（水利水电工程专业论文）洪峰传播动态过程可视化设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f f “数字清江”工程，是“数字地球”概念在清江流域的具体体现，是“数字流域” 思想的具体实践。它综合运用了遥感( i 峪) 、地理信息系统( g i s ) 、全球卫星定位系统 ( g p s ) 、计算机网络与通信、多媒体及虚拟现实( v r ) 等一系列高新技术和信息化手 段。整个项目划分为三个相对独立的模块，印求情分沂了系统，虚拟现灾与可视化 真子系统，数据库暨流域属性图文联合查询( g i s ) 子系统，模块都与储存清江流域 水文水情资料和地理数据的数据库有接n ，通过数据库将三个模块联系起来。 虚拟现实与可视化仿真予系统是整个清江流域水文水情分析与仿真系统的展示平 台，直接与各级各类用户交互。它是基于三维的动态仿真系统，将清江流域基础地理 空间数据、水文水情演算结果以及洪水演进过程中的数据及结果转换为几何图形及图 像信息，使之在屏幕上显示并进行交互处理。洪峰传播动态过程的可视化设计属于虚 、 拟现实及可视化仿真子系统的一个模块。土“ j 本论文的研制主要是在g i s 数据和水文水情参数的基础上，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，采用c 抖语言，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。 系统的研制主要针对目前国内国际上对洪水演进过程的动态模拟大多数是基于数 值分析而缺少可视化因素来进行的，通过面向对象的程序语言柬图形化的描述洪峰传 播过程中的形状、水位、流量、流速等重要参数，利用虚拟现实技术，使决策者可以 方便地再现历史洪水过程或者定量预测未来可能的洪水状况，从而在整体上把握清江 流域抗洪抢险的羲点地段，有目的地进行防汛减灾工作，为整个流域内部的国民经济 建设和可持续发展提供有效的决策支持。 系统的研制主要分为几个小的模块，相应产生了洪水演进过程中的广度优先搜索 算法搜索河道模型建立、基f 栅格数据的简单拓扑关系的提取、洪峰推进过程f f l 形状 的模拟和洪峰卉：河道内推进的动态过程的州祝化仿真等四个技术号题，通过刘每个技 术专题的洋细分解和实现，掏成了洪峰传播动态过秤可视化的桩架，进而从整体 ：肘 华中科技大学硕士学位论文 黧至笋戮嚣釜竺：篙竺专多铺江溅欺螂徘划嘴皴 的测试表明，本系统具有一定的实用性。 关键词：数字流域：洪水演进；洪峰；模拟仿真 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h e d i g i t a le a r t h ”c o n c e p t ， d i g i t a lq i n g j i a n gv a l l e y i sa ni m p l e m e n to f “d i g i t a lv a l l e y o nq i n g j i a n gf i v e rr e g i o n w i t ht h eu s eo fr e m o t es e n s i n g g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，n e t w o r k i n ga n dv i r t u a lr e a l i t y , d i g i t a l q i n g j i a n gv a l l e y i sa np r o d u c t i o no fm u l t i p l ek n o w l e d g e i tc o n t m n st h r e em o d u l e s ： h y d r o l o g ya n a l y s i ss y s t e m v rs y s t e ma n dd a t a b a s e & p a r a m e t e rq u e r y i n g ( g i s ) s y s t e m a l lo ft h e s et h r e em o d u l e sh a v ei n t e r f a c ew i t hd a t a b a s ei nw h i c ht h ed a t ao f g e o g r a p h i ca n dh y d r o l o g ys a v e d a st h ep l a t f o r mo f f l o o dr o u t i n gs y s t e m ，t h ev rm o d u l e si n t e r a c tw i t ht h eu s e r i ti sa d y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hc o n v e r tt h ed a t aw i t h i nd a t a b a s ei n t og r a p h i c s t h e v i s u a ld i s p l a yo fd y n a m i cp r o c e s so