水文泥沙数据场可视化关键技术研究

改进 的反 距离加 权算 法 ， 现描述 如下 ：
：
Ｇ ｉ ｓ 组件 （ ） Ｄ ｅ ｎ Ｇ Ｉ ／ Ｄ ３ ） Ｉ Ｄ Ｂ Ｍ Ｓ 数据库管理系统
一
～
：
——、
—
ｌ
面 （丽
数学模型 原型观测
域 基 础 空 间 ／ 实 体 模 型
、毁 据库Fra bibliotekｌ Ｍ Ｄ Ｉ Ｇ 、 Ｄ Ｏ Ｍ 、Ｄ Ｒ Ｇ
区域 的 数 据 分 布 情 况 ， 并将 其 演 变 为二 维数 据 场 。 工 程 应 用 表 明 ， 基 于数 字 地 球 球 体 模 型 的 水 文 泥 沙数 据 场
可视 化 方 法 ， 能 很 好 地 表 现 流 域 范 围 内水 沙 运 动特 点 。 关 键 词： 水 文 泥 沙 分析 ；数 据 场 ；三 维 可视 化 ； 数 字 水 文
第４ ５卷 第 ２期 ２ ０ １ ４ 年 １月
文章编号 ： １ ０ ０１—４ １ ７ ９（ ２ ０１ ４） ０ ２—０ ０ ８ ６—０ ４
人 民 长 江
Ｙａ ｎ ｇ ｔ ｚ ｅ Ｒｉ ｖ ｅ ｒ
ＶＯ １ ． ４５． ＮＯ ． ２
Ｊ ａ ｎ ．， ２ ０ １ ４
水 文 泥 沙 数据 场 可视 化 关键 技 术 研 究
叶 松 ， 黄 艳 芳 ， 张 煜 ， 沈 定 涛
（ １ ． 长 江 科 学 院 空 间信 息 技 术 应 用 研 究所 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ １ ０ ； ２ ． 长江勘测规划设计研 究院 建 筑设计 院， 湖
北 武汉 ４ ３ ０ ０ １ ０）
第 ２期
叶 松， 等： 水 文 泥 沙数 据 场 可视 化关 键 技 术 研 究
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下 文分 别一 一讨论 。
空 间 流 场 泥 沙 水 位 水 淹 适 航
面、 线性 插值 、 双 线性插 值 、 克里金 插值 等多 种算 法 ， 以 上各 算 法 的基 本原 理及适 用性 在本 文 中不做 赘述 。
产 的矢量 场可 视化 方法 ， 如线 积分卷 积法 ； 基 于光 学特 性 的矢量 场 可视 化 方 法 ， 如 粒 子 法
一
（ Ｐ， ｍ） ＝ Ｌ （ ｍ， ｎ ）＋ （ Ｐ， ｎ ）
（ ４ ）在 同一 断 面上 ， 为方便处 理 ， 设定 其属 性值 相 等， 即断面线 为 等值 线 （ 图 ３中 ‘ ， 方 向线 ， 如 ｍ） 。 以 断
④
（： ： ： ）
图 １ 水 文 泥 沙 数 据 场 可 视 化 方 法
（ １ ）在河 道 地 形 Ｄ Ｅ Ｍ 基础上 ， 设 定 一 高程 水 位 线， 采 用种 子填 充算法 ，计算河 道 淹 没线 ， 经 矢量 化 得 到淹没 多边 形 ， 并将 河道 中淹 没 最 深 的 点依 次 连 接 得
动画 中 的一 系列 关键 帧 图片 ， 然 后 以一 定 的 时 间 间隔 顺 序播 放 ， 形 成 水 文 泥沙 数 据 场 动 态 可 视 化 结 果 （ 见
图 １ ） 。
使 越来 越 多 的 目光 聚焦在 各类 基于 数字 地球球 体 数据
的三维 表达 上 。为此 ， 有必 要 研 究 基 于 数字 地 球 球 体 数据 场 的可视化 方法 。 为 了更 好地 表 达水 文 泥 沙 数 据 的空 间特 征 ， 本 文
到深 泓线 ， 同样 进行 矢量 化和化 简 。 （ ２ ）将 淹没 多边 形 经 曲 线 化简 ， 得 到综 合 后 的 多
２ 关键技术
２ ． １ 动 态 可 视 化
为 了直 观地 显 示 水 文 泥 沙 数 据 场 的 时 空 变 化 过 程， 采用 动 态演进 的形 式 显 示水 文泥 沙 数 据 场 的连 续 变化 ， 即针对 水文 泥沙数 据场 的 时空过 程可视 化 ， 根据
致， 一 般 的插值 算 法难 以获 得 较 好 的可 视 化 效 果 。常 规 的反距 离加权 算 法 在 河 湾处 存 在 问 题 。在 图 ２中 ， 利用 反距 离加权 插值 获得 ０点的数 值 ， 在插值 半径 为 ｒ 时， 由于 在河道 弯折 处 ， ０点的数 值获 得 Ａ点 的“ 贡献” 大 于 曰点 ， 但 其反距 离权 重却 是 曰点大 于 Ａ点 ， 出现 了 错误 的权 重值 。为解 决 这 类 歧 义 问题 ， 本 文采 用 一 种
体 模型 上 。
（ ３ ）正交格 网分 为 ２个方 向 ， 水 流 方 向为 ， 方向，
在水 文 泥沙数 据 分析 时 ， 水 力 学 计 算模 型结 果 中 的水位 、 水深 、 流量 、 含 沙 量 等数 据 均 以标量 场 的形 式
