GIS 应用中水体三维建模研究

2013-01-26蒋玉水

中国水能及电气化 2013年5期

蒋玉水

(泰安市大汶河综合开发建设指挥部，山东泰安 271000)

1 概述

随着“十二五”规划中明确提出了建设水利信息化的重要性，水利信息化的需求越来越多，地理新信息系统(GIS)在水利信息化建设中越来越重要。然而传统的二维地理信息系统也越来越难以满足当前水利行业建设三维数字水利的需求，因此，近年来三维地理信息系统在水利行业应用的重要性显现出来。

在三维水利信息化建设中需要对各种水利设施、地表、水体等进行建模。水利设施、地表的建模现在已发展得相当成熟。如今市场上流行的3DMAX、MAYA 等大型商业软件，以及业内应用较广的Google SketchUp 等开源软件，都可以很好地完成水利设施的三维建模。地表的建模在当今流行的商业软件如Arc-GIS、MapGIS、SkyLine 等中能较好地完成。水体不像水利设施有自己固定的形状，不像地表不会流动，它随地表高低起伏而变化，随风力而波动，然而水利信息化的建设以水为主，因此水体的三维建模成为三维水利信息化建设中不可逾越的难题。

2 水体三维建模发展现状

在当前的三维水利信息化建设中，水体的建模其实就是水面的建模。这种建模主要有两种实现方法，以ArcGIS 为例。第一种，利用三维建模软件(例如SketchUp、3DMAX 等)绘制出水面，再在水面上贴上水的纹理(一般是照片或图像处理软件处理的图片)，完成水面的初步建模，然后再导出为ArcGIS 支持的MultiPatch 三维模型，最后将其覆盖在地表上。第二种，利用ArcGIS 绘制出矢量水面，并改变矢量水面的填充图案为水纹，最后调整水面模型覆盖在地表。这种建模缺点很明显，把水体抽象成单一的水面，水面与地表之间就是空的，不能反映水体数据随水层深度的变化，只能单一地作为景观使用，很难通过水体测算水体的体积和特定水深的水表面积，更不能表现不同风力条件下水面浪花的状态(比如浪高、波长等)。

随着地质三维建模的发展，水体的三维建模也从中学到了一点经验。在地质三维建模中，将地质块抽象成一个个由多个面组成的体。为了表现出不同地层的区别，可以将不同地层建模，建成不同的体。这种理念也可以运用到水体建模，因为向下凸起的水体倒过来可以抽象成向上凸起的地质体。这种建模方法也是有缺点的。由于这种三维模型是由多个面组成的体，它只注重体的面，而忽略了体的内部表现，只能从表面看出不同层之间的区别，当视野进入到模型内部时，就就很难区分不同层之间的区别。因此，需要寻找另一种三维建模方式。

3 水体三维建模的方式探讨

根据应用需求的不同，水体的三维建模也有不同的要求。主要有三种不同的需求，当单独作为景观需求时，水体只需抽象成一个面覆盖在地表上，也叫赏需求;当把水层因素的变化作为需求时，水体就必须抽象成一个占据三维空间的体，简称体需求;当把风力等自然界中作用于水的力量的变化作为需求时，水体就必须抽象成一个上表面起伏变化、运动着的体，简称力需求。

通过本文对水体三维建模发展现状的分析可以知道，当前的三维水利信息化建设中，对水体三维建模的需求主要是景观需求。然而随着水利信息化建设的深入，第二需求和第三需求也越来越重要。水面的建模能较好地满足景观需求，但其也有不足之处，不能像真实平静的水面那样可以根据阳光倒映出天空和岸边的影像。因此用贴图填充水面纹理的方法，不能实时反映出倒映的变化。水面的建模能很好地满足静态景观需求，而不能满足动态景观需求。从本文的水体建模发展现状可以看出，体需求的满足程度还仅限于体表面的深度变化，而对于体内部的深度变化没有全面涉及。力需求的满足程度最低，在应用广泛的地理信息系统软件中还没有涉及力变量的地理数据模型。因此，为了满足应用对水体三维模型的赏需求、体需求、力需求，必须重新设计一种新的水体三维数据模型。

