基于World Wind的鄱阳湖水位动态变化仿真系统研究

戚晓明，杜培军，汪迎春，3，金菊良，徐善健

(1.蚌埠学院计算机科学与技术系，蚌埠 233000;2.中国矿业大学地理信息与遥感科学系，徐州 221116;3.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098;4.合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009)

基于World Wind的鄱阳湖水位动态变化仿真系统研究

戚晓明1，2，杜培军2，汪迎春2，3，金菊良4，徐善健1

(1.蚌埠学院计算机科学与技术系，蚌埠 233000;2.中国矿业大学地理信息与遥感科学系，徐州 221116;3.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098;4.合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009)

World Wind是由美国宇航局(NASA)开发的三维地理信息系统，也是一款可提供丰富数据的数字地球平台，如何将多源数据实现紧密型二三维耦合是基于World Wind开发专业系统需要解决的重要问题。在.NET开发环境下，以World Wind为仿真内核，开发了水位仿真系统，研究了二三维数据耦合技术，实现了环鄱阳湖生态经济开发区的湖区与航道淹没分析和三维漫游。结果表明，仿真系统流畅地实现了任意点地形高程、水位、水深和航道级别等信息的实时查询，仿真了不同控制水位条件下的鄱阳湖区淹没范围，仿真结果能够服务于鄱阳湖水利枢纽的水位调控决策;该仿真系统在湖泊干旱特征水位等确定中也具有重要的应用价值。

湖泊水位仿真系统;控制水位;淹没范围;鄱阳湖;World Wind;GIS

0 引言

地形三维可视化技术研究的关键问题是三维地形模型的管理、调度与实时渲染，以提高地形实时显示速度并达到视觉效果的最佳平衡。国内外学者对大地形建模和仿真技术做了大量的研究，综合运用了地形多分辨率表示法、层次细节载入LOD(level of detail)控制和地形生成算法等［1－2］。近年来出现的Google Earth和World Wind等数字地球平台都以大量的空间数据服务为支撑，实现了多维数据在地球模型中的可视化。World Wind是一款由NASA开发的三维地理信息系统，该系统利用Landsat 7，SRTM，MODIS等多种卫星遥感数据，将卫星图像与SRTM数字高程模型叠加在一起，实现三维地球仿真［3－4］。World Wind 是采用 C#语言编写的开源软件，研究人员能够自由修改源代码，扩展其功能和样式，在科学、教育和政府等行业应用中都有非常大的潜力［5］。

湖泊的水文过程决定了湖泊生态系统的结构和功能，水位变动是影响湖泊生态系统状态长期变化的最主要因素［5］。鄱阳湖是中国最大的淡水湖，是国际重要湿地和长江干流重要的调蓄性湖泊。本文针对鄱阳湖水利枢纽不同控制水位淹没范围、对港口吞吐量和候鸟栖息地影响等问题，基于World Wind软件开发了鄱阳湖水位动态变化仿真系统，这有利于鄱阳湖水利枢纽水位调控的决策需求。

1 研究区概况

鄱阳湖位于江西省的北部、长江中下游南岸，是中国最大的淡水湖泊。鄱阳湖承纳赣江、抚河、信江、饶河、修河5大江河及清丰山溪、博阳河、漳田河、潼津河等区间来水，经调蓄后由湖口注入长江，是一个过水性、吞吐型的湖泊，鄱阳湖水系流域面积16.22万km2，最大丰水期面积约5 100 km2。鄱阳湖为季节性湖泊，年内水位变幅巨大，形成了大量的滩地、沼泽和沙洲，是我国重要的湿地生态系统。水位高时以湖泊为主体，水位低时以沼泽为主体，呈现水陆相交替出现的生态景观。夏季的7月与冬季的1月水位相差多年平均为12 m左右。水位和水域面积的变化造成鄱阳湖天然湿地各类型之间的动态变化［9］。南昌是江西省的省会，而南昌港则是江西省的枢纽港，在全省处于航运中心的地位［10－11］，鄱阳湖水利枢纽工程对南昌港港口岸线资源影响主要取决于鄱阳湖区水位的控制情况，鄱阳湖地区的水系及城镇分布情况如图1所示。

图1 鄱阳湖地区水系分布图Fig.1 Distribution of river system of Poyang lake

2 湖泊水位仿真系统的研制与实现

2.1 功能设计

鄱阳湖水位动态变化仿真系统是收集、存储、管理、综合分析和处理空间信息的软件系统，重点强调和突出以下功能:

1)人机交互。仿真系统简单直观，方便用户操作，具有较好的交互性和处理效率。如Shape文件图层的加载、图像文件的叠加、局部地形详细查看、淹没区水位、流量数据的加载与动态修改和点、面、线信息的编辑等功能。