ff l o o dp e a ki nr i v e r - c h a n n e l ，w h i c hd e s c r i b e di nt h i s p a p e r , b e l o n g st ot h ev rs y s t e mo f d i g i t a lv a l l e yo f q i n 西i a n g a i m e da tt h el a c ko f v i s u a ld i s p l a yi nt h ef l o o dm u t i n gs y s t e m ，t h ea u t h o rc o n s t r u c t e d t h es y s t e mw i t ho o p t e c h n o l o g ya n dp r o g r a m m i n gw i t hc + + a sw e l la s t h ep a r a m e t e r so f f l o o ds u c ha ss h a p e ，f l u x ，v e l o c i t ya n dw a t e rl e v e lw e r ed e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h a t ，t h e f l o o da n dt h ew e a kb a n ko ft h ef i v e rw o u l db ep r e d i c t e da n dj u d g e d b a s e do nt h a t ，w e w o u l dm a k eo u rd e c i s i o nt op r o t e c tt h eh u m a nf r o mf l o o dd i s a s t e r t nt h i sp a p e r , as e r i e so f m e t h o dt og e tt h e s et a r g e t sw e r ed i s c u s s e d f i r s t ，t h ea c t u a l i t yo ft h ef l o o dr o u t i n gs y s t e ma l la r o u n dt h ew o r l d ，a n a l y s i st h e i r s h o r t a g ea n dg o o d n e s sw a si n t r o d u c e d f o l l o w i n g ，t h ei d e ao ff l o o dm u t i n gs y s t e mw a sp u t f o r w a r d t h e n ，t h ed e t a i lo fa c h i e v e m e n tt oar e a ls y s t e mw a sd e s c r i b e do nt h r e es u b j e c t s f i n a l l y , ac o n c l u s i o n o ft h ev i s u a ld i s p l a yo fd y n a m i cp r o c e s so ff l o o dp e a k i n r i v e r - c h a n n e lw a sd r a w na n dt h ep r a c t i c a b i l i t ya n dl i m i t a t i o no ft h es y s t e mw a sg i v e n a c c o r d i n g t ot h e s ew o r k s ac e r t a i ns u g g e s t i o n sw a s g i v e n k e yw o r 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 ；f l o o dp e a k ；v i r t u a lr e a l i t y 华中科技大学硕士学位论文 第1 章前 言 1 1洪水演进技术发展的现状 洪水演进的推算是水文预报的重要研究课题之一。长期以来水利工程为国民经济 建设提供了有效的服务，而汛期洪水常常使一些水利工程毁于一旦，给人民群众的财 产和生命安全带来危害。为有效地防御洪水的侵袭，保证水利工程的安全，洪水预报 成为必不可少的研究课题。一旦河道上游发生洪水，下游河道的安全下泻和堤防的安 全渡汛将是人们十分关注的问题。同时河道洪水演进也为水利工程的规划设计提供了 防洪标准的技术指标。 洪峰是洪水的三要素之一。对某些水利及桥梁工程，如大坝、溢洪道、涵洞、堤 防、桥梁等，人们通常所关心的是能否通过洪峰。在防汛抢险中，洪峰水位的预报尤 为重要。为确保工农业生产不受损失以及人民生命财产安全，防洪标准较低的河段， 都设立了相应的防汛特征水位，并安排了相应的防汛抢险措施。如何及时准确地预报 洪峰水位及洪峰流量，为防汛抢险争取时间，是当前防汛工作中亟待解决的问题 1 - 4 1 。 洪水演进与国计民生息息相关。目前国内外对洪水演进的研究都比较重视。