在测试新的水体三维数据模型时，我们使用开源的三维工程代码OpenSceneGraph (简称OSG)。OSG使用OpenGL 技术开发，是一套基于C + +平台的应用程序接口(API)，它让程序员能够更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形系统。

同其他地理信息系统数据模型一样，新的水体三维数据模型肯定也有属性数据模型和图形数据模型。本文重点研究三维水体模型的图形数据模型。在建立新的三维水体数据模型之前，首先研究决定水体形状的因素。

水体依附于地表，由于自身重力随地表高低起伏而变化，因此地表高程数据是水体形状的一个决定因素。在地理信息系统中，地表高程数据比较广泛的表示方式是数字高程模型(DEM)。数字高程模型又分为规则数字高程模型与不规则三角网数字高程模型，后者又简称TIN。规则数字高程模型计算速度比较快，适合用于与地表高程数据相关的计算;不规则三角网数字高程模型数据量较小，显示速度较快，适合用于三维场景的三维地表的展示。

当水流较大时，水位较高，反之，水位较低;当水流较快时，水位较低，反之，水位较高。流速是指水体的流动速度，记作v。单位时间流量是指单位时间内流过河道横截面的水的体积，记作Vt。因此，流速与单位时间流量是两个决定水流大小与快慢的因素。

从地表高程数据我们可以获得河道任意横截面的数据，此横截面数据就是由横截面上的点数据组成的横截面曲线。通过水流的历史测量数据或现场测量数据，我们可以获得水流的速度与单位时间内流量。假如水流的横截面积为S，则Vtv =S，因此可以通过水流速度与单位时间流量，求得水流横截面积。在水流横截面积已知的情况下，根据河道的横截面积数据，就可以求得水位。根据河道长度与应用需求的精度，获得间隔一定长度的水位，就可以知道水位的变化，在虚拟世界中表现出来。这种方法只适合河道较为陡峭的河段，对于较为平坦的河段，整个河段采用统一高度。水体底部的形状由河道底部的地表决定，这样，水体的大体形状就确定了。

在水利行业的实际应用中，通常将三维水体内部分层，按层来分类显示我们所关心的数据。新的三维水体模型必须提供水体内部分类显示的机制。水体分类显示的前提是水体分层，水体分层至少提供两种方法。第一种方法是按比例分层，即把水体按照比例划分为不同的层;第二种方法是曲面分层，即根据已知的多个既不重叠也不交叉的曲面，将水体划分为不同的层。在新的数据模型设计中必须提供对这两种分类方法的支持。在逻辑数据结构上，可以将分层设计成一个二维表，设置三个字段，分别是ID、Level、Source。ID 是二维表的关键字段，Level 是在按照第一种分层方法下的层比，Source 是在按照第二种分类方法下的分割曲面的存储路径。在按比例分层时，字段Source 的值都为空NULL，在按曲面分层时，Level的值都为0。

水体的大体形状和内部状态现在都已经确定，接下来就该研究水面在风力力作用下的状态展示。

用风力和风向两个变量决定浪高和浪扑打的方向。在新的水体三维数据模型中，也必须保存对应着风力和风向两个变量。根据风力等级表可以查询到不同风力等级下的水面的状态，以此为据，可以绘制出不同风力条件下的三维水体的水面状态。在OSG 中读取数据模型中风力和风向数据，绘制相应的波浪场景。

4 结语

本文分析了不同需求下的当前合适的水体建模方法及各建模方法的利弊，研究了水利三维信息化中的水体建模问题，为了满足水利行业应用中对水体的赏需求、体需求、力需求，重新设计了一种新的三维水体模型。新设计的三维水体模型虽然能总体上满足论文中的水体三需求，但更细致的需求还要进一步研究，以使该模型更加适合行业需求。

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