洪水演进模拟的三维可视化研究浅析

沈阳市浑河管理中心 吕爱民 张建国

洪水演进模拟的三维可视化研究浅析

沈阳市浑河管理中心 吕爱民 张建国

本文归纳总结了洪水演进模拟三维可视化领域研究的相关概念，介绍了目前在洪水演进技术上的研究背景，该技术是目前在城市防洪减灾领域的一项重要的非工程措施，确保城市安全的重要手段，为管理者提供了一个建设规划成果展示和决策支持的平台。

洪水演进模拟 非工程措施 三维可视化。

一、引言

随着“数字地球”、“数字城市”、“数字流域”等概念的相继提出，虚拟现实技术越来越多的受到人们的关注，应用的领域也由原来投资较高的军事、航空业逐渐扩展到普通行业，如地学、医学、制造业、艺术与娱乐等。当前，虚拟现实技术在地学相关行业的应用主要集中在地域三维漫游、工程规划仿真、三维信息获取等几个方面，以其独特的表现手段为三维场景的模拟提供了全新的人机交互接口，也为这些行业的信息化和仿真提供了新的手段和发展方向。

二、 洪水演进的研究背景

在遍及全球的各种自然灾害中，洪水灾害是最常见和危害最大的一种。人类与洪水灾害斗争了几千年，时至今日，洪水灾害仍然居各种自然灾害之首位。据统计，在世界范围内每年的洪涝灾害损失占各种自然灾害总损失的40%，洪涝灾害是人类面临的主要自然灾害，而中国更是一个饱尝水患之苦的国家。 因此，要实施有效的防洪减灾策略以及洪水资源利用计划，就必须深入科学她认识流域的洪水演进规律和行洪过程，对流域洪水淹没过程进行模拟仿真。

由于地理信息系统（GIS）具有独特的空间信息处理和分析功能，具有空间性和动态性，它可以为洪水预测及演进仿真模拟的研究提供对多源地表空间信息的综合分析和解释;可视化技术使人能够在三维虚拟世界中对洪水演进的现象和规律进行观察、操作和分析，更好的了解洪水发生的过程，因此它们是开展洪水演进研究工作的自然选择。

三、 洪水演进模拟实现技术分析

洪水演进模拟仿真模块的开发是一项复杂的专题，它涉及的领域非常广泛，包括水利学、水文学、地理学、三维可视化、遥感等诸多领域。

1. 地理信息系统概述

三维地理信息系统是目前国内外学术界研究的热点，它的提出一定程度上是为了克服二维系统的缺陷，从而满足实际应用的需要。当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种:

（1）由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息，而通用的GIS已经不能满足大量的对可视化技术的需求，因此人们从三维可视化领域向三维GIS系统扩展，这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理是一样的，它是从可视化的角度出发的。

（2） GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息，因此人们又从数据库的角度出发向三维GIS发展，他们从商用数据库向非标准应用领域扩展，一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来，形成集成系统。

三维地理信息系统能更真实、直观地反应客观世界、并且具有更加丰富的数据类型。三维地理信息系统中的查询功能结合三维立体可视化技术，将为人们的分析决策提供更强的真实感和立体感以及更加丰富的信息支持，并在进一步的决策分析、场景漫游等方面提供必要信息。

目前，三维地理信息系统已经在环境、网络管理（交通运输，雨水，气象）、农业、国家和地方的发展、地质学，电讯等各个领域内都有所应用。因此对于三维地理信息系统研究中的一个重要方面就是对三维可视化技术的研究。

2. 可视化技术概述

可视化是指运用计算机图形学和图象处理技术，将计算过程中及计算结果的数据转换为图形及图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。

3. 三维可视化实现方式

当前实现三维可视化的方式主要有三种:应用具有三维可视化功能的软件（ARCIINFO等地理信息系统软件），应用三维图形动画绘制软件（3DMAX，Maya等），基于三维可视化工具包（OpenGL， DirectM， VRML等）的开发。

ARC/INFO等主要GIs软件中的三维功能主要是针对地形的三维可视化及其三维分析，针对地物的三维可视化只能是基于体（规则的建筑物）的概略性显示。它们都侧重于对地形进行三维可视化和三维分析，缺乏对地物的有机显示与分析，并且受其内部功能模块的限制，拓展性较差。如图所示为在ARC/INFO软件平台下高程数据覆盖TM影像的显示效果。

3DMAX等三维图形动画绘制软件主要侧重三维地物实体造型及三维动画的显示及浏览，漫游，如图所示为应用3DMAX软件绘制的视图，从图中可以看出，应用3DMAX三维图形绘制软件绘制的三维场景感觉更加真实，能够给人创造出一种身临其境的感觉，但是它缺乏对三维空间数据的分析功能。

基于三维可视化工具包OpenGL等的开发可以兼顾前两种方式的优点，并且它们提供的三维图形软件开发包及一系列函数可以大大简化三维图形程序设计，可随心所欲开发所需的可视花环境，其中OpenGL在地物、地形显示以及三维模拟方面为较多的专业软件采用，并且OpenGL与3DMAX软件相比具有可实时交互操作的优点，而且可以将3DMAX软件制作的三维场景通过编程导入到OpenGL开发的可视化环境中，因此它更适合于空间信息的三维构建、操作、分析和模拟。

四、结语

由于可视化技术能够再现三维虚拟世界的特点，使人能够在三维虚拟世界中对洪水演进的现象和规律进行观察、操作和分析，更好的了解洪水发生的过程，使得一些专家将GIS技术和三维可视化技术进行融合应用在动态洪水仿真模拟的研究中，不过目前的研究尚处于探讨和局部试点阶段。该研究将在水利信息化领域将有很好的发展前景。

［1］韩敏，陈明．洪水演进模拟的三维可视化研究[J].计算机应用，2005，8

［2］袁艳斌，王乘等．洪水演进模拟仿真系统研制的技术和目标分析[J]．水电能源科学，2001，9

［3］王颖，宫辉力等．黄河流域三维地形飞行模型开发的技术流程与方法[J]．测绘科学，2005，10

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