洪水 的实时预报是近2 0 年来国内外积极探索动态预报洪水变化过程的现代水文预报方法， 它是洪水实时联机预报系统或洪水预警系统的重要组成部分。现有河道洪水演进及预 报模型主要有两类【5 1 ：类是水力学模型，另一类则是水文模型。水力学模型一般采 用完整的s t v e n a n t 方程组，可同时预报水位和流量。虽然其数值求解技术已取得了 巨大进展，但是对物理模型采用完整的数学描述不仅是一个复杂、代价昂贵的求解过 程，而且对资料的要求非常苛刻，诸如初始条件、边界条件及一定数量的河道断面、 粗糙率资料等等，很难在实际工程中推广应用；水文模型一般采用水流运动的连续方 程，而对运动方程则采用这样那样的简化。虽然这类模型在实际中更受欢迎，然而大 多只能预报流量，而不能同时预报水位。对防汛工作中关心的水位预报，工程上常用 的方法有二，其一是利用上下游站的洪峰水位及其传播时问相关曲线进行预报，其二 是利用水位流量关系出预报的洪峰流量推求洪峰水位。然而前者缺乏理论依据，且 精度受到一定限制；后者由于洪水期影响水位流量关系的因素很多，诸如洪水涨落、 回水顶托、断面冲淤等，水位流量关系复杂多变，很难由水位流量关系曲线精确 华串稃挂大毒：疆圣学位论支 摊算洪峰水位。比如训算洪水流量演进的玛斯京根法( 以首先应用于美旧马斯京 1 河 m 得名) 就是1 。程j ：常用的水文模型小的第种解决山篥。 以j ：两种模型各有优缺点，但是都把洪水预报的重点着l i 艮- ：模型的选取和改进方 面，所得到的结果是一系列枯燥的数据和曲线，用柬进行防洪减灾的决策支持时并不 方便；而现有的一些g i s 软件如m u l t i g e n 等虽然可以模拟出洪水演进的一些可视化 成果，但是其生成的图像也是动画效果，功能极其有限。如果考虑到对洪灾检测的直 观性，那么将上述模型进行三维虚拟可视化输出会有更好的效果，当洪峰在以真实数 据模拟出的河道中演进时，我们就能实时、清晰地指出洪灾可能发生的河段及可能引 起后果的严重性。 为了达到以上目的，采用“数字流域”是一种很好的解决方法。数字流域是“数 字地球”在一个流域内的具体实现，它采用了数字地球概念。美国副总统戈尔于1 9 9 8 年1 月3 1 日在加利福尼亚科学中心所做的“数字地球一认识2 1 世纪我们这颗星球” 的讲演中首次提出了“数字地球”的概念1 6 1 。“数字地球”是什么? 从具体用途来看， 它将渗透到社会生活的各个方面：如通过它能掌握各地的治安状况，恰当地部署警力防 止和打击犯罪；利用它的数据来模拟环境变化对濒危物种的影响，根据结果采取适当 措施可以保护生态的多样性；利用卫星对某一地区监视，获得的数据可确定影响气候 变化的重要因素一森林递减率，从而预报气候变化；通过卫星图像掌握农作物病虫害 及其生长情况，从而科学地施以药肥、灌溉，保障农业的丰产丰收：学者们可以利用 数字地球的数据丌展研究；包括了解人类和环境之问的相互依赖的关系；人们可以通 过虚拟现实技术对地球任何地方作虚拟旅行。 数字地球的。爻现阜于k 类尸；绎或将耍拍 有的粥有力新技术嚣宁地球硬冀拥关技 术非常庞杂，其主要技术可以简单地用一个公式加以概括：数字地球= 全球网络+ 数字 化+ 虚拟现实。 戈尔所讲的数字地球是指充分利用有关地球的所有信息( 戈尔称为“关于我们行 星的各种环境和文化现象信息”) ，以促进社会进步和经济发展。他认为现在我们一方 面拙有大量的可以发挥积极作用的信息，一方面又让它闲置起来慢慢地过时而变得无 用。解决这一矛盾的方法便是建立“数字地球”。 华中科技大学硕士学位论文 数字地球指的是建立一个地球信息模型，该模型将地球上每一角落的信息都收集、 整、归纳，并且按照地球地理坐标建立完整的信息模型并且用网络联结起来，从而 使地球上的每个人都可以快速、完整、形象地了解地球宏观和微观的各种情况，并充 分发挥这些数据的作用。 数字地球中包含有高分辨率的地球卫星图像、数字化的地图以及经济、社会和人 口统计的信息。利用它们，可以在教育、可持续发展战略、农业、土地使用规划以及 政治或经济危机解决等领域，产生广泛的社会和经济效益。数字地球能够对人为的或 自然的灾害做出快速反应，并使全球能够联合起来，面对长期的环境挑战。 数字地球概念的提出是基于人类已经或将要拥有强有力的新技术，“将世界放在手 掌中”的理想后面是一整套复杂的基础实施。这是一项庞大而复杂的系统工程，不是 某几个国家和机构能够独立完成的，首先需要一个统一的框架结构和协同工作环境， 更需要使用许多已经成熟的和有待开发的新技术。这些技术包括计算机及网络通信技 术、卫星遥感( r s ) 技术、全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 、虚拟现实( q 技术、数据存储( 如激光全息存储器、蛋白质存储器) 、数据库等作为技术支撑。 “数字流域”技术是以“数字地球”为背景，是对真实流域及其一切相关信息的 数字化重现与分析【研。其应用范围之广，应用潜力之大是难以预测的。先是整个流域 的数字化，在可视化系统的基础上会加入更多的智能化功能，形成智能决策系统；对 流域的地形地貌水文环境进行更为逼真的仿真，实现在三维地形上的虚拟漫游 7 - 9 1 ； 实现对流域水资源的综合利用，对国民经济的可持续发展有重要意义，最终实现数字 地球。 