（水利工程专业论文）赣江数字航道构建研究.pdf

摘要 摘要 本文在全国信息化建设步伐日益加快的背景下，以赣 江下游( 樟树南昌) 河段为对象，提出了航道部门构建 “数字航道”的理论体系、框架结构和实现数字航道的关 键技术，讨论了“数字航道”在赣江的实现，开发出基于 g i s 的航道管理、维护模块和河演分析模块。实现了一维、 二维水流泥沙数学模型与g i s 的集成，q 以在河道上任意 设置整治工程，经过数学模型的计算，将整治工程对航道 影响的效果形象地表达出来，便于决策及工程实施。并采 用三维可视化技术作为航道虚拟现实的基本实现手段，在 航道d e m 数据基础上开发了赣江下游航道与整治工程的 虚拟仿真。在此基础上，构建“数字航道”工程的框架。 关键词：地理信息系统、数字航道、河床演变、数学模型、 集成 a b s t r a c t a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do fi n c r e a s i n gi n f o r m a t i o nd e v e l o p m e n t ；t a k i n g d o w n s t r e a mo fg a n j i a n gr i v e ra sa ne x a m p l e ：t h ea u t h o rp r e s e n t e dt h e t h e o r e t i c a ls y s t e ma n dt h ec o n s t r u c t i o nf l a m eo fd i g i t a ln a v i g a t i o nc h a n n e l t h e nd i s c u s s e dt h er e a l i z a t i o no fd i g i t a ln a v i g a t i o nc h a n n e li ng a n j i a n g r i v e ra n dd e v e l o p e dt h en a v i g a t i o nc h a n n e lm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e m o d e la n dt h er i v e r b e de v o l v e m e n ta n a l y t i cm o d e l a u t h o ri n t e g r a t e dt h e o n ea n dt w op l a n ed i m e n s i o nm a t h e m a t i cm o d e lo fw a t e rf l o wa n d s e d i m e n tw i t hg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m o n ec a ns e t u pr e g u l a t i o n e n g i n e e r i n go nt h er i v e rc h a n n e la so n ew a n tt o t h e nt h ei n f l u e n c eo ft h e c h a n n e lr e g u l a t i o ne n g i n e e r i n gt on a v i g a t i o nc h a n n e lc a nb e v i s u a l i z e d a f t e rc a l c u l a t i n gw i t ht h em a t h e m a t i cm o d e l7 l h i sc a ng r e a t l yh e l pu st o m a k ead e c i s i o na n da c t u a l i z ee f f e c t i v e l ys o m ek i n do fc h a n n e lr e g u l a t i o n e n g i n e e r i n g f i n a l l y ，d e p e n d i n go nd e m d a t ao ft h er i v e r b e d ，t h ea u t h o r s i n m l a t e dt h er e a ld o w n s t r e a mo fg a n j i a n gr i v e rs u c c e s s f u l l y t h eb a s a l i n s t m m e n tt ov i s u a l i z et h er e a ln a v i g a t i o nc h a n n e l i st h r e ed i m e n s i o n v i s u a l i z e dt e c h n i q u eo nt h eb a s eo ft h o s em e n t i o n e da b o v e af l a m e s t r u c t u r eo f 。