2)科学计算及可视化。河道、湖区水位、流量和河道等级数据的演示以及实时显现河道与湖区的中任意点的水位、高程、通航能力等信息。

3)虚拟环境模拟。可实现基于三维模型的高分辨率图像浏览，遥感图像分辨率最高可达到15 cm，DEM数据分辨率湖区为25 m，湖区外为90 m;实现分类信息图层表达，包括自定义的河网编码、水位淹没线、地名标注等图层;鄱阳湖区的全景、河道视点控制等功能。

2.2 地形处理

World Wind卫星数据可自动更新，低分辨率的Blue marble数据也包含在内，当用户放大特定区域到一定比例尺时，附加的高分辨率数据将会自动从NASA服务器上下载，遥感影像与SRTM高程叠加生成三维地形。SRTM高程数据的分辨率在中国范围内是90 m，不能满足鄱阳湖水位动态变化仿真的要求，必须将已有鄱阳湖区的高分辨率地形数据处理成World Wind地球模型能够识别的数据格式。

1)处理SRTM数据，生成数字高程模型(DEM)，利用ENVI软件将鄱阳湖区的SRTM数据进行镶嵌、裁剪及调整分辨率(25 m)后，导出为TXT格式的DEM数据文件。

2)利用ArcMap软件，将鄱阳湖湖区及河道的高精度Shape格式等高线数据(重点地段加密测量)转换成栅格DEM数据(水平分辨率25 m)。将湖区和河道外部高程低于60 m的网格数据的高程值修改为60 m，使得在设置动态淹没水位时水不会外流到湖区外或河道外部，确保淹没面积计算正确。

3)将鄱阳湖区的DEM数据、河道DEM数据与SRTM 数据同步同化［7－8］，将同步同化后的研究区DEM数据转换成带有地理投影的TIF格式图像文件。

4)将地形数据进行瓦片切割。在鄱阳湖湖泊水位仿真中，当视野集中在某一地区时，动态加载该地区的地形数据，而不是一次性将所有地形数据加载，这就实现了不同数据来源的遥感影像、高程数据在地球模型中流畅的显示和信息提取。高程数据同纹理数据一样分层存储，数据存放在“CacheEarthImagesNASA Landsat ImageryNLT Landsat7(Visible Color)”目录。从服务器下载的图像为JPG格式，512像元×512像元，下载完毕后转换为DDS格式，DTX3压缩，下载的临时文件后缀为jpg.tmp。World Wind的分层技术以地球360°经度和180°纬度为标准，第一层以36°划分，分为(360/36)×(180/36)=50层，第二层以18°划分，第三层以9°划分，依次类推［4］，如图 2、图 3 所示。

图2 多分辨率分层原理图Fig.2 Multiresolution layered principle

图3 World Wind分层结构图Fig.3 World Wind’s layered structure

针对鄱阳湖区地形数据，主要采用瓦片切割工具FWTools和Dstile将地形TIF格式文件切割成分级的多分辨率图像分层文件集合。创建瓦片的通用命令行格式为:dstile.exe－－tile－－lztsd tile_size－－wwcache－－overviews output_directory georeferenced_image_file(s)。其中参数如下:tile_size为图层瓦片大小，十进制数，能被180整除(最好为180/2n);output_directory为瓦片金字塔的输出路径;georeferenced_image_file(s)为影像数据的完整路径，一系列的多重影像可以自动组合成单一的瓦片金字塔。命令说明:①－－tile，作用是Dstile将要创建瓦片金字塔;②－－wwcache，作用是Dstile按World Wind的内部格式组织和命名创建的瓦片;③－－overviews，作用是Dstile去创建所有可以创建的瓦片图层。

5)配置Earth.xml地球加载文件，使得地球模型运行时自动加载研究区的高分辨率DEM数据。在config文件夹下找到 Earth.xml，在 ＜TerrainAccessor＞标签下添加“＜Higher Resolution Subset＞地形数据名称，＜/Higher Resolution Subset＞”标签。名字和数据集名字要与上面自定义的文件夹名称相同。

2.3 水位仿真插件开发

World Wind提供两种扩展系统功能的方法:Plug－in(插件)机制和Add－on(附加)技术。插件机制支持多种语言的插件形式，具有较高的运行效率。水位仿真插件是借鉴World Wind 1.4版本中的插件机制开发的，主要设计思路如下:

1)选取一个矩形范围的左上角和右下角经纬度，作为水位演示区域，即为Rect1。

2)计算当前的取景视野矩形范围，即为Rect2;计算Rect1和Rect2两个矩形的交集，即为Rect3。本步骤中采用了动态计算Rect2的方法，Rect2的mesh网格大小是128×128。因此，当视野距离研究区较远时，看到的淹没范围分辨率较低;当放大到一定倍数时，即视野离研究地点越近时，看到的淹没范围分辨率越高。这样做的优点是进行动态渲染时图像非常流畅，其缺点是计算机的CPU占用率较高。