将洪水演进模型与数字流域技术相结合束对流域的洪水演进实现仿真，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【l 。其中在洪 水演进的数值计算方面已达到国际水平，但是在计算所需原始数据输入处理方面以及 计算结果可视化输出方面仍有待加强研究。在国外，以推广应用地理信息系统( g i s ) 技木为主。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 l l 、h e c 一2 等等。必须看到，这些软件虽然在洪水演进模型与g i s 平台韵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i 河述 华串科赫，大掌项壬学位筏妻 渚多问题，有的甚至蚁是洪水淹没面积扩展过程的简单演示，都不能够有效的模拟流 域洪水的三维淹没演进过程，从而4 i 能高效、实时地提供城市防洪对策和战略：而且 基于陔研究的重要实际价值和战略意义，我们无法完全借鉴照搬国外的现有成果，必 须丌发我们自己的流域洪水演进仿真系统。 1 2 未来发展的预测： 信息化、网络化和全球化是信息时代的主要特征。信息社会将会改变和影响我们 每个人的工作、生活及思维方式，这种影响和改变将是巨大的、异乎寻常的和激动人 心的。如今，“数字地球”正浮出水面，它使得人类“将世乔放在手掌中”不再是痴 人说梦。 数字地球，只有通过网络才能实现全球信息共享。虽然现在国际广域网i n t e r n et ， 在很大程度上冲破了国家和机构间的障碍，促成了基于信息的工作方式，但还不能达 到“数字地球”意义上的要求，因为数字地球要求信息网络真的像道路和海洋一样嵌 入到每个人的生活中，但是其基本的雏形已经渐露端倪。 i n t e m e t 这种全球结构使地球变成了一个大村落。1 9 9 9 年的7 月2 2 日i n t e x n e t 协 会年会报告称，世界上2 5 0 个国家中有2 4 0 个提供i n t e m e t 上网服务；约有一亿人使 用i n t e r n e t ，到2 0 0 0 年用户人数将达到3 l o 亿人。i n t e m e t 以每年1 0 0 的速度发展， 到下一个十年的中期，i n t e m e t 的规模将超过电话系统。i n t e m e t 已将世界各地的主要 信息渠道一网打尽，并将向世界主信息渠道的方向发展，有人认为“开放的i n t o n e t 是改变世界的核动力”。 数字地球的设想需要大规模存储，初步估算将要求存储1 0 的1 5 次幂字节的信息， 两且每灭还金产尘大量的信息。这些信息只荮分i 地存铭到全球名地的计算机+ 1 1 ，灯 在存储技术正以令人惊异的速度发展。但是现在的i n t e m e t 由于用户量的剧增和自身 技术的限制，是无法满足数字地球的需求的，当人们需要相关的数据时，迅速地从分 布在各地的数据库中调出来，如对网络带宽要求较高的多媒体实时图象传输、视频点 播等的广泛应用。 数字地球是分析处理基于地理数据的一个新框架，在此框架中我们可以将各类数 据按数据的应用性质分层次组织起来。其最底层是地球空间数据的多精度、三维表达。 4 华中科技大学硕士学位论文 它是数字地球的核心，也是技术要求最高的一层，在其上面可以按应用性质分别嵌入 流域信息、生物信息、经济信息、人文信息、科学教育信息等。这些层是数字地球的 意义所在。 作为“数字地球”的一部分，数字流域因为采用了“数字地球”技术，因而上述 的各种技术都是“数字流域”建设过程中所必需的，其中流域信息和地理信息紧密相 关，在以往的工作t 1 也急聚集了大量的数字信息，如流域的遥感图像、流域酌数字地 面模型、流域的地形圈这些数据使得实现数字流域成为可能。研究数字流域不仅在 水资源规划、防洪调度中有着直接的现实意义，而且对数字地球的整体框架构建有重 要作用。 具体到洪水演进来说，因为洪水运行的非线性、非均衡性，要完全依靠数学模型 对其进行模拟具有很大的难度，但是随着计算机技术的发展，软件功能越来越强大， 在泱水演进领域，新的研究途径会被开创，数学模型的改进仍将继续进行并且仍将是 曩基础的部分，但是会出现更多的计算机模型以弥补数学模型的不足，目的都是使模 拟的洪水演进更接近真实河道的状况 如何将水文站点观嗣数据与遥感数据有机结合并生成数字产品，服务于圈民经济 建设的任务已经摆在我们丽前基于d e m 生成数字流域、河网水系及其拓扑关系， 并在此基础卜建立空间分布的数字水文模型，获得比传统水文模型无法获取的水文过 程信息和状态变量信息既然已经构建了数字流域，就可迭加其它下垫面属性，从而 建立水文模型参数与流域特性之间的定量关系。一方面这是水文学科发展的需要和学 科前进的标志【1 1 d 2 】，另一方面对揭示水文物理规律和解决工程实际问题有着非常重要 的意义。侄何计算方法或模型，都不可能产生出信息来，只能从数据中提取信息。 个模型的优劣在于它吸收支持的多少和真伪以及利用信息的多少和提取信息的能力。 模型形形色色，有的复杂，有的简单，有的应用许多高深的数学知识，有的只有常识 蛀的攥劓，这些都不足以判断模型的好坏。关键看它是否在吸取知识和信息上有所前 进滚域水文模型在经历了一个时期的大发展之后，之所以陷入停滞，很大的原因在 于缺乏新的认识和新的信息源。