d i g i t a ln a v i g a l i o nc h a n n e l ”i sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，d i g i t a ln a v i g a t i o nc h a n n e l r i v e r b e de v o l v e m e n t ，m a t h e m a t i cm o d e l ，i n t e g r a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 赣江是长江水系中的第一二火支流【2 0 , 2 1 , 2 2 ，是江西省第大河，它发源于闽赣 交界的武夷山区，自南向北流绛赣州、吉安、宜春、南昌和九江血个市，至永修 县吴城镇注入鄱阳湖，再经星子于湖u 入长江，湖口集水面积16 2 2 2 5 平方公里。 瑞金至吴城全长7 4 7 公里，入湖流域面积8 3 5 0 0 平方公里，占全省面积的5 1 5 。 先后接纳流域面积1 0 0 0 平方公里以上的支流1 3 条，支流通航罩程2 3 3 5 公里。 上游章江与贡江于赣州交汇后汇入赣江，赣州至吴城与湖区航道的吴城至湖 口共同构成赣江入氏打= 的主航道，全长6 0 6 5 公晕，其中赣州至力安9 5 公里为 库区航道，万安至樟树2 6 2 5 公里为级航道，樟树至南昌9 2 公里v 级航道已 经建成，南昌至湖口15 6 公罩i l i 级航道已基本建成，年内将交工验收。 赣江二游瑞金至7 j 安，长3 1 6 5 公里，穿越山地和丘陵，地势较高，河床质 多为粗砂、卯砾石，部分河段为礁石，枯水! f 均比降o3 2 o ，属山区性河流。中 游万安至樟树长2 6 2 5 公里，跨越吉泰衙地， 、段两岸筑有圩堤，十i 水平均比降 o 1 6 。下游樟树至吴城长】6 8 公罩，流经沪积平原，地势较低，两岸筑有圩堤， 属平原河流。吴城至湖 属鄱阳湖区航道，睦8 1 公里。湖区航道顺直，航线稳 定，枯水平均比降0 , 0 4 7 o ，吴城以下2 0 公里的褚溪河口是鄱阳湖五河来水的总 汇口，受五河及睦江的双重影响，水量充沛，比降平缓，航道条件优越。 赣江自南昌以下进入尾唰地区，干流在南昌市的扬子洲分东西两河共四汉入 湖。东河于礁矶头分汉为中支、东支，中支经南新、大口湖在朱港入湖，河长 4 3 公里，东支是东河主流，经叶楼，滁槎，在三江口同抚河、信江西支交汇后 入湖，河长5 6 公里。西河在樵舍分汉为北支和谣支，北支干流经蒋埠在朱港同 中支汇合，长2 8 公里，仅在中洪水分流，枯水过流少，赣江西支经樵舍、昌邑 于吴城入湖，是赣江入湖进江主要通道，出江航程比取道东河近4 8 公里，经鄱 阳湖区会同长江和省内 ：j 【：、信、饶、修四河构成天然水运网络。 江西省河网纵横交错，水运条件优越，赣江及信江为全国水运主通道，全省通 航总里程为5 5 6 0 公里，其中四级航道15 6 公里、五级航道2 1 4 公里、六级航道7 4 1 公里、七级航道1 1 6 0 公咀，等级航道所占比重为4 08 4 。2 0 0 2 年底，赣江( 樟树 塑查垄堂三堡堕主堂些垒墨 至南昌) v 级航道整治工程提 i 三个月完工；现赣江( 南昌至湖口) i i l 级航道整 治工程萨在建设过程中，将于年底提前建成：吉安樟树v 级航道整治工程也于 2 0 0 3 年1 1 月开工建设，将于2 0 0 5 年底提前建成完工。随着航道工程陆续建成，通 航能力的提高，赣江作为江西省的黄金水道，将为江西全省经济建设、社会发展 创造j ，良好条件。 内河航运作为综合运输体系的重要组成部分，逐步得到中央和地方的重视， 但是，与其他运输方式的迅猛发展相比，内河航运的发展还处于相对滞后状态， 仍然是综合运输体系中最薄弱的环节。江西省航道系统的管理信息系统至今未能 建立，影响了航道整治工程整体效益的发挥。因此，作为国民经济和社会发展的 基础产i p 之一的水路变通，必须着力解决水路交通运输的效率、安全及服务等根 本性问题，形成高效、经济、安全的航道运输网络，基本实现水路交通管理现代 化。 随着现代技术的快速发展，以计算机技术、网络技术为基础的信息技术得到 广泛运用，相对而言，江西省的航道信扈、系统还比较落后，航道的技术管理、建 设管理、行政管理等力面还没有形成刚络化、信息化，因此，以信息化建设为主， 推动江西省航道管理现代化。 区域经济的协调发展和外向型经济的不断发展，要求内河航运体系进一步完 善，充分发挥内陆地区借河出海发展外向型经济的作用，对江西省航道网建设及 其运输质量也提出了更高要求。航道作为服务于航运、服务于全社会的国家重要 公益性基础设施，需要为江西实现现代化提供有力支持和保障。因此，搞好江西 省航道信息化建设有着重要的现实意义和战略意义。 1 2 研究综述 j 9 9 8 年1 月，美园副总统戈尔在加州科学中心作了题为数字地球的演 讲，标志美圉“数字地球”战略计划出台。戈尔在讲话中给出了嚏女字地球”1 1 7 的概 念。