荆江三维可视化人机交互式河道信息管理系统

荆江三维可视化人机交互式河道信息管理系统

2005-12-29 来源：长江水利网

王伟许全喜白亮

（长江委水文局长江水文技术研究所 430010）

摘要：2004年水文局为了更好地贯彻执行长江委信息化工作会议的精神，提出了充分利用水文泥沙河道监测的技术和资料优势、建设全长江三维可视化人机交互式河道信息管理系统的任务，确定了以荆江河段为突破口、分段实施的方针。本文重点介绍了系统建设的背景、系统的功能与特点及关键技术。本课题以开发三维可视化人机交互式河道信息管理系统为基础，完成了荆江河道DEM及重点目标包括堤防、险工护岸、跨河工程、涵闸、水文水位站在内的80多个三维模型的建立，实现了在三维逼真场景下对重点目标的信息管理、浏览和属性查询，具有便捷高效、查询方便、功能强大、技术先进等特点，特别是其全流域河道的海量数据处理能力、形象逼真的三维可视化功能在同类研究中处于领先水平。

关键词：三维可视化交互式河道信息管理系统荆江

1 前言

长江发源于青藏高原唐古拉山脉主峰各拉丹冬雪山西南侧，由长江口入东海，全长6300余公里。沿江地区工农业发达，城市化水平较高，发展潜力巨大，是我国重要经济区和21世纪重点发展地区之一。长江中下游两岸，各类防洪工程、水工建筑、跨河工程、港口码头、工矿企业星罗棋布，分布广泛的水文站网担负着防汛和监测的重任。如何与高科技结合，建设快速高效的河道管理与防洪决策支持的基础信息系统，是当前科研应用开发中的重点方向。

2003年水利部提出了“水利信息化是水利现代化的基础和重要标志”。2004年在“维护健康长江，促进人水和谐”的方针指导下，长江委提出了全面加快以“数字长江”为目标的信息化建设步伐，以信息化促进流域管理现代化；据此水文局提出了充分利用水文泥沙河道监测的技术和资料优势、建设全长江河道三维交互式可视化信息管理系统的目标，“万里长江，险在荆江”，确定了以荆江河段为突破口、分段实施的方针。本课题正是在此背景下展开的。

宜昌至城陵矶全长408km，由顺直微弯河型向微弯河型和蜿蜒型河道过渡，属防洪重点确保段。本课题以开发三维可视化人机交互式河道信息管理系统为基础，建立

了该河段逼真三维场景，创建了沿江80多个重点涉水工程的三维立体模型，并对它们的基本属性和相关的多媒体信息进行管理，实现了在三维飞行浏览的过程中对河道目标和属性的浏览查询和实时动态管理。

2 荆江三维可视化河道信息管理系统的功能与特点

荆江三维可视化交互式河道信息管理系统的研究开发遵循科学性、实用性、实时性、开放性和安全性相结合的原则，充分利用先进的计算机数据管理技术、空间分析技术、空间查询技术、计算可视化技术和计算机模拟技术，集河道信息数据的采集、管理、分析、处理、显示和应用为一体。

2.1 系统总体结构

系统的设计开发以C/S(含GIS)结构为应用开发模式，系统的软件结构以主题式的MS-ACCESS数据库为信息管理平台及三维建模、三维可视化浏览与信息管理、三维分析、二三维联动查询等应用子模块构成，共同完成对河道信息的三维可视化管理。图2-1为系统逻辑结构示意图；图2-2为荆江三维可视化人机交互式河道信息管理系统逼真场景示意图。

图2-1系统逻辑结构示意图

图2-2 荆江三维可视化人机交互式河道信息管理系统逼真场景示意图

2.2 数据库设计与数据的收集和处理

本系统的目标属性管理是由MS-ACCESS数据库承担的，该数据库管理平台结构简洁、操作简便。

2.2.1数据库表结构设计

为了在三维可视化人机交互式浏览查询过程中对重点建模目标进行属性查询，本系统根据不同的目标要素特点，并参考国家防汛指挥系统水工程数据库表结构设计方案，结合水文实际，定义了8个表并对每个表的字段进行了设计，分别是堤防、护岸、险工段、水闸、跨河工程、港口、洲滩、水文水位站。

2.2.2数据收集、处理与管理

按照表结构所确定的内容和目标建模、多媒体查询的需要，我们对宜昌至城陵矶河段进行了为期5天的查勘并到有关单位，收集了丰富的数据库资料和影像资料、视频资料，然后对各种资料进行分类整理；多媒体材料的处理，主要包括视频材料的再加工、纹理制作、关联目标的场景录制等。在建模过程中，我们按照目标与属性的对应关系将有关信息录入数据库，并对多媒体资料按子目录进行分类管理，从而形成完善的河道信息管理系统，为三维浏览查询、属性信息的补充、完善和更新奠定了基础。图2-3所示为沙市水文站属性编辑窗口。

图2-3 沙市水文站属性编辑窗口图2-4 荆江局三维模型示意图

2.3 三维建模

三维建模是系统建设的重要组成部分，是实现荆江河道三维可视化的基础，该子模块以数字正射影象（DOM）、数字地面模型(DEM)、数字线划图（DLG）和数字栅格图（DRG）作为处理对象，结合了三维可视化技术（visual）与虚拟现实技术(virtual reality)，完全再现管理环境下的真实情况，把所有管理对象都置于一个真实的三维世界中，真正做到了管理意义上的"所见即所得"。它支持多种通用的二维、三维数据交换格式；提供了强大的三维实体建模工具，可以按用户的任何要求生成三维模型；可直观地定义三维实体的属性结构，对实体属性进行编辑、查询、浏览、统计分析及属性提取等，属性表结构可动态修改；可进行简单快捷的三维实体表面贴图，图形可按图层的方式管理和显示。

利用该模块我们完成了宜昌至城陵矶河段11处堤防、35处护岸、6处险段、6座水闸、15处水文水位站、4座大桥、3处港口、3个公园、2个勘测局、1个洲滩和其它辅助地物的三维模型建立、表面贴图和相关属性录入。图2-4为荆江局三维模型示意图。

同时利用该模块我们构建了具有比降的水位面、并把宜昌至城陵矶河段的断面线融入系统中，配以风格各异的文本注记，使整个系统显得逼真、协调。

2.4 三维可视化浏览与信息管理

该子模块是基于4D的三维地表可视技术，不仅能实现三维数据的可视化，而且为用户提供了强大的交互式操作工具，对三维场景的全方位要素进行实时的交互式控制；该模块运用多种最先进的三维显示加速技术，显示速度很快，可支持任意大图像的自动浏览显示，进行大场景三维漫游，根据设定路径飞行或录制电影；该模块提供了生成DEM与DEM转换、合并三维场景、粘贴影像纹理、分层设色、Z方向缩放等功能，可从三维模型上选择目标进行浏览和属性查询，也可对相关目标的多媒体属性进