基于skyline的渭河下游洪水演进三维可视化系统研究_李茜_骆建文

基金项目：水利部２０１０年度公益性行业科研专项经费项目：渭河下游洪水演进模拟研究（２０１００１０５９）
摘要
本文以二维洪水演进模拟研究提供的水文数据和三维场景数据为基础，以ｓｋｙｌｉｎｅ为开发平台，进行组件式开发，采用了Ｂ／Ｓ网络体系结构，将水文栅格数据和场景数据集成到可视化系统中，构建了渭河下游洪水演进三维可视化系统，模拟了渭河下游典型洪水的三维动态演进过程，再现了洪水淹没场景，实现了实时汛期查询分析，为防汛管理提供了决策支持。

关键词
Ｓｋｙｌｉｎｅ；洪水演进；三维可视化
中图分类号：ＴＶ１２２
文献标识码：Ａ
基于ｓｋｙｌｉｎｅ的渭河下游洪水演进三维可视化
系统研究
李茜１骆建文２
（１．陕西省河流工程技术研究中心陕西西安７１００１８；２．西安长庆科技工程有限责任公司陕西西安７１００１８）
１引言
渭河是陕西的母亲河，
自三门峡水库修建后渭河下游河道淤积抬高，洪涝灾害频发，渭河下游一直是陕西省防汛的重中之重，渭河洪水灾害的预测、预报工作愈显重要。

水沙数学模型能够模拟洪水演进的过程和特点，为洪水的监测、预报和抢险指挥提供参考；同时，水沙数学模型也是数字渭河工程建设的一项关键任务。

现在水利科学从不同角度深入探讨利用水沙数学模型及时、准确地预测、预报洪水演进行为。

２０世纪９０年代中期，按照国家防办洪水风险图计划，陕西省三门峡库区管理局自主开发了渭河下游洪水风险分析计算模型，但受当时技术水平的限制，洪水演算成果的稳定性、精度及图形显示效果等方面存在许多不足。

当前，国家防办大力开展了“全国洪水风险图编制实施方案”，各大流域机构也积极开展了洪水风险图编制工作。

作为洪水风险图编制的基础工作，洪水演进三维可视化技术亟待攻破。

因此，开展渭河下游洪水演进三维可视化研究，是数字渭河建设的需要，也是流域洪水风险图编制的重要基础，更是按照新时期治水思路推进流域综合管理的一项重要战略举措。

随着地理信息系统（ＧＩＳ）技术的发展，以其强大的空间信息处理和分析功能在各个行业间广泛应用。

借助其空间处理功能，可以为洪水演进三维
可视化研究提供对多源地表空间信息的综合分析。

三维可视化技术能够直观表现洪水发生的过程，因此它是开展洪水演进模拟研究的最佳选择，可以提供计算结果的可视化输出，能够对洪水演进路线、到达时间、淹没水深、淹没范围及流速大小等过程特征进行预测，为洪水灾害预防和防汛抢险提供决策支持。

２系统总体设计思路
２．１开发工具选择
洪水演进数学模型的计算结果大多数是以数据文件的形式输出，常规的分析手段，如水位变化过程线、流速（流量）变化过程线、瞬时等深线和瞬时流场图等已不能满足当前数学模型发展和水利信息化的要求，因此有必要利用一些新的技术和手段开发出洪水演进数值模拟结果的三维可视
化系统【１】。

国内外，出现了一些以ＧＩＳ技术
为主流的洪水演进模拟软件，为洪水演进的研究提供了基础，但现有软件都不能够直观、动态模拟流域洪水的三维淹没过程，不能实时提供流域防洪对策。

在国内外研究的基础上，比较了各软件的优缺点，选取ｓｋｙｌｉｎｅ系列软件中的ＴｅｒｒａＥｘｐｌｏｒｅｒＰｒｏ作为系统开发工具。

作为一款先进、实用的浏览编辑工具，ＴｅｒｒａＥｘｐｌｏｒｅｒＰｒｏ可以真实地浏览三维交互场景，进行编辑、分析、标注等操作，并提供开发组建接口，方便用户根
据需求进行系统定制。

２．２技术路线
在二维洪水演进模拟研究的基础上，以二维计算提供的水文数据和三维场景数据为基础，以ｓｋｙｌｉｎｅ为开发平台，采用面向对象的高级编程语言Ｃ＃，利用ＴｅｒｒａＥｘｐｌｏｒｅｒ
Ｐｒｏ
中的
ＩＳＧＷｏｒｌｄ６１、
ＩＰｒｏｊｅｃｔＴｒｅｅ６１、ＩＣｏｍｍａｎｄ６１等接口，进行ｓｋｙｌｉｎｅ的组件式开发，采用了目前主流的
Ｂ／Ｓ网络体系结构，将水文栅格数据和场景数据集成到可视化系统中，构建了渭河下游洪水演进三维可视化系统，模拟了渭河下游典型洪水的三维动态演进过程，再现了洪水淹没场景，实现了实时汛期查询分析，为防汛管理提供了决策支持。

３三维可视化系统构建
３．１数据来源
水文数据是采用１９５４年、１９８１年、２００３年等典型年历史洪水的水沙资料，根据典型年来水来沙特性、水位流量关系、河床冲淤变化特性，提供洪水演进计算边界条件，然后通过Ｄｅｌｆ３Ｄ软件进行模拟的后缀名为．ｘｙｚ的数据。