从此，数字地球的概念迅速传遍全球。为了合理利用、治理和丌发我国的河 流资源，我国的水利工作者又提出了“数字流域”、“数字河流” 1 7 , t 9 j 这一概 念，通俗地讲，“数字河流”就是把全因河网装进我们的计算机，从而可方便地 模拟、分析、研究全国河流的自然现象，探索其内在规律，为河流治理、丌发和 管理的各种方案决策提供科学技术支持，用数字化手段统一处理全国河流问题， 2 第一章绪论 同时又最大限度、最大效能地利用信息资源。 “数字航道”是基于“数字地球”和“数字河流”的概念卜提出来的新思路， 它既是“数字河流”5 j n f * ，但又有别于“数字河流”。“数字航道”是基于网络 环境的、以数字信息为核心的航道信息体系。它可以与“数字河流”的全数字化 数据库平台进行互通，并建立航道及其相关地区的数字化研究纠：境，采用数学模 型对航道治理丌发和管理的各种方案进行模拟、分析和研究，并在可视化的条件 下提供决策支持，增强决策的科学性和预见性。 “数字航道”的目标主要包括：l 、航道的综合治理和丌发；2 、航道的管理 和维护；3 、促进航运更安全、便捷；4 、实现航运的可持续发展。 “数字航道”的主要技术支撑包括：地理信息系统( o r s ) 技术、卫星定位系 统( g p s ) 技术、遥感( r s ) 技术、三维信思可视化技术、网络技术、数掘库技术、 分布式计算技术、多媒体技术等。地瑁信，官、系统( g i s ) 、遥感( r s ) 和卫星定 位系统( g p s ) 构成3 s 系统，它们是“数字航道”的基础。 g i s 是英文g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m 的缩写，中文译为地理信息系 统。在英文文献中也有用s p a t i a li n f o r m a t i o ns y s t e m 的，即空间信息系统，来表 示同样的意思。地理信息系统通常泛指用于获取、存储、查咖、综合、处理、分 析和显示地理空间数据及其弓之相关信息的计算机系统。它的特征有两点：一方 面，它是一个计算机系统：另一方而，它处理的是数据是地理空问位置数据及其 与之相关的信息。 地理信息系统是随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而 发展起束的一门学科。它萌芽于2 0 世纪6 0 年代初，加拿大的r o g e rft o m l i n s o n 和美国的d u m l efm a r b l e 从不同的角度提出了地理信息系统概念。1 9 6 2 年， t o m l i n s o n 提出利用计算机处理分析大量的土地利用地图数据，并建议加拿大土 地调查局建立加拿大地埋信息系统，以实现专题地图的叠加、面积计算等。1 9 7 2 年，c 地理信息系统投入初步运行与使用，c 地理信息系统在技术上取得了重大 突破，如地图数据的扫描输入，栅格- 矢量数据转换。- 与刮c n 时，d u a n e f m a r b l e 在美国西北大学研究可以在数字计算机运行的软件数据系统，以支持大规模城市 交通问题研究，并提出建立地理信息系统软件系统的思想。同期，计算机辅助制 图系统的研究也开始发展起来，并对地理信息系统发展有着深刻的影响。2 0 世 塑查垄堂兰堡翌主鲎堡丝墨 纪7 0 年代为地理信息系统的巩固发展时期，注重于空间地理信息的管理。地理 信息系统得到全面发展，随着计算机技术发展，地理信息系统的运用需求和专业 人力不断增加，产生了桌面地理信息系统。2 0 世纪8 0 年代为地理信息系统的大 发展时期，注重空问决策支持分析，地理信息系统的应用领域迅速扩大，从资源 管理、环境规划到应急反应等多个领域；2 0 世纪9 0 年代为地理信息系统的用户 时代，需求大幅增加，国家乃至全球性地理信息系统为公众关注的问题。如地理 信息系统已经列入美国政府制定的“信息高速公路”；我国的“三金工程”( 金 卡、会桥、金网) 中也包含地理信息系统。 基于g i s 的数字流域、数字河流研究和运用 i9 1 已经十分广泛。如黄河水利 委员会为实现从“传统水利向现代水利、可持续发展水利转变”这一新时期治水 新思路，以信启、化推动黄河治理丌发和管理现代化，于2 0 0 1 年7 月2 5 同，j 下式 提出建设“数字黄河”工程。数字黄河主要是借助现代化手段及传统手段采集基 础数据，对全流域及相关地区的自然、经济、社会等要素构建一体化的数字集成 甲台和虚拟环境，以功能强大的系统软件和数学模型对黄河治理丌发与管理的各 利，方案进行模拟、分析和研究，并在可视化的条件下提供决策支持，增强决策的 科学。瞄洱u 预见性。此外，我国主要流域机构树继捉出了“数字长江”、“数字淮河” 等数字河流研究。 对于传统的河床演变分析、物理模型、数学模型及航道整治工程设计需较多 的人力、物力，得到的仅仅是平面结果和相关数据，通用性和共享性不强。而地 理信息系统是一个具有创建、转化、编辑、显示、查询数字化地图及相连属性数 据的系统，有较强的空m 分析、数据管理、可视化功能。