3)对Rect3矩形区域作行数和列数为128的双层循环，以(地球半径+水位×垂直夸张系数)为半径构建一个网格mesh，并可以动态设置mesh的颜色和水位，这样当某一点的水位高于该点的高程时，该点就被mesh网格覆盖，呈现了湖水淹没范围特效。反之，当某一点的水位低于该点的高程时，该点就覆盖了mesh网格，呈现陆地或高山景象的特效。

4)对Rect3矩形区域作行数和列数为128的双层循环，计算每一个小单元的水位值减去当前高程值，然后以标签的形式输出当前点的经度、纬度、高程、水位、水深和航道级别信息。

2.4 地理空间数据扩展

1)矢量数据。World Wind可将本地的Shape文件作为图层加载到World Wind地球模型上，能将地理要素对应到正确的地理位置上，并能自动显示出World Wind中的属性信息。鄱阳湖仿真系统中需要1∶25万水系图(河流、湖泊)、地标(详细到村镇)、公路、铁路、省界及河网编号等点、线和面的Shape文件格式数据。

2)栅格数据。开发栅格图像叠加的功能插件，将本机的栅格数据叠加到World Wind三维地球模型上，并且可以调整栅格图像的透明度，方便用户进行深入的观察分析。将不同时期的Landsat鄱阳湖地形处理成TIF格式的图片，对高程数据及TM/ETM+卫星图像作前期处理时可以用使用Global Mapper软件处理，配准加载到World Wind中实现地形变迁分析。

3)3D模型数据。鄱阳湖的一些水工建筑物3D模型，可以运用XML文件以静态方式加载到仿真系统中，动态管理各个模型。使用AutoCAD建模软件，建立水闸、船舶等三维模型，导出为*.x格式三维模型文件，编写XML配置文件加载本地3D模型数据到World Wind平台上显示。

3 湖泊水位仿真系统应用

3.1 鄱阳湖淹没范围仿真

鄱阳湖水位仿真系统可有效地模拟不同控制水位下的湖区及河道的淹没情况，如图4所示。图5是在12～19 m的控制水位条件下的湖水淹没情况。

图4 控制水位淹没范围的叠加显示Fig.4 Superposition display of control water level and submerged range

图5 控制水位下的淹没范围Fig.5 Submerged range under different water level

选取栅格步长100 m的鄱阳湖区的栅格覆盖，总栅格子数为1 490 890个(1 537行×970列)，其中无数据总栅格数为967 368个，有数据总栅格数为523 522个。表1是鄱阳湖区在不同控制水位状态下的水深面积的统计表;图6是在一定的水位条件下，不同水深的统计曲线图;图7是淹没面积与水位关系曲线;图8是未淹没面积与水位关系曲线图。

表1 鄱阳湖区不同水位下不同湖区内水深水域面积Tab.1 Poyang Lake under different water submerged depth statistics

图6 水深2 m以下的淹没面积曲线Fig.6 Submerged area curve(depth of 2 m)

图7 淹没面积与水位关系曲线Fig.7 Submerged area and water level relation curves

图8 未淹没面积与水位关系曲线Fig.8 Unsubmerged area and water level relation curves

3.2 鄱阳湖水位的环境影响分析

1)对候鸟的影响。鄱阳湖为一过水性吞吐型湖泊，洪水季节水位在19.0 m左右;枯水季节(11月至次年3月)湖面萎缩，水位一般低于10.0 m。在冬季水位下落的过程中大片滩地出露，珍禽候鸟云集，冬季气温适合鸟类生存。从图6中可以看出，当水位大于16 m时，水深为2 m以下的水域面积迅速减少。有关研究表明，湖区水深在2 m以内是有利于候鸟的栖息的［12］，可见，鄱阳湖水位和水深的变化对候鸟的栖息有一定的影响。

2)对航道的影响。当环鄱阳湖区枯水期调控水位到15～16 m时，对枢纽上游航道而言亦能形成真正意义上的环鄱阳湖千吨级(Ⅲ级)以上标准的高等级航道网。为水运发展的需要，建议鄱阳湖水利枢纽枯水期调控方案首选16 m，其次可采用15 m。

3)对港口的影响。南昌港是江西省的水运枢纽港，是由交通部定位的全国内河28个主要港口之一。环鄱阳湖区枯水期调控水位15 m以上时，将使南昌港的深水港口岸线条件有一个质的飞跃，与长江黄金水道枯水期维护性航道水深一致，可实现南昌港水运货物的江海直达。综合上述枯水期调控水位方案对环境影响来看，枯水期调控水位15 m及以上为可接受方案。