只有增添了新的知识很信息，才能恢复生机。 在敷学模型的框架下，可将人类已经拥有的水文科学理论、知识与具有较强物理 5 华中科技大学硕士学位论文 概念的水动力学模掣集成- j ：休，为水定，。汁流和水资源汁算提供良好的平台数字 水文模型与传统的水文模型l 爱别呵从以卜- 二个疗丽宋分析：首先，数字模型是甚j 二数 字流域构建i 叮成，所有的流域要素( 诸立集水两积、河长、坡度) 皆山d e m 自动g ! 成，无需手j ：操作，夫人提高了丁作效率；其次，数字模型不仅能输出传统水文模型 的结果，而且能够十分方便地给出水文要素和水文状态变量的空i 日j 分布场以及任一站 点上游各支流的来水流量过程线，所有这些对水文科学研究和工程实际有着广阔的应 用前景：再者，数字模型为遥感遥测技术所获取的雨量信息在水文模型中的应用提供 了最佳平台和技术准备，当雷达、卫星测雨技术进入实用阶段时，由于流域的空间位 置已确定，一块天对一块地，雷达或卫星捕获的高分辨率实时雨量信息可以与数字水 文模型进行最佳联结，实现降雨输入与模型之间的完整结台，这就解决了长期困扰水 文模型的雨量信息输入问题，提高了模型预报的精度及预见期长度”肛1 7 1 。 总之，数字模型研究的最终目的就是利用已有的水文科学理论知识，在数字流域 的基础上，将观测点的水文信息拓展、同化至流域面上乃至流域三维立体上的信息， 并形成数字成品。为置家宏观决策和墨民经济备行备业服务 1 3 研究背景 随着计算机技术的发晨，可视化技术在近年来也得掰极大构提高现在可视化技 术主要分为两个方面，即科学计算可视化和信息可视化。科学计算可视化是计算机圈 形学的一个重要领域，它的核心是将三维数据转换为图象，它涉及到标量、矢量、张 量的可视化、流场的可视化、数值模拟及计算的交互控制、海量数据的存储、处理及 传输、图形及图象处理的向量及并行算法等。主要应用在医学及医疗、地震勘探、气 象预报、分了绐括、流体力学、卉z - 硪元分瓴、天体物理、海：；戏索、拖埋佶螅、拱永 预报、环境保护等领域。而信息可视化是随着计算机网络的广泛应用而提出来的，它 只有几年的历史。目前。计算机网络上的资源越来越多，存储的数据量越来越大，不 仅访问的结果需要用图象来表示，而且可用图象来表示海量数据各部分之间的关系， 指导和加速查找的过程。其研究内容为层次信息结构可视化、多维数据结构可视化、 时变数据结构可视化、网络运行状态可视化、分布环境算法可视化、网络潮览历史可 视化等。主要应用于超级计算机性能评价、网络运行状态监控、海量数据存储结构监 6 华中科技大学硕士学位论文 控、地理、人口、矿产、市场等领域。洪峰传播动态过程可视化设计属于科学计算可 视化的范畴。 1 9 9 8 年中国工程院张勇传院士提出了“数字流域”的思想，并结合湖北清江流域 的水能综合利用与经济发展提出了“数字清江”的构想。华中科技大学与湖北清江水 电开发有限公司共建的2 1 1t 程水电能源仿真中心正是这样一个数字流域研究基 地。中心从建立至今在硬件和软件设备上共投资了3 0 0 0 多万元。叶l 心目自口拥有国内 最大的s g l0 哪】【2 小巨型枫( 4 c p u ，4 g 内存，3 2 0 ( 3 磁盘阵列) ，1 6 台u n i x 工作站， 2 0 0 多台高档微机，用千兆网互联，形成具有并行计算能力的数字仿真计算机系统， 并建成了6 8 平方米的国内最大的立体仿真屏幕，可大幅面、高清晰地同步演示实时 生成的三维图形图象和各种立体图形图象，能同时为百余人创造身临其境的虚拟现实 环境。中心在张勇传院士的指导下，一百多位老师和研究生利用有利的硬件和软件环 境和优秀的研究环境，相互协作，在数字流域的建设方面已取得一些成果。本课题是 中心正在开展的数字流域具体项目“数字清江”的一个小模块。 1 4 论文选题的依据和意义 本课题是华中科技大学与湖北清江水电开发有限责任公司共同开发的“数字清江” 项目的“清江流域水文水情分析与仿真系统”模块中的一部分。“清江流域水文水情 分析与仿真系统”是在数字化三维地形和地理数据模型基础上建立的集水情分析预测 和可视化仿真于一体的分析仿真系统。作为“清江流域水文水情分析与仿真系统”的 一个重要组成部分，虚拟现实与可视化仿真模块通过流域和河网水系的分析的结果以 及g i s 所管理的相关空间数据实现对清江流域跨平台的三维可视化仿真与虚拟现实 并提供实时仿真的综合数据。洪峰传播动态过程可视化设计属于虚拟现实与可视化仿 真模块的一个子模块。 结合流域内综合环境治理丌发及流域可持续发展的趋势，考虑经济效益和生态的 结合以实现牲会、经济和环境之自j 的动态平衡，针对国际国内目前在流域综合整治 过程中数值方面研究较多而计算机可视化仿真方面研究较少的不足，进行流域环境可 视他仿真技术，构建“数字流域”的技术有其紧迫性。随着地理信息系统技术的飞速 发展，地球物理、地球化学和遥感数据数字化程度的提高，以及计算机及网络技术在 华中科技大学硪士学位论文 水文水情分析和预测方面的全面应用，为“数字流域”的构建及洪水演进在计算机平 台e 的可视化仿真提供了技术上的可行性，而通过遥感技术等生成的流域地形数据及 其它水文水情数据具有数据量大，数据精度高等特点，采用传统的流域洪水演进分析 方法明显不能满足生产需要，因而有必要采用高速网络、海量储存等新兴的计算机技 术j + 能精确、实时的反映出流域的真实面貌，为国民经济的发展提供有效地决策支持。 