近来，地理信息系统在 河道整治工程及河道管理中丌始应用，如已经研制的长江镇扬河段河床演变和工 程管理的地理信息系统，该系统根据历年数字测图和g i s ，实现了任意区域的河 床演变分析和工程管理的可视化，为镇江市的防汛决策、河道整治、港口疏浚提 供了基础信息。 随着量测技术和信，皂、技术的发展，大量地图多以电子地图的形式存储、显示、 输出和管理，如遥感图、g p s 数据，地理信息系统在空间数掘分析、转化、输入 输出等方面优越性突出。提出本项目的研究，将使赣江p 游河床演变分析测图 自动存储管理，航道整治工程辅助设计、数据查询等工作将变得方便快捷，进 4 第一章绪论 步提高设计效率、科研和管理水平。 1 3 本文研究内容和研究方法 论文主要由七大部分内容组成，主要研究内容及章节安排如下： 第一章绪论。简要说明数字航道问题的提出，该课题的研究意义，对数字 航道关键问题的研究进展进行综述，提出本文的研究目的与研究内容。 第二章对数字航道关键技术基础。对应用桌面g i s h , j 开发方式，以及g i s 与专业应用模型集成的方式、面临的技术问题以及集成的步骤进行探讨；数宇航 道的有关数据库技术；数字航道研究预测的水流泥沙数学模型研究；数字航道研 究的开发环境。 第三章航道管理与维护信息系统。建立航道测图管理系统，航道基础信息 系统及航道管理与维护等系统。 第四章河床演变分析子系统。包括固定断面冲淤分析，任意区域河床冲淤 分析，航道整治工程后河床演变。实现河床冲淤时空变化信息加工、处理、分析、 查询及输出。 第五章水流泥沙数学模型辅助决策支持研究。研究采用一维和二维水流泥 沙数学模型和g i s 结合进行航道整治工程建设的规划、设计与决策。 第六章赣江数字航道初步实现。论文以赣江( 樟树一南昌) 数字航道地理信 息系统为例，论述了实现赣江数字航道的实现日标、功能组成、体系结构等。 第七章 结语与展望，列本文的研究工作和成果进行总结，并就进一步的工 作提出自己的意见和建议。 河海大学工程硕士学位论文 第二章数字航道关键技术 2 1 地理信息系统( g l s ) g l s 是数字航道信息服务平台中的一项重要服务，首先它的空间数据库管理 功能，能够为数字航道管理系统的各项业务应用提供空问数据服务；其次在空间 数据管理的基础上g i s 能以图形，表格，计算模型等方式为数字航道管理系统的 各类用户提供地理信息相关的各种信息服务，如地图导航查询，地图叠加表现 和空间信息分析等。 作为数字航道信息服务平台的一部分，g i s 首先是空川数据的管理者。从数 据采集基础设施获得的各种地理基础空间原始数掘经过遥感图像预处理和g i s 编码加工后进入空间数据库，而来自其他部j 的社会经济数据则存入相应的属性 数据库。通过空问数据库、属性数据库及其它航道业务数据库i u j 的关联，在g z s 的地图导航查询服务支持下，业务应用用户能够访问空间数据库、属性数据库 和其它航道k 务数掘库中的各种数据；通过g i s 地图叠加表现服务，用户还可以 得到以数字地图为背景的各种信息直观形象的图形图像可视化表现，改善数据的 表现能力；g i s 的空问信息分析胀务可以为用户对各种空间数据和属性数捌进行 深层次的加1 ，从而提供各种有用的辅助决策信启、。 基础地理数据采集，基础地理信息处理，空间数据管理，地图导航查询， 地图叠加表现和空间信息分析，虚拟现实构成了数字航道信息服务平台中的g s 服务。 2 1 1 基础地理数据采集 建设航道管理所需的基础地理数据包括：大地测量数据、遥感影像数据、地 形图数据、数字高程模型数据( d e ) ，t ) 、数字栅格地图( d l ( ；) 数据。 大地测量数据是赣江水系地理数据的定位基础和定位依据。这砦数据包括： 1 f 面控制测量数据、高程控制测量数据、g p s 测量数据、蕈力测量数掘等。通过 分竹j 存赣江水系各等级的三角点、水准点、g p s 点、重力点、天文点，构成了赣 江水系地理空问的定位基准。 地形图是地理信息的年要载体之一。按照成图介质的不同，分为线划地图和 数字地图。圉家基本比例t 地形图包括11 种比例尺，从大到小依次为：】：5 0 0 、 6 第二章数字航道关键技术 l ：1 0 0 0 、l ：2 0 0 0 、1 ：5 0 0 0 、l ：1 0 0 0 0 、i ：2 5 万、1 ：5 万、l ：1 0 万、l ：2 5 万、l ：5 0 万、l ：l o o 万。 国家基本比例尺地形图测绘遵循的是满足国民经济建设备部门通用性要求 的原则，是国家基本地形图。航道专业用图有其自身的特殊需求，如对航道专题 要素的表示、高程测量精度要求等都不同于国家基本比例尺地形图。赣江基础地 理数据的获取，阻满足航道专业特殊要求为原则。 测绘是赣江水系基础地理数据获取的主要手段。随着现代技术的发展，传统 的测绘技术已被以全球定位系统( g p s ) 、遥感( r s ) 、地理信息系统( 6 i s ) 为代 表的“3 s ”高新技术所取代。建立赣江流域基础地理信息系统，利用3 s 技术， 按照应用系统建设要求，对赣江流域基础地理信息进行采集。 1 、在基本控制测量方面，可布设各等级的g p s 控制阚，快速、准确进行高 精度平面控制测量。