出现 ， 标 量场 的动态 可视 化是 将不 同时期 获取 的数 据 ， 通 过颜 色映 射转换 为 云 图 ， 多期 云 图依 据 时 间轴 顺 序 播放 形成 动 画 。 矢量 场 可视化 既 要展 现 矢 量 方 向 ， 又要 展现 矢 量 大小 ， 目前 还 没有一 种直 观 、 普 遍认 同 的矢 量场 几何 图 形 映射方 法 。常见 的 矢量 场 可 视 化 方法 包 括 ： 基 于 几
在 上述 可视 化方 法 中 ， 动态 可视 化 、 空间 数据 内插 以及 基 于球面 坐标 系数 据 场 可 视 化技 术 为技 术 难 点 ，
提 出一种 改进 的反 距 离加 权 算 法 ， 实 现 在 散 点 数据 空
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３—１ ２—１ ８
基金项 目： “ 十二五” 科 技 支撑 项 目“地 质 灾 害 监 测 预 警 与 风 险 评 估 技 术 方 法 研 究 ”（ ２ ０ １ ２ Ｂ ＡＫ１ ０ Ｂ ０ ０） 子 课 题 “山 洪 灾 害监 测 预
工程 管 理和梯 级水 电站运 行 调 度 过 程 中 的 作 用 ， 特 别 是在 工 程泥沙 调度 、 河势稳定控制 、 泥 沙 预 测 预报 、 河 床演 变 预测方 面 的作用 。
数据 ； ② 物 理模 型试 验数 据 。③ 数 学模 型 计 算 成果 。 从 维度 上划 分 ， 水 文 泥沙 数 据 场 主 要 划分 为 标 量 场 和 矢 量场 ， 其中， 标量 场要 素 占绝 大部分 。
基础， 在高精 度数 字地形 景 观基础 上 ， 将水 文 泥沙原 型
河 道观 测数 据 、 物理模型试验数据 、 数 学 模 型计 算 成 果， 运 用数据 预处 理 技术 ， 包 括数 据 格 式 转 换 、 空 间 插
值、 坐 标 匹配技 术 ， 形 成不 同显示 条 件下 的物 理标量 场 和矢量 场 ， 其 结合 计算 机 图形 图像 编 程技 术 ， 生成可 视
中图法分类号 ： Ｔ Ｐ ３ ９ １
文献 标 志 码 ： Ａ
水库 泥沙 问题 是水 电站 的关键 技术 难题 之一 。在 梯 级水库 管理 运行 过 程 中 ， 随 着 水 文泥 沙 监 测 和 研究 工作 的不 断展 开 ， 积 累 了 大量 的水 文 泥 沙数 据 。水 文 泥 沙数据 场 是流域 内水 沙 运 动特 性 的反 映 ， 其 数 据来
Ｐ到断 面线 ｍ 的距离计 算公 式 为式 （ ２ ） ， 其中Ｌ （ Ｐ， ｎ ） 的计算 可直 接转 化为计 算 Ｐ到断面 线 ｍ 的垂 线长 度 。
ｎ一１
Ｌ （ ｍ， ｎ ）：
Ｊ －一
Ｌ （ ｉ ， ｉ ＋１ ）
（ １ ） （ ２ ）
＝
ｍ
何形 状 的矢量 场可 视化方 法 ， 如点 图标法 ； 基 于纹理 生
一
数 据
杳 询 分 析
震
化
视 可
化
水
。 地 形
分 析
区 计
算
维水 动力学 模 型计 算 结 果 的数据 ， 自上游 到 下
游按 照水 面 沿 程线 呈 一 维 数 据 点 分 布 。 由 于 数 据 稀
少， 直接 可视 化难 以获得 良好 的视 觉效果 ， 必 须进 行空
警 关键 技 术及 集 成研 究 与 示 范 ” 课题编号 （ ２ ０ １ ２ Ｂ Ａ Ｋ １ ０ Ｂ ０ ４ ）
作者简介 ： 叶
松， 男， 工程师 ， 主 要 从 事 空 间信 息技 术 应 用研 究 工作 。Ｅ—ｍ ａ ｉ ｌ ： ｙ ｓ ｙ ｅ ｓ ｏ ｎ ｇ ＠ｇ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｎ
面问深 泓线折 线 长度 三的 倒数 为权 重 ， 利 用 反 距 离 加 权 计算 公式 （ ３ ） 获 得各个 断 面线插 值结 果 。 （ ５ ）在 各 自断 面线 上 ， 根据 上述 设定 ， 断 面线 即等
。将 粒 子 的某
具 体性 质如 位置 、 速度 、 运 动方 向等 与矢 量场 中的矢
边形 ， 利用 计算 流体 力学 软件 中的河 网划 分工 具 ， 按 一 定 采样 间 隔 ， 将 淹没 多 边 形 划分 为正 交 格 网 。若 无 划 分软件 ， 可 以采 用人 工编辑 的方 式 ， 划分 为近似 正交 格
网。
用 户任 意选 择 的空间 范围和 时 间跨 度 实时动 态地 抽取 或 生成数 据 ， 并 以动 态 演 进 的方 式 显 示 在数 字地 球 球
间 内 内插 数据 使其 成 为 二 维 数据 场 。应 用表 明 ， 基 于
数字 地球 球体 模 型 的水 文 泥沙 数 据 场 可 视 化方 法 ， 能
很好 地表 现流 域范 围 内水沙运 动 特点 。对 水文 泥沙 数 据 场进行 后处 理 和高效 可 视化 ， 可 有 效 地 管 理 和 使 用
量联 系起 来 ， 在流场 中 ， 将 速度 矢量 映射 为粒子 运动 的
Ｔ
ｌ 数 字 流 域 景 观
Ｔ
ｌ 空 间 数 据 插 值 １