4 结论

1)基于GIS，World Wind和遥感技术，仿真了环鄱阳湖区枯水期不同调控水位对环鄱阳湖航道通航水位、港口、岸线的影响分析，仿真结果有利于鄱阳湖水利枢纽水位调控的决策需求。

2)系统仿真了环鄱阳湖区枯水期不同调控水位(吴淞高程分别为16 m，15 m，14 m和13 m)的情况，并综合枯水期调控水位方案对航道影响，得出枯水期控制水位15 m是对该区域的生态和通航比较有利的方案。

3)目前的湖区地形数据采用了Dstile工具处理成World Wind所需要的金字塔式的瓦片图像数据，这对于具有时间序列的地形数据进行时态的对比分析是不利的，需要进一步研究。

［1］刘小江.超大地形三维模型设计与制作［J］.计算机仿真，2010，27(1):24 －26.

［2］潘 伟，郑逢斌，乔保军，等.基于NASA World Wind的GeoTIFF影像显示方案研究［J］.计算机应用，2009，29(6):1745－1747.

［3］World Wind Central，Open Source Community Portal，http://www.worldwindcentral.com.

［4］Bluck J，NASA Computer Program is‘Hot Download’on the Internet.2004，http://www.nasa.gov/vision/earth/environment/World_Wind.html.

［5］刘 永，郭怀成，周 丰，等.湖泊水位变动对水生植被的影响机理及其调控方法［J］.生态学报，2006，26(9):3117 －3126.

［6］马庆华，郑逢斌，乔保军，等.基于World Wind矢量数据压缩的研究与实现［J］.河南大学学报:自然科学版，2009(7):403－406.

［7］周 毅，汤国安，王 春，等.基于高分辨率DEM的黄土地貌正负地形自动分割技术研究［J］.地理科学，2010，30(2):261－266.

［8］周德民，程进强，熊立华.基于DEM的洪泛平原湿地数字水系提取研究［J］.地理科学，2008，28(6):776 －781.

［9］齐述华，龚 俊，舒晓波，等.鄱阳湖淹没范围水深和库容的遥感研究［J］.人民长江，2010，41(9):35 －38.

［10］蒙海花，王腊春，黄胜晔.鄱阳湖径流量时间序列的混沌特征分析［J］.长江流域资源与环境，2011，20(5):540 －545.

［11］王 庆，廖静娟.基于SAR数据的鄱阳湖水体提取及变化监测研究［J］.国土资源遥感，2010(4):91－97.

［12］游文荪，丁惠君，许新发.鄱阳湖水生态安全现状评价与趋势研究［J］.长江流域资源与环境，2009，18(12):1173 －1180.

Simulation Research on the Water Level of the Poyang Lake Based on World Wind Technology

QI Xiao － ming1，2，DU Pei－ jun2，WANG Ying － chun2，3，JIN Ju － liang4，XU Shan － jian1
(1.Computer Science and Technology Department of Bengbu College，Bengbu 233000，China;2.Department of Remote Sensing and Geographical Information Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;3.Hydrology and Water Resources and Hydraulic Engineering Laboratory，Hohai University，Nanjing 210098，China;4.School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

World Wind is an open source(released under the NASA license)virtual globe developed by NASA.The program provides a platform for digital earth and 3D GIS.The realization of the compacted 2－3D coupling of multi－source data is one of the problems in the process of developing professional system based on World Wind.In the .Net development environment，taking World Wind as the simulation kernel，the authors developed the water level simulation plug－in，studied the 2－3D coupling of data technology，and realized the lake＆ channels’flood inundation risk analysis and 3D roaming of the Poyang ecological economic development zone.The results show that the simulation system can realize smoothly the real－time information query at any point in such aspects as terrain elevation，water level and submerged depth，and navigation level.The submerged range of the Poyang Lake is also simulated under different water－control conditions.The results can serve the decision－making regulation of Poyang Lake water conservancy hub.

simulation of Poyang Lake’s water level;control water;submerged scope;Poyang Lake;World Wind;GIS

TP 751.1

A

1001－070X(2012)02－0105－05

戚晓明(1975－)，男，副教授，博士后，主要从事水文水资源和地理信息系统研究。E－mail:qixiaoming888@sina.com。

(责任编辑:李 瑜)

10.6046/gtzyyg.2012.02.19

2011－07－08;

2011－09－04

国家自然科学基金项目(编号:41001292)、水利部公益性行业科研专项经费项目(编号:201001043)及安徽省教育厅自然科学研究项目(编号:KJ2009B131)共同资助。