应用已有各等级水准点，通过收集或测量重力资利，进行大 地水准面精化，使g p s 高程测量精度达到厘米级，代替同等几何水准测量。利用 c , p s 进行高程测量，可充分发挥g p s 测量方便、高效、精度高、成本低的优势， 提高作业效率。 2 、航空摄影测量是大范围地形图测绘的主要方法，具有操作简单方便、成 图速度快、精度高、自动化程度高等特点。数字摄影测量的产品为数字产品，且 产品形式多种多样，不仅t 口以生产数字线划地图，而且可以生产数字高程模型、 数字证射影像图、三维虚拟现实等产品。 3 、扫描数字化是地图数字化的主要手段。对于已有纸图，可采用扫描数字 化的方法进行数据采集和入库。利用g i s 数据采集和编辑模块，分层、分要素采 集各种地物和地貌要素。通过程序设计，在要素采集时可同时输入其属性数据， 实现数据采集、属性赋值和数据入库一步到位，减少中间环节，提高作业效率。 赣江流域基础地理信息系统建设中，对大量已有的各种比例尺地形图，可通过扫 描数字化的方法进行数据输入。 2 1 2 基础地理信息处理 基础地理信息处理【7 _ 9 1 逻辑提供基础的地理信息处理分析功能，主要可以 分为图形显示、查询检索、制图综合、符号编辑、图形编辑、属性数据编辑、缓 g e x # * 行- 、网络分析、空间分析等处理逻辑。基础地理信息处理逻辑不但可以为 7 望堂垄堂堡堡主兰堡堡墨一 应用系统提供通用的地理信息分析服务，也可以为专业应用服务提供专业分析功 能。 图形显示处理逻辑具有矢量图形显示、漫游、无级缩放、导航、栅格数据 显示、保存、另存等功能。 查询检索处理逻辑具有自由封闭区域查询、圆形区域查询、矩形区域查询、 全局查询、属性条件查询、点查询、线查询等功能。 制图综合处理逻辑具有图形分层、按比例尺综合取舍、按比例尺概括等功 能。 符号编辑处理逻辑只有点符号编辑、线符号编辑、面符号编辑等功能。 剀形编辑处理逻辑具有选中、删除、替换、新建、拷贝、复制、动作撤销、 动作重复等功能。 属性数据编辑处理逻辑具有显示、删除、新建等功能。 缓冲区分析处理逻辑具有线状缓冲区分析、自由封闭区域缓冲区分析、圆 形区域缓冲区分析、矩形缓冲区分析、特定面? 状目标缓冲区分析等功能。 网络分析处理逻辑具有最短路径分析、最佳路径分析、旅行路径设计、连 通性分析、关键路径查找、关键节点查找、连通节点( 边) 查找、临近节点( 边) 查找等。 拓扑分析处理逻辑主要完成以下功能：冗余顶点、悬线、重复线、碲多边 形的柃裔显示和清除；临近节点合并；冗余顶点合并：结点类型识别( 酱通结 点、假结点和悬结点) ；弧段交叉和自交叉；长悬线延伸；假结点合并；追踪并 构建多边形； 网络关系建立。 2 1 3 地图查询导航f 7 - 9 】 地图查询导航是g i s 最基本的功能之一。它所涉及的操作比较简单，主要 是空间数据和属性数掘的双向查询。在第一种情况下，用户可以在屏幕 ：指定检 索发生在该位置上或距离该位置定范罔内的空间对象的属性特征信息。而在属 性数据到空间数据的查询中，用户可以在地图中找山符合一：兰属性条件的空间对 象，被捡索对象区域q 以在原视图中高亮显示。 地图浏览查询：建立g i s 应用服务器，采用多种比尺地图数据融合、空间 奄洵和复合条件查询相结合技术，提供基于电了地图为背景的各类工程信息查询 第= 辛数字航道关键技术 等。 2 14 地图叠加表现【8 】 g i s 中的地图叠加包括图形图像的生成和空间数据查询分析。图形图像包 括用于数据显示的二维图和三维图，以及用于对数据进行分析评价的可视化表达 的散点圈、直方图和条形幽表等。这罩的i 维图是把三维的地理空间数据转换成 二维计算机屏幕上的图形图像，是属于从三维空间到一维空间的映射，需要一系 列的计算机图形学技术。 在视窗环境中同时建立某种地理对象的多种类型的图形图像，利用网形图 像之间基于地理分析方法模式建立的动态关联，可以更清楚地表达地理对象的展 布模式及其不确定性，例如，将地图、同表、图形和扫描图像等显不在同一视图 中，并使它们彼此之恻建立动念联系，通过图形图像的动态逛接与卒问数据查询 的结合，可以实现在一个图形l 墨 像中的对象选择同时使另一个图形图像中相应对 象的对应特征高亮显示。 21 5 空间信息分析j 空间信息包括空间位置，空划分布，空问形态，空州关系，空间质量，宅 间关联，空间刘比，空问趋势和空闽运动等九人内容。空间信息分析作为g i s 的 核心功能之一，它包括空问信息量算，空间信息分类，空间信启澄合，网络分析， 邻域分析，连接，空问信息统计分析等。 g s 具有很强的空f 日j 信息分析功能，这是g i s 区别于一股信启、管理系统的 独特之处。利用空间信息分析技术，通过对原始数据模型的观察和实验，用户。叮 以获得新的经验和知识，并以此作为空蚓行为的决策依据。 2 16 虚拟现实技术1 虚拟现实要给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的 实时感知交互手段，耍让用户方便地与数字虚拟世界最大限度地交互，并能直接 操纵其中的客体。因此，虚拟现实系统必须提供比一般计算机系统更加先进的用 户接口。