提供了最为常用的数 据结构i 引。 由栅格型d e m 提取洲网根据水道给养面积阈值理论主要自两种途径：一种是在 小窗口内对高程进行局部计算，然后在d e m 上移动该窗口来确定上凹面( p u e e k e r a n d d o u g l a s ，1 9 7 5 ) 或v 型面( j e n s o n ，1 9 8 5 ) ，在这些面的底部格网被视为水道或河网底 组成部分。但该方法生成的水系不连续，需要重新连接( 0 c a l l a g h a na n dm a r k1 9 8 4 ) 和修整( d o u g l a s ，1 9 8 6 ) 。对于地形起伏较小或地形复杂处，上述缺陷更加突出限制了 这一技术的应用。第二种是o c a l l a g h a n 和m a r k ( 1 9 8 4 ) 提出的坡面流模拟方法，根据 每一栅格单元与相邻单元之间最陡坡度识别和沿水流路径集水面积累计问题，再选择 合适的水道给养面积阈值来确定河网。应用时主要设计两个基本问题：( 1 ) 凹陷与平坦 处水流方向的设定；( 2 ) 水道起始点位置的确定。通常，d e m 中凹陷洼地和平地是由 d e m 水平和垂直的分辨率、d e m 生成过程的内插和输出结果的取整及高程数据误差 造成的【9 1 。0 c a l l a g h a n 和j o n g ( 1 9 8 8 ) 采用垫高填平的方法处理凹陷区域，而g a r b r e c h t 和c a m p b e l l ( 1 9 7 7 ) 将洼地分成阻挡型和凹陷型，并进行分别处理，同时采用高程增量 迭加算法来设定平坦部位的流向。对于水道起始点位置确定的问题，0 c a l l a g h a n 和 m a r k ( 1 9 8 4 ) 采用了最小水道给养面积阙值( 形成永久性水道所必需的集水面积) 的概 念。该方法简单易行、可直接生成相互连接的河网。 2 流域洪水模拟 流域由河道、湖泊、行洪区、蓄洪区等组成。为模拟水流在不同区域的运动状况， 针对流域水流的特点建立流域洪水模拟模型，水流运动模拟分为以下几类： f 1 1 对于在湖泊及蓄洪区由于流速较小区域，对它的模拟主要考虑其调蓄作用， 采用零维模拟，概化为可调蓄节点： ( 2 ) 对于河道水流，关心水流的过流能力及水位，采用一维方法模拟，使用一维 圣南方程组描述； 1 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 ( 3 ) 对于行洪区，由于其内水流流速大小及流向随空间时帕j 变化剧烈，需采用二 维方法模拟，使用二维浅水运动方程描述： ( 4 ) 对水流通过工程建筑物的水量交换，一般采用相应的水力学公式： ( 5 ) 对流域主河道，由于沿程有若干小河汇入，而这些小河与干流的水量交换通 常是没有资料的，采用无资地区径流模拟。对各部分分别采用合适的数值方 法最后统求解。 上述流域洪水模拟的模型的建立解决了河道一维水流计算与行洪n - - 维水流计 算的隐式耦合及无资料地区来流模拟问题，但对行洪l g l - - 维计算精度的进一步提高及 无资料地区的产流与干流洪水耦合问题还有待进一步研究【1 1 】。 2 4 洪水演进过程中水波仿真方法简介 水波是水流运动的关键属性，当水流运动过程中受到外界干扰或是内部作用会产 生波，波在水流内部传播表现为一系列的波纹和漩涡。人们研究永波动画的基本方法 可分为三类： 基于波的模型，直接构造参数曲面代表水表面。参数曲面由波形函数表示， 由于波形函数本身就表示了波的特性因而可以模拟水波的运动，如：叠加、反射、 折射，更复杂的波形函数可以解决波纹和波峰的卷曲问题，但是这种方法无法体 现水流形态的破碎问题； 基于物理模型，用流体力学方程描述水流运动。使用这种方法波是根据方程 的初始条件和边界条件自动生成，并且接近真实的物理现象，缺点在于：把水流 当作一个高度场，表现不了尖锐的波峰和卷曲的波形： 基于粒子系统。