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行播放。

达到三维飞行浏览与信息管理的统一。

本系统空间数据以北京54坐标为平面参考系、国家85高程为高程参考系，统一投影到以114度子午线为中央子午线的高斯投影平面。

由此我们根据1998年大洪水后施测的地形资料生成了宜昌至城陵矶段DEM数字高程模型，并粘贴Landsat 30m 精度卫片纹理，形成了大场景并可对海量数据进行管理的三维可视化系统。

该子模块集成了由三维建模子模块生成的各类水工模型，并与荆江DEM相融合，最终形成了荆江三维可视化人机交互式河道信息管理应用系统，完成对河道信息的三维可视化管理和飞行浏览查询。

图2-5为宜枝河段三维飞行浏览场景示意图，图2-6所示为在飞行浏览时查询荆江长江大桥属性。

2.5 三维分析本系统在提供三维可视化逼真场景的同时，根据GIS的空间分析方法，还提供了部分基于DEM的实用高效的基本的地形因子计算和计算模型分析功能。

如面积量算、流域通视分析、水淹分析、坡度坡向分析、开挖分析、任意断面切割分析等。

该子模块大大加强了系统在水利工程实践中的实际应用能力。

图2-7无源水淹分析示意图，图2-8为两点通视分析示意图。

2.6 二三维联动查询该子模块的设计理念是在平面二维图形系统中嵌入一个三维模块，以用于二维三维实时互动操作。

为此，我们采取与三维系统相一致的北京54平面坐标系统，制作了宜昌至城陵矶长江河道平面底图，包括主要的堤线、水边线、地名、支流名称、洲滩名、断面名及本系统所涉及到的全部三维模型的符号注记与文本注记，并分层管理。

该子模块实现了在二维平面底图上任意地进行目标定位，这时在三维窗口中也将同步定位到该目标，以方便快捷地变换三维场景；反之，如果将光标移动到三维窗口并进行飞行浏览，这时在二维窗口内的相机也将同步移动，从而根据底图注记来确定飞行的位置，从而达到二三维联动的效果。

同时还可以编辑飞行路径让三维场景按编辑的路径飞行；在实时浏览时可以随时点击查看二维和三维的目标属性信息。

图2-9 为二三维联动浏览示意图；图2-10 为编辑飞行路径示意图。

3 关键技术与解决方案本系统在研制过程中遇到了不少的技术难题，在水文局技术开发人员的共同努力下，对一些主要的技术问题提出了行之有效的解决方案。

这里摘要几个在实际中广泛应用的技术简述如下：（1）曲面截取（见图3-1）。

在建模过程中，有一些曲面目标模型要与DEM模型相一致，如洲滩模型、抛石护岸模型等。

因此需要对局部DEM模型进行部分截取，并铺设纹理。

该功能使我们有能力对感兴趣的区域制作精细的DEM和纹理，并进行DEM叠加，减少数据冗余。

图3-1利用曲面截取技术生成的抛石护岸模型图3-2 带有比降的水位面模型（2）二三维联动技术。

在系统功能中已详述。

（3）按比降设计水位面与水面实时升降技术。

为了真实反映长江上下游的水位落差，我们根据堤线（或水边线）构造水面基线，并根据某日上下游水位构造具有比降的水位面，在实时飞行浏览过程中，可进行水面实时升降。

该技术使河道水面形态更趋于真实，并能使我们实时检查河床的形态与洪水淹没状况。

如图3-2带有比降的水位面模型所示。

（4）按照一定倾角开挖土石方。

在河道采砂过程中需要计算某地方泥沙的体积。

开挖分析可以计算出给定边界内带有一定倾角的泥沙的体积。

该功能使我们在土石方计算中更接近于实际工程应用中。

如图3-3所示。

图3-3 开挖分析示意图4 前景展望荆江三维可视化人机交互式河道信息管理系统是在数字地球、数字长江的大潮中应运而生的。

它的建立，克服了以往的单纯的数据库管理或二维平面管理模式，是对水文河道信息化管理方式的一种新的有益的尝试。

三维可视化技术一般应用于有限区域（较小范围）的工程项目管理和专题特效演示，本系统以荆江为试验区域，开展用于大场景并对海量的空间数据实施有效管理的系统研制，正是对三维可视化技术在全长江的广泛应用提供了探索性的技术保障。

荆江三维可视化人机交互式河道信息管理系统还存在着许多不足，数据库设计方法不够完善，信息管理方式比较单一，信息量完整性不够，检索方法也有待于进行一步研究和提高。

可视化技术上还存在许多难题需要我们去完善或解决，如大场景飞行浏览过程中的DEM调度问题、视觉连续性问题、飞行速度问题等。

在荆江三维可视化人机交互式河道信息管理系统的基础上，不断完善不断创新，建立长江三维可视化河道信息管理系统正是我们的努力目标，其广阔的应用前景已为期不远。