这些接口包括：实刚三维汁算机图形技术支撑的多角度立体显示、观察 者( 头、眼) 的跟踪、手及手势、人体姿势的跟踪、立体声、触觉、力觉反馈及 语音输入输出等。数字航道系统中，可以应用虚拟现实技术的业务应用很多。让 决策者进入未来，评判现在，是虚拟现实技术的重要应用领域。 9 河海大学工程硕士学位论文 一一三维仿真处理逻辑提供三维场景的仿真，使用户有身临其境的感觉。主要 可以分为数- t - f g 懦模型( d t m ) 生成和编辑、静态三维仿真图制作、动态三维仿 真图制作等。数字地面模型( d t m ) 生成处理逻辑具有从等高线生成d t m 、从立 体遥感图像对生成d t b t 等功能。静态三维仿真图制作处理逻辑具有d t m 建模、纹 理贴加、模式转换( 点阵模式、线阵模式) 、d t m 分层设色等功能。动态三维仿 真图制作处理逻辑具有沿选定的路径飞行模拟、步行模拟及交互式模拟等功能。 22 中间件技术 1 3 , 3 7 1 软件中间件是位于基础平台( 硬件和操作系统) 和应用之问的通用服务，这 些服务具有标准的接口和曲、议。针对不同的操作系统和硬件平台，它们可以有符 合接口和协议舰范的多种实现。软件中间件通过提供在网络h 互相通信的标准机 制来支撑应用。 中间件能移屏蔽操作系统和网络协议的差异，为应用提供多种通信机制； 并提供相应的服务以满足小一j 领域应用的需要。因此，中间件为应用系统提供r 个相刈稳定的环境。 本系统开发应用技术先进、对异构平台适应性强的t o p m a pa c t iv e x 中问件 技术，构建中间层应用服务系统= 7 f o p a pk c tiv e x 是基于w i n g e m e n 1 、2 0 0 0 x p 组件式地理信息系统( c , i s ) 丌发工具，为用户提供了全面且强大的地理信息系 统功能，包括多种文件格式转换、图形编辑、矢量校准、图形显示、属性数据操 作、专题分析、空问分析、拓扑分析、网络分析、等值分析、栅格分析、高精度 打印等。丌发人员可以在熟悉和喜欢的丌发环境中( 如v b 、v c 、d e l p h i 、p b 等) 利用t o p , l a pa c t i v e x 丌发出各种地图应用，就象加入。个按钮或者一个文本框 样方便，t o p t l a pa c t i v e x 可以无缝地融入到应用程序中。t o p m a pa c t i v e x 充 分考虑i e j 户的需求，坚持”功能强大、易学易用”的原则，从基本制图功能到复杂 的g i s 分析功能，只需要调用相应的函数，传八不同的参数及预定义的常数即可， 完令不必关心内部复杂的对象模型和拓扑关系，轻轻松松上于。t 。p pa c t i 、r e x 主要功能列举如下： 。t o p m a p 地图工程格式与其它流行g i s 、c a d 产品地图格式的转换： 按工程、圈层组织地图数掘； 地图漫游、缩放，图层按比例控制显示，任意图层i 玎控制显示、选择、 1 0 第二章数字航道关键技术 一 编辑属性： 多样的地图实体选取、属性信息查淘、窄i 、日j 信息( 如位置、周长、面积) 获取： 。灵活的实体书】i 注功能，支持普通标泞、智能标注、浮动标注、复合标注： 。丰富的实体类型：点、折线、曲线、矩形、圆、圆角矩形、椭圆、弧线、 扇形、多边形、边界光滑多边形、图像实体等： 可扩展的点、线、面样式，t o p i , , i a p 内置了丰富的点、线、面样式，可以 利用样式编辑器添加个性化的样式； 。实用的实体编辑转换功能，包括文体移动、节点编辑、变形、旋转、镜 像、组合、分解、面实体与线实体互转、多实体节点联合编辑等； 强大的矢量坐标校准功能，提供直接校准函数和内建剥话框两种方式， 指定3 个或3 个以上的校准坐标进行矢量校准。只要校准坐标合理，矢量校准可 达到很高的校准精度； 多媒体支持功能，内建播放器，任何实体可附加任意多个义本、图像， 声音、动画多媒体信息，并且允许用户白定义并播放多媒体( 例如网页) ； 实体运算功能，能对实体进行切割、求交、并、补等，速度利稳定性达 到国内外先进水平； 史体加密光滑化及节点抽稀功能： 内置图层数据库为标准d b a s f i v 数据表，可以通过数据库等方式访问， 实现属性数据动态刷新； 空间查询功能，包括落入查询、包含查询、穿越奄询、影响范围查询： 所见即所得的打印功能，灰度、彩色图像文件输出，可以分幅输出广告 级的高精度j p e g 图像； 指定实体坐标信息动态创建安体功能，能动态创建点、线、面实体； 出色的专题制图功能，可以制作个性化的枉状图、饼状图、半饼图、堆 积图等； 强大的等值线、面分布生成功能，并可自定义生成线、面标注； 实体b u f f e r ( 缓冲区) 生成功能，速度快，稳定性高： 图层问操作功能，包括图层合并、多边形裁剪图层、图层相交、根据属 河海大学工程硕士学住论天 一一一 性合并实体等； 栅格分析功能，基于d e - i 的地形分析，包括洼地填充、流向分析、流量 累计、流域分析、坡度分析、坡向分析、流域查询、流域、集水区域生成等； 强大的网络分析功能，支持自动生成网络层，最短( 最优) 路线查询； 图层数据加密功能，保护开发商利益； 线图层自动拓扑功能，速度和稳定性达到国内外先进水平； 其它类型实体的图层转换为文本实体图层、点实体图层功能； 点图层生成三角网图层、泰森多边形图层功能： 2 3 水沙数模成果可视化的关键技术 2 31 插值技术 在数模i ：t 算成果的可视化中，如何利用有限的网格节点上的计算值来获取 图象内任意象素单元的桐关物理量值成为至关重要的步骤，从而使得网格插值技 术成为影州动念罹示准确性的关键凶素。