w 1 ：r e e v e s 在1 9 8 3 年提出粒子系统概念，粒子系统是采用 许多形状简单( 如点、小立方体、小球体等) 的微小粒子作为基本元素来表示自然 界不规则的模糊景物。粒子有一定的属性如：生命周期、形状、尺寸、颜色、 透明度等。在粒子系统中把水流看成是一个个粒子，每个粒予按一定的规律运动。 这种方法可以模拟瀑布、喷泉、水滴，因为在这种情况下水表现为粒子形态。缺 点是难以模拟水波的形态【1 2 】【1 3 1 1 1 4 1 。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 洪水演进可视化仿真 3 1 基本资料与数据 清江流域洪水演进可视化仿真对仿真结果有三个基本要求：能够真实的反映清江 流域的地形高低起伏以及河道特征；要求地表纹理能够逼真的反映出地形上的景物特 征诸如道路、树木等；能够准确表现洪水演进过程中的洪水状态与参数变化。因此 洪水演进可视化仿真系统输入数据为：一是采用的遥感图片( t m 、s p o t ) 和航拍照片， 经计算机图像处理后作为地貌纹理，以增强三维地形的逼真度；二是利用立体像对等 图像处理技术对遥感图片( t m 、s p o t ) 和航拍照片加以处理生成的研究区流域d e m 及相应矢量数据。由于栅格型d e m 具有易于操作和实现，利于后期提取河网信息的 优点，因此在本系统中使用了栅格d e m 作为构造三维地形的基本数据源。该数据通 过对遥感立体像对中自动获取d e m 的方式得到。我们使用国外l e i c a h e l a v a 公 司的d p w 数字摄影测量系统来对清江流域三个库区( 水布垭一隔河岩一高坝洲) 遥感 影像或卫星影像处理来获取d e m ，再经过一系列格式转化得到洪水演进可视化仿真 系统能够使用的格式，最终形成一个描述橱格网格点三维坐标文件和一个与之高精度 匹配的真实卫星摄影产生的r g b 格式的地表纹理文件，三维网格与地形纹理文件使 用1 ：2 0 0 0 精度，最低精度不低于1 ：5 0 0 0 ，以上数据由基础数据处理组提供。三是 对洪水演进过程中描述洪水运动状态的水文水情参数文件，扩展名为s c b 、s e c 。它们 通过对输入实测河道断面的洪水流量、水文等参数经过水文及水力学预报模型演算产 生。 3 2 流域三维地形生成 三维地形可视化是一门研究数字地面模型的显示、简化、仿真等内容的学科，它 属于计算机图形学的一个分支”。数字地理环境的基础是三维地形生成，在三维地形 仿真过程中清江流域空间基础数据通过对清江流域卫星t m 遥感图像进行图像处理， 再由2 dg i s 加以管理和预处理形成。作为整个系统分析的基础，通过三角形逼近曲 面或b e z i e r 曲面拟和的方式对d e m 文件中每一个数据点的三维坐标( x ，y ，z ) 在生 成的地形中得到了真实的再现。o p e n g l 绘制多边形图元有两个基本要求：1 图元卜 1 5 华中科技大学硕士学位论文 的节点必须共面；2 多边形图元必须是凸多边形。在使用栅格数据构造三维地形过程 中由于地形变化的随机性，使用四边形或大于四条边的多边形图元都无法保证形成的 图元能同时满足上述要求，因此，三角形是最简单可行的图形单元。显示流域三维地 形景观是个将真实三维坐标( x ，y ，z ) 投影到二维屏幕空问的过程1 7 1o 每一个d e m 格网均通过透视( 或正交) 变换转换为屏幕空间中的四边形( 有公共边的两个三角形) 。 栅格数据在不考虑高程值的情况下可以视为一个规则长方体点阵，将点阵中每相邻的 三个点组成一个三角形，再将所有的三角形联接成网，就形成了反映高低起伏变化的 地形三角网，网格越小越真实，精度越高，数据量也越大f i 7 2 0 j 。 采用三角形网格逼近的图形生成技术建立了清江流域局部地段的三维地形图( 如 图5 1 。图中清晰地展示了地形起伏变化，清江流域主河道和不同级别次级河道的分布， 为各类用户提供了流域三维可视化地形、地貌环境，为淹没、推进等洪水动态立体模 图5 清江流域局部地段三维地形网格图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 拟仿真提供了流域基础三维景观地理背景。