地形数据是采用西安煤航信息产业有限公司２０１１年的ＤＥＭ数据，并叠加航拍遥感数据，分辨率为０．５ｍ，
上游为１ｍ。

３．２数据格式的转换
Ｄｅｌｆ３Ｄ软件模拟生成的后缀名为．ｘｙｚ
陕西水利SH A ANXI SHUILI 科
技
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２０１４．１
的原始数据，
并不能直接被ＡｒｃＧＩＳ所读取，通过分列处理，转化为ＡｒｃＧＩＳ可读的数据格式，根据其地理坐标Ｘ，Ｙ值，将数据导入到ＡｒｃＭａｐ中，呈点矢量文件，为后期数据处理做准备工作。

３．３水文数据处理
３Ｄ表面创建：由水文数据属性水深（Ｚ值）创建ＴＩＮ，即不规则三角格网。

ＴＩＮ中创建栅格表面：利用三维分析模块中ＴＩＮ转换为栅格的功能来实现，栅格的分辨率ｃｅｌｌｓｉｚｅ大小为１０×１０ｍ２。

河道矢量化：
新建渭河河道面状数据层，加载到Ａｒｃｍａｐ中进行矢量化，得到渭河河道面状图层。

栅格数据裁剪：利用ＡｒｃＭａｐ进行渭河河道面状图层掩膜处理，得到渭河河道水文栅格数据，剔除水深为０的数据。

假彩色密度分割：利用遥感图像处理软件，使用假彩色密度分割技术将水文数据的颜色变换为接近真实水体的颜色，即蓝色。

制作ＴｅｒｒａＥｘｐｌｏｒｅｒＰｒｏ工程：在ＴｅｒｒａＥｘｐｌｏｒｅｒＰｒｏ中，添加处理好的水文数据，制作生成ｆｌｙ工程文件。

３．４三维可视化系统
利用ＴｅｒｒａＥｘｐｌｏｒｅｒＰｒｏ进行三维场景制作，加载行政区划、河道工程、防汛设施等地理和专题要素，并加载处理好的水文栅格数据，即完成三维可视化系统创建。

４系统主要功能设计
４．１洪水演进模拟
洪水演进是一个随时间动态变化的复杂过程，洪水模拟算法计算的结果表现为各个网格结点在不同计算时刻内的水深、流速、流向和水位等数据，具体设计过程为：将洪水数据从数据库中读出，存放于一个临时的时间栈数组中，在程序中设计定时器函数，程序中的绘图函数接到消息后，调用洪水数据向三维场景中以三角形格网形式绘制一个洪水水面，形成一个按照一定速度向前推进的洪水淹没过程［２］。

由于Ｄｅｌｆ３Ｄ软件模拟生成的原始水文数据信息量庞大，为了提高系统运行速度，对数据库信息进行分块处理，通过数据表的主键，层层检索，最终得到需要的数据。

该功能可直观显示洪水决口的时间、位置、强度、淹没范围。

具体动态演示以渭河下游南山支流间８个淹没区堤防相对较薄弱处的溃堤河段为例，各时刻之间的显示间隔为１秒。

溃口宽度为５０ｍ～２００ｍ，图１为第３１时刻０分的洪水淹没范围，可看出在东经１０９°４５′０″、北纬３４°３５′１６″处，河床高程为３３７．８５８ｍ，水深为３．０６６ｍ，水位为３４０．９２４ｍ，横向水流速度为０．４４８ｍ／ｓ，纵向速度为－０．２４５ｍ／ｓ，合０．５１ｍ／ｓ。

４．２三维场景浏览
主要包括三维场景漫游、缩放、快速定位等。

该功能是通过改变用户位置的坐标，来改变用户的视野范围［２］。

提供拖动、滑动、旋转、指北等漫游方式和行走、驾驶、飞行等浏览模式，提供灵活、交互的浏览漫游功能，可实现大场景的无缝浏览。

４．３信息查询
主要包括基础信息查询、水情信息查询、工情信息查询、险情信息查询等，通过查询数据库信息，能够以文字、表格、图片、影像、专题图等形式对防汛动态信息数据进行全面直观的展示，为防汛抢险决策提供支持。

４．４其它功能
主要包括空间量测、三维分析、快照等。

空间量测可提供全套的测量及地形分析工具，实现点间的水平距离、直线距离，起点和终点间的高差和坡度，垂直距离、地面面积测量等，并将结果显示在３Ｄ窗口。

三维分析功能能够实
现地形等高线、地形剖面，最佳路径分析等功能。

快照能够在三维视窗中截取快照并输出成
外部图片文件。

５结论
（１
）本文依托Ｓｋｙｌｉｎｅ开发平台，以二维计算提供的水文数据和三维场景数据为基础，开发了渭河下游洪水演进三维可视化系统，再现了研究区域的洪水三维动态淹没过程，为防汛管理提供有力的信息服务和技术支持。

（２）本研究尝试将经过Ｄｅｌｆ３ｄ模拟的水文数据经过分列处理，转换为ＧＩＳ可读的数据格式，为水文数据在三维可视化系统中加载提供了研究思路。

（３）由于数据信息量庞大，程序数据库检索方法采用分块处理，通过数据表的主键，层层检索，提高了系统运行速度。

陕西水利
参考文献
［１］李云，范子武，吴时强，吴修锋．大型行蓄洪区洪水演进数值模拟与三维可视化技术［Ｊ］．水利学报，２００５，３６（１０）：１１５８－１１６４．
［２］常静，崔雅博，窦晓楠．基于ＷｅｂＧＩＳ的洪水模拟仿真系统的设计与实现［Ｊ］．电脑知识与技术，２０１３，９（０１）：１２８－１３０．
（责任编辑：周
蓓）
图１溃堤河段第３１时刻０
分洪水淹没显示。