根据计算要求的不同，计算网格的划分 也多种多样，有结构网格和非结构网格、贴体网格和非贴体网格、限交网格和非 正交网格等，但归根结底无非就是三角形网格和四边形网格。 常刖的捅值公式有三种：最近邻点法、双线性插值法和三次卷积法。最近 邻点法是取待捅值点周围四个t l 中最近的点的值作为内插结果，该法虽有计算简 单、速度快等优点，但精度较差；三次卷积法则是利用三次多项式逼近理论上的 最佳捅值函数进行内插，此法精度较高，但计算量很大，难以满足计算速度的要 求：取线性插值浊则是利用邻近叫点在水平和垂直方向进行线性内插，其精度和 计算速度均较高，故而成为常用插值方法的首选。 l 、三角网插值 较为常见的二角网插值方法为：以三角单i 的计算节点为参数，建立该三 角网的参数方程，求解方程得到各参数值，最后将刚格内任意点的位置坐标代入， 从而内插出任意所需点的物珲量值。其基本原理如下： 任一三角元内的物理量满足线性方程： 一一塑兰主堕! 兰墨垫坠一 将三个节点l 的x ，y 及第n 时刻这三点的l - ，v 代入方程求解放程组( 3 ) ( 4 ) ，求出第n 利刻的a 1 、b l 、c l 、a 2 、b 2 、c 2 ， 再将该- 角单兀内的流体质点坐标代入( 1 ) 、( 2 ) 式可求出第n 时刻珐质点 的u 、v 值： v ，= ，x + 6 ，j 1 ，十c 2 以上算法实现r 三角彤内各点物堙量的j 摘，然而存1 二同时& 1 ，虬何确定 流体质点究竟流入那个三角元虎呢? 这就涉厦到2 角元内质点的判别。 y ) 星2l三角元内流体质点的判定 如图3 1 ，设i j 的直线方程为：y 2 “v 。+ 6 v ：j k 的直线方程为： y = “+ ：k 1 的直线方程为：y5 。t ，。+ 蚝。另设一流体质点门( 。t ) ， 若剥于该三角形的任一边而言，质点门与另 顶点均处于这条边的同一侧，那么 可以断定该质点! 必处于三角元内部，则，只要有 条边不满足，浚质点必位r 3 ，fh翻巾啦瓞 一n “ 只”儿 h h k h m 河海大学工程硕士学位论文 三角元的外部。 将网格节点k 和流体质点以的坐标分别代入i j 直线方程，并求其差值 a k = ；x + 一y 女，a n 2 a ! t x 。+ b f f j ，。 同理，i a 女x ，+ b j a y ，a r t j = “。? ，+ 6 一y “ | = c l k l x j + b k ：一y ja n f = a k “x ，+ b b y ， 若网格节点k 和流体质点心位于i j 直线的同侧，则尼”。o ，流体质 点以位于= 三角元i j k 域内的判别条件为：a k 吼0 ，”，2o ，f 。”t 0 ， 三者缺一不i j 。对于每一个流体质点，在其附近区域内循环判断，从而确定出该 质点流入那个二角单元，进而实现物理量的内捅。 判断一点是否位于多边形内的方法还有射线法、角度求和法等。射线法的 原理是从该点出发向外引剁线，判断该射线与多边形边界的交点的个数，若为奇 数个，则该点位于区域内；若为偶数个，则孩点位于区域外。特别提到的是，对 于射线与多边形相切的情形，交点的个数看成偶数个。角度求和法的原理是将待 考察点分别与三角形的顶点连线，计算蛆待考察点为中心向二个顶点构成的张角 的角度和，若等于3 6 0 度，则该点位于三角形内，否则位于三角形外。 2 、不规则凸多边形插值 以上讨论的插值算法是基于三二角网格的算法，可以看出，法算法在实现中 需要对每个三角骨尤求解平面方程组计算出每个单元的插值参数，而后针对每 个流体质点在大量三角单元中进行循| ；i = 判别，占用了町观的计算机资源，其复杂 度q 想而知。针对这种情况，本系统借鉴双线性插值法的思想，采用了一种不需 要循环判断的不规则凸多边形插值算法，陔算法基于物理量在计算域内呈线陛分 布的特征，算法崽想简单，实现方便、鬲效。 数值计算中，引算网格可以划分为结构化或非结构化网格。结构化网格较 为规则，非结构化网格( 如三角测) 则不太规则，但对插值算法而青，凸多边形网 格规则与否毫无影响。任驭计算域内一不规则阴边形a b c d ( 凸多边形边数不限) 为研究剥象，a 、b 、c 、d 为组成四边形的网格节点，其坐标如图2 2 所示。 4 第二章数字航道关键技术 y ) x 圈2 2 不j | ! ! 