其实现过程如下代码所示： d r a w t e r r a i n ( i n t1 0 d 1 i n t i ，j ； f b r ( j = l ；j w i d e ) ? w i d e ：( j + l o d ) ) f o r ( i = 0 ；i h i g h ) ? h i g h ：( i + l o d ) ) i 2 i + l o d g l b e g i n ( g l _ t r i a n g l e s ) ； g l c o l o r 3 f v ( ) ； 指定第一点颜色属性 g l n o r m a l 3 f v ( 1 ； 指定第一点的光照法向量 g l v e r t e x 3 f v ( d p o i n t w i d e * i + j ) ； ，指定第一点的坐标值 g l c o l o r 3 f v ( ) ； 指定第二点颜色属性 g l n o r m a l 3 f v ( ) ； 指定第二点的光照法向量 g l v e r t e x 3 f v ( d p o i n t w i d e * i + l i m i t x ) ； ，指定第二点的坐标值 g l c o l o r 3 f v ( 1 ； 指定第六点颜色属性 g l n o r m a l 3 f v ( 1 ： 指定第六点的光照法向量 g l v e r t e x 3 f v ( d p o i n t w i d e + l i m i t y + l i m i t x ) ； 指定第六点的坐标值 g l e n d o i i f ( i = h i g h ) b r e a k ； i f o - w i d e 、 b r e a k ； 使用三角形网格逼近生成三维地形的方法有一定的缺点：第一，当地形较大，较 复杂时，要生成真实的地形所使用的数据量将会变得很大；第二，对这种方法建立的 1 7 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一： 地形施加光照，纹理映射时，必须进行大量的计算，如法向量的计算，需要消耗大量 的存储空间和计算时间，降低图形显示的速度。在数学中有一类曲面能够用称之为控 制点的参数进行精确的描述，如：b e z i e r ，b 样条曲面，n i 瓜b s ( 非均匀有理b 样条) 曲面，这种方法建立的曲面比用多边形近似的曲面要精确得多，而且可以节约大量的 存储空间。b e z i e r 曲面的数学描述： 在空间给定( n + 1 ) ( m + 1 ) 个点p i j ( i - - - o ，1 ，r l ：j = o ，1 ，m ) ，称下列张量积 形式的参数曲面为n x m 次b e z i e r 曲面： s ( u ，v ) = b 妇) 彤( v ) 弓 u o ，v l ( 3 1 ) i = 0 j = o 其中：p i j 是s ( u ，v ) 的控制点，b i 是b e r n s t e i n 基函数，即e ，一( “) 2 q “( 1 一“) ， 由两组多边形p i o 、p i l 、p i m ( i = 0 ，l ，n ) 和p 0 j 、p l j 、p a j ( j = 0 ，1 ，n ) 组成 的网格图称为s ( u ，v ) 的控制网格。可以认为控制网格是曲面的大致形状勾画，而s ( u ， v ) 是对曲面的逼近。通过这种方式建立曲面可以调用g l e v a l c o o r d 2 * 0 计算顶点数据， 它会对曲面的法向量同时进行解析计算。在o p e n g l 中使用b e z i e r 曲面作图要求控制 点不多于3 0 x 3 0 ( 不同的显卡或o p e n g l 版本可能不同) ，在规则排列的栅格d e m 中， 我们将整