同时，虚拟现实技术在分析流域水文水情及洪水动态推进上的应用，使流域所有信息 图形化的显示在决策者眼前，具有较强的说服力和视觉效果。这是“数字流域”总的 发展方向。 因此，传统水文学、水动力学和现代计算技术的发展为综合治理流域大环境提出 了更高的要求，如何将水文水情参数和遥感技术得到的地理数据严密结合及如何再现 流域内洪水演进和预测未来可能的洪水演进时的情况是本论文最为主要的研究内容。 本论文正是基于以地理信息技术产生的地形数据和清江水电开发有限责任公司提供 的水文水情数据，采用高速网络技术、海量储存及虚拟现实技术，真实再现洪水演进 过程并能有效预测未来的水情，并为“数字流域”中洪水演进的研究提供一个较系统 的方法。 数值模拟方法在具有经济快速特点的同时，也存在形象性与直观性差的问题洪 水演进数值模拟的计算结果往往是大量枯燥的数据，以及根据这些数据所绘制的静态 流场图和水位过程曲线，这就阻碍了进一步进行洪水演进运动规律性认识的研究工 作。针时这一问题，科学可视化和虚拟现实技术的兴起，无疑是改变这一状况的契机。 科学可视化和虚拟现实为研究者提供了直观地处理研究结果的技术方法，越来越 被公认为是科学研究过程的重要纽成部分，它存计算机窄问( c y h e r s p a c e ) 巾为研究 者开辟了一个具有沉浸感的虚拟环境，实现了三维窄问和时态数据的可视化，并使研 究者既能够在虚拟环境中交互地操控研究对象，更可以在仿真模拟等科学计算过程中 实时地得到正在处理的动态过程的反馈。如果将科学可视化与虚拟现实技术运用于洪 水演进模拟中，将极大地提高对洪水演进的研究成效和数字流域的建设工作。 制订有效的防洪减灾策略，必须深入科学地认识流域的洪水发展规律，快速而准 确地预报洪水事件发生的地点、时问、范围和强度。洪水在天然河道中的运行具有非 华中科技大学项士学位论文 均匀性、非恒定性、紊动性和三维性的特征，在不同时刻不同地段水位及流量变化很 大，传统的经验性判断和预测缺乏对洪水发展规律的深入科学认识，也不能实时、动 态获取有关洪水的影响因子，以及三维再现洪水的演进过程，以至于洪水预报的结果 滞后于防洪减灾的行为。为此，必须寻找一种有效的途径来解决上述问题，数字流域 正是一种很好的解决方案。 数字流域是数字地球的一个重要区域层次。数字流域能详尽描述流域下垫面空间 分布信息，为我们提供一个内容丰富的流域数字化信息平台，以及搭建在此平台之上 的流域全状态综合仿真的技术体系。 基于数字流域技术的洪水演进系统的一个重要特点就是能够动态实时模拟洪水在 河道中的推进、演化等特性 1 0 , 2 0 , 2 1 。作为对真实事件的一种模拟，相似是系统编制 者最需要优先考虑的月题。在本系统中，最能体现相似性的就是对洪水推进过程中洪 峰传播动态过程的可视化设计。详细进行洪峰传播动态过程的可视化设计，就可以从 洪水演进过程中很逼真地观察到洪水在河道中的运动规律，预测不同时段不同地段的 洪水水位，从而可以在计算机平台上“实地”查看河流险情，观察洪水蔓延以及被淹 地区的受灾情况，为抗洪减灾提供科学的决策支持：通过对力学模型的可视化仿真， 预测不同河段的“浪击”强度和浪击险情的河段位置，为流域交通和防洪减灾策略作 试演和模拟，以检验和评价其有效性，从而提高流域洪水发生和流域河段洪水行为预 报的准确性，对制定相应的策略、傲好防洪减灾工作具有重要的意义。 1 5 论文章节安排 本论文主要分为三个部分，第一部分( 第一章) 为前言，介绍了本领域内技术发 展现状，论文的研究背景及研究意义，论文选题的依据：第二部分为相关的技术专题， 分为第二、第三、第四共三章，第二章讲述了广度优先搜索进行河道边界确定的算法， 第三章讲述了洪峰形状模拟的算法，第四章描述了洪水演进过程中流域拓扑关系自动 提取豹算法：第三个部分( 第五章) 为总结和评述，详细说明了系统的实用性及存在 的不足，并对未来丌发提出了一点建议。 9 华中科技大学硕士学位论支 第2 章广度优先搜索算法搜索河道模型的建立 2 1系统研制的思路 “数字清江”工程，是“数字地球”概念在清江流域的具体体现，是“数字流域” 思想的具体实践。它综合运用了遥感( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 、全球卫星定位系统 ( g p s ) 、计算机网络与通信、多媒体及虚拟现实( v r ) 等一系列高新技术和信息化手 段。 “数字清江”是一项综合性的系统工程。首先，它将构建全流域三维地形与三维 地貌模型，形成“数字清江”的基础平台；对全流域的地理环境、自然资源、生态环 境、水文水情、人文景观、社会和经济状态等各类信息进行采集与数字化处理，并赋 予空间属性，在统一的流域三维地形地貌基础平台上，建立各专业数据和信息之专业 属性和空间属性有机结合的流域综合性数据库；结合一系列专业分析模型，实现全流 域各类信息的跨学科、跨专业综合分析；最终，可在流域虚拟现实的环境下，实现分 析过程与结果的逼真模拟和实时动态显示、各类方案与措施的直观预演。 通过“数字清江”的建设，可以提供全流域统一的综合信息平台，实现流域各类 信息的可视化查询，将整个流域在计算机上虚拟再现。