则四边形插值 该算法的实施步骤如下： 1 ) 、分别连接不规则多边形( 以四边形为例) 的各边a b 、b c 、c d 及d a ，并 对各象素点进行物理量的线性插值： 2 ) 、在各边的过程中i 已录每个象素点的特征值，这些特征值主要包括该象 素点的v 坐标、对应于陔v 坐标下的x 坐标范围值，即该yj 层的x 坐标最大值 x f 最小值x 1 、内插出的物理量数值等： 3 ) 、沿y 坐标范围循环插值，对每层y j 实现从x l 至x r 的线性内插。 对该算法的几点说明： 首先，连接各边的过程实际就是实现线段画线的过程，采用中点画线算法， 沿x 、y 坐标增量( 可i e # 9 ) 的方向逐个将最靠近线段的象素点选中，根据其位 置进行物理量的插值。 其次，构造一个数据结构，用于存储每个象素的各特征值，其结构如下： s tf u e tp i x e i p a r a ( i n ty ： i n t1 e f tx ，r i g h t x ： d o u b l e1e f t d a t a ，r i g h t d a t a ； ) 其中，y 表示象素点所在层的纵坐标；l e f t x 、rg h t x 对应y 层的起始象 素点的x 坐标；l e f td a t a 、r g h td a t a 对应y 层的起始象素点的物理量值。 插值前，声明一个p jx e i p a r a 类型的数组，以较小负数将其初始化，并以 河海大学工程硕士学位论文 象素点的y 值作为数组的序号参数。进行线段画线时，先将所在位置的横坐标与 数组元素的1e f t x 、r i g h t x 值比较，找出新的最大和最小值予以更新，同时 】e l l d a t a 、r i g h t d a t a 值予以相应修改，循环直至四边形各边线段画完。最终， 我们得到各纵坐标层的横坐标范围及其相应的物理量值。 最后，在对每一组匹| 边形单元区域进行插值莳，查找出这四点的纵坐标范 围，在该范围内循环，针对每一层自1 e f t x 到r i g h tx 以 e f n d a t a 和 g h t d a t a 为参考值进行四边形域内的线性括值，从而实现了全区域的高效无 重复插值。 从以上的算法实现可以看出，该算法对多边形的边数及其形状均没有特殊 要求，也不需要进行插值单元内流体质点的判别，只要满足凸多边形的条件即可。 该算法设计思想简单，可以推广到任意不规则凸多边形的捅值，具有较强的通用 性。 232 图象解压缩技术 由于图像和视频本身的数捌量j # 常大，给存储和传输带柬了很多不便，所 以图像l i 缩和视频压缩得到了非常广泛的应用。比如数码相机、 j s b 摄像头、可 视电话、视频点播、视频会议系统、数字监控系统等等，部使用到了图像或视频 的压缩技术。 l 、图象压缩编码方法分类 编码压缩疗法有许多种，从不同的角度出发有不同的分类方法。 从信扈、论角度出发l l j 分为两大类： ( i ) 、冗余度压缩方法，也称无损压缩，信息保持编码或熵编码。具体讲就 是解码图像和压缩编码前的图像严格相同，没有失真，从数学上讲是一种可逆运 算。 ( 2 ) 、信息量瓜缩方法，也称有损压缩，失真度编码或熵压缩编码。也就是 讲解码图像和原始图像是有差别的，允许有一定的失真。 应用在多媒体中的i 矧像压缩编码方法，从压缩编码算法原理上可以分类为： ( 1 ) 、无损压缩编码种类 哈丈曼编码 算术编码 第二章数字航道关键技术 一 行程编码 l e m p e lz e v 编码 ( 2 ) 、有损j j i 缩编码种类 预测编码：d p c t 1 ，运动补偿 频率域方法：l 卜- 文变换编码( 如d c t ) ，予带编码 空间域方法：统计分块编码 模型方法：分形编码，摸型基编码 基于重要性：滤波，子采样，比特分配，矢量量化 ( 3 ) 、混合编码 j b i g ，h 2 6 1 ，j p e g ，i p e g 等技术标准 衡量个压缩编码方法优劣的重要指标是： a 、压缩比要高，有几倍、几十倍，也有几百乃至几千倍； b 、压缩与解压缩要快，算法要简单，硬件实现容易； c 、解越缩的图像质量要好。 需要说明的是选用编码方法列一定要考虑图像信源本身的统计特征：多媒体 系统( 硬件和软件产品) 的适j 逦能力；应用环境以及技术标准。 2 、图象压缩 从以上的图象压缩编码方法的分析可知，对丁二面面不太复杂的图象采用行 程编码压缩可以得到很好的压缩效果，例如天气形势图、河水泛滥图等。由于流 域地形图上常常有许多大块的陆地和岛屿，而邑相邻象元之间也具有较好的相似 性，称之为空间相关性。因而，对之采用行程编码能够产生理想的压缩效果。此 外，在泥沙数模成果可视化图片生成的过程中我们发现，每一时刻的圈象都是在 6 u 一时刻的基础上经过一个微小时问间隔变化而来的，所以每两幅相邻图象数据 f 自j 保持高度的相关性，称之为州问相关性。就总体效果而言，相邻两幅图象之间 的时间相关性超过了单幅图象中相邻象元的空问相关性，故而本系统以改进的行 程编码实现一系列泥沙成果静念位图的压缩，也称为帧问压缩。 所谓改进的行程编码压缩是指该编码仍采用行程长度编码的编码原理，即 沿扫描行的特定方向计算某一灰度连续的象元数，其改进之处在于该方法的编码 是出相邻两幅图象的象元为对比对象。该方法保持了r l e 实现简单的优点，在图 7 河海大学