同时依托“数字流域”工程的 分析仿真系统，对全流域的水资源进行全面分析和把握、对水文水情进行实时模拟和 预报、对洪灾进行预警和灾害损失综合评估、对水电联合调度的方案进行科学制订与 评价。 在对各专业部门提供专业性和综合性相结合的高效分析工具同时，“数字清江”使 政府各级职能部门能够从宏观与微观相结合的角度，有效地管理整个流域的社会和经 济建设，运筹帷幄、进行流域资源综合丌发与合理利用、优化配置决策。“数字流域” 还可向公众和社会各界、乃至世界各地展示清江风貌、提供各类数据与信息，创造良 好的社会效益与经济效益。 清江流域水文水情分析与仿真系统是在清江流域数字化三维地形基础模型和基础 地理数据的基础上，所建立的一个集流域地形与虚拟景观、清江丰河道水情分析与动 态可视化仿真、流域专题属性图文查洵为一体的综合性分析仿真系统。 0 华中科技大学硕士学位论文 图1 系统总体结构图( 据徐学军等2 0 0 2 ) 它由水情分析子系统、虚拟现实及可视化仿真子系统和数据库及流域属性图 文查询子系统三个模块组成，以数据库为三者共有的基础及联系纽带，以清江流 域水文水情监测系统、降雨径流预报系统或用户直接输入所提供的径流流量过程等区 问来水流量过程为预报依据和输入条件、以用户输入的泄洪及发电方案为控制条件， 在流域虚拟现实的环境下，可进行用户所预报洪水、用户特定( 或假定) 洪水及泄洪 调峰方案的可视化仿真预演、反演、重现。其目的是在虚拟现实环境下，为清江流域 特瘸是主河道及库区水情可视化仿真各类工程措施和方案的比较、论证与决策提供科 学依据和极大的便利，为水电联合调度、清江流域，r 发乃至长江干流错峰减灾提供水 华中科技大学硕士孝位论支 情方面的直接数掘支持和过程与结果的直观预演。 系统总体结构分为以f 部分或兰个f 系统： 水情分析子系统 虚拟现实与可视化仿真子系统 数据库暨流域属性图文联合查询( g i s ) 子系统 三个子系统关系如图1 所示： 根据系统的设计目的和实现意义，整个系统应该达到如下效果： 首先，在输入界砸上，应具有数据录入、修改等编辑功能，和保存、调取( 打 开) 、打印等文件操作功能，同时有启动水情分析模型库进行水情分析的控件。 用户输入来流过程与泄洪过程后，系统形成当前的径流与区问来流流量过程 预报( 或用户虚拟) 数据和库区泄洪发电计划( 或用户试验方案) 。在本系统中称为 “主河道区间来流过程与库区泄洪发电方案”( 简称“来流泄洪条件”) 。 用户也可调用既往输入并已保存的来流一泄洪条件，直接或经修改后作为当 前主河道区间来流过程与库区泄洪发电方案。 其次，在虚拟现实与可视化仿真子系统中可以模拟出清江流域三维地形全景以及 一些标志性建筑物( 流域虚拟景观) ，如流域三维地形地貌；主河道( 含库区) 、支流 及其淹没区域；重要地名、支流名等名称，然后在此基础上可以从总体上进行各种漫 游，静态情况下的四种水位表示，拱峰在河道中的动态推进的实时模拟等。 再次，数据库及流域属性数掘图文联合查询子系统应当具有以下功能： 储存全流域的空问数据及属性数据，作为整个系统的公共数据库，也是虚拟现实 与可视化仿寅予系统和水情分机予系统的数据宋源与枢纽比如水情分析了系统 断面位霞的计算，虚拟现实与可视化仿真子系统的流域三维地形的生成等都要从 数据库中提取数据。 流域属性数据图文查询系统应基于空间数据库，在流域g i s 环境下实现流域水文 水情的综合查询与查询对象的显示。查询应当从用户的角度出发，可以自动查询，也 可以输入关键字查询等，以显示界面和用户操作界面上的交互方式进行。 另外，整个系统应该基于一个统一输出的界面，在此基础上，进行流域的漫游， 华中科技大学硕士学位论文 洪水的演进及淹没显示和属性数据的查询等工作，应时时考虑用户的需要及操作的方 便性，使整个系统成为个严密的整体，各子系统之间的过度应该平滑丽不留痕迹。 作为“数字清江”工程建设中二级课题“清江流域水文水情分析与仿真系统”的 可视化仿真模块，其研究目标、技术支持、实施方案、计划安排等必须按照上级项目 及课题的要求进行设计。为此，本模块诣在解决洪水演进推算过程及结果三维模拟仿 真的计算机软硬件和可视化技术的计算机实现问题。其研究可行性的背景是建立在现 代综合空间信息技术基础上，以其它模块提供的清江基础地理数据和水文水情数据为 依据，以其它模块所研究的水文水情分析模型、水力学模型及预测结果和参数为指导， 以先进的计算机硬件和面向对象的软件开发平台及应用平台为手段，进行模块的研 制，主要指标重在三维可视化效果。达到在建立流域数字地理环境及其相关现象统一 性的数字化重现基础上，通过仿真与虚拟实验，模拟洪水在全流域的发展演进过程， 获得不同部位河段的近似水位、水深、流量、平均流速，并按要求进行可视化再现。 可视化模块研制的目标如下： 以数字形式处理一切流域空间数据的“数字流域”是未来提供流域信息资源的主 体核心，“数字流域”提供的数据和信息在流域、水利、农业、林业、交通、环境、 资源( 土地、森林、水等) 、城市建设、人口等领域都能将产生广阔的社会和经济效 益。“数字流域”的最终目的是流域信息的数字化、分析应用和可视化。要利用“数 字流域”中极为丰富的信息，需要先进的虚拟现实技术、w e b g i s 技术、多媒体技术、 三维可视化仿真技术、地理信息分析处理组件技术及“3 s ”、“5 s ”甚至“多s ”技术 等做支持。 洪水演进的推算是水文预报的重要研究课题之一，有效的防洪减灾策略，必须深 入科学地认识流域的洪水演进规律。传统的洪水演进研究、洪水预报监测和防洪决策 等多建立在统计和经验( 半经验) 的基础上，缺乏有效、直观的三维模拟仿真技术支 持，以至于不能实时、动态获取和显示洪水的影响因子以及洪水行为对流域周边的影 响因子，造成洪水预报的结果多滞后于洪水预报及防洪减灾的行为，难以满足信息时 代流域经济带可持续发展的要求。随着流域信息化的深入和“数字流域”工程的逐步 展开，对洪水演进的推算必须上升到三维可视化模拟仿真的高度，才能提供快速而准 华中拜技大学蘑士学位论文 确地预报洪水事件发生地点、时l 开j 、范围和强度的直观有效的技术手段；为此，建立 在现代空间信息技术基础上，以水文学、水力学为理论指导，以先进的计算机软硬件 和可视化技术为手段的洪水演进仿真技术的研究是其一项极具实用价值和战略意义 的重要内容，洪水演进模拟仿真系统的研制也成为“数字流域”应用接口层次的重要 研究内容。 洪水演迸可视化模块则主要通过提供的多种类的流域基础地理数据和水文、水力 学参数等结果实现对清江流域跨平台的三维可视化仿真并提供综合数据的多形式可 视化再现。因此，本模块实施的预期目标为： 对其它模块产生的清江流域基础数据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形地貌，可漫游及多种效果生成； 对其它模块处理产生的流域中相关水工建筑物、重要水文站、景点的虚拟景观能够进 行无缝连接； 在模拟仿真的清江流域地形基础上，根据其它模块研究给定的水文水情分析模型 和水力学模型( 代码) 及数据进行洪水淹没过程的正演和反演动态模拟、淹没区域的 三维显示，淹没高度和淹没面积的实时显示；实现洪水演进过程的三维动画效果； 在其它模块提供的水动力学模型( 算法和计算机伪代码) 基础上，研制洪峰传播 过程的动态仿真，实现洪水在推进过程中，波浪最前端的形状模拟，洪水水面线的可 视化，洪峰传播动态过程的可视化； 华中科技大学硕士学位论文 对主河道水位、水深、流量、平均流速等水文水情参数进行多种形式、多种类别 可视化显示，为不同用户提供简洁和直观的洪水演进演算结果的图形表达方式：对水 文水情分析和水力学分析小组所提供的清江河道水力学、水文学参数实时求解结果进 行后处理，通过计算机图形图像显示准备计算，并实时仿真从而克服单纯数值过于抽 象； 苍界面友好人格化的前提下，对本模块所有功能组件进行集成包装，形成既可独 立运行的予系统，又是将来洪水演进系统的模块。 一2 藩江麓麓立拟现实及可视化仿真模块结构图( 据袁艳斌等2 0 0 2 ) 华中科教大学硕士学位论- 文 本模块拟解决的t 要问题如f ： 本模块旨在研建一个功能较强、操作便捷的流域地形及洪水演进模拟仿真三维可 视化模块。开展模块研制，将解决以下几个重要问题： 1 基于清江基础数据的流域三维地形模拟仿真，应用l o d 技术，实现清江流域 的不同比例尺的多级别、多物性的显示和与特征地物的虚拟景观的无缝连接技术； 2 基于o p e n g l ，对地形真实纹理的粘贴技术和计算机实现的数学模型； 3 对于河道中水体颜色、材质和动态特征的计算机实现技术，包括实现细节上的 信道技术： 4 动态河道的边界自搜索和洪水在行洪河道中淹没和推进的空间自相依特点的 算法模型及计算机实现技术； 5 研究洪峰传播过程的动态模拟及洪峰形态仿真的算法模型、控制参数及其获取 可视化设计 v c 平台 洪峰而辩帮蹴蝴 赫卜 一 洪水水面线的模拟 洪水水面蜘搀睫 l = 传援过圉挣如舀嘲热 a o m g l i i i y ( 裤 卜+ 雾化、闲曝学魂夥 动态数据交换 水动力学数 主次列道划分 4 9 f - 渝入l 、 找寻拧制点 水血创捕钎t _ 算 洞道断醋 不i 司时段洪峰的付 性数愀 簧 图3 洪蜂传播动态过程可视化设计系统结构图 的计算机实现技术： 6 模拟仿真的各种水文及水力学参数简洁直观的可视化方式研究及多种可视化 6 华中科技大学硕士学位论文 效果的计算机实现，此中涉及多种计算机软件编程技术( d d e 、o l e 、c o m 、s d e 等) ： 7 影响软件执行效率的大数据量的处理技术； 8 多种数据转换及数据接口技术； 整个模块的结构图如图2 所示。 洪峰传播动态过程u j 视化设计是属十“数字清江”工程中“虚拟现实与可视化仿 真”模块的一个子模块，其主要任务为： 在模拟仿真的清江流域地形基础上，根据其它模块研究给定的水文水情分析模型 和水力学模型( 代码) 及数据进行洪水淹没过程的正演和反演动态模拟、淹没区域的 三维显示，淹没高度和淹没面积的实时显示；实现洪水演进过程的三维动画效果； 在其它模块提供的水动力学模型( 算法和计算机伪代码) 基础上，研制洪峰传播 过程的动态仿真，实现洪水在推进过程中，波浪最前端的形状模拟，洪水水面线的可 视化，洪峰传播动态过程的可视化： 洪峰传播动态过程可视化设计系统结构图如图3 所示。 2 2 广度优先搜索算法搜索河道模型的必要性 对河道边界进行自动搜索是本系统研制的基础，对应于不同的洪峰水位，有不同 的水面边界。只有根据洪峰水位动态确定河道