河南省三维电子沙盘系统在防汛抗旱中的应用研究

□薛红勋（河南省水利科学研究院）



河南省三维电子沙盘系统在防汛抗旱中的应用研究

□薛红勋（河南省水利科学研究院）

摘要：随着现代信息技术的迅速发展，水利信息化带动现代化进程，数字水利技术提到了水利发展的重要议程。河南省防汛三维电子沙盘系统充分利用三维地理信息系统、遥感技术、海量数据管理技术、虚拟现实技术、网络通讯技术和高性能计算机技术等现代高新信息技术，采用高精度DEM地形数据、遥感影像和基础地理矢量数据，建立河南省三维空间场景；并在三维场景中，直观地展现河南全省地形、地貌、水系分布、河流形态、防洪工程等防洪信息。同时，还与已有的水雨情库、防洪工程库连接，可以实时展示和查询水雨情信息和防洪工程信息，为河南省防汛管理及会商决策提供更为直观、准确的信息服务和技术支持。

关键词:三维；电子沙盘系统；防汛抗旱；应用研究

1概述

河南省防汛三维电子沙盘建设，是将河南全省地形貌、防洪工程体系在三维场景中生动地展示出来，直观展现防洪工程、淹没范围，并与水雨情库、防洪工程库良好衔接，能够实现水雨情信息、防洪工程信息的展示和查询，进一步丰富、完善目前防汛抗旱系统的建设，对河南省防汛抗旱的科学化、信息化、实用化、可视化具有重要意义。

2总体设计

2.1系统体系结构

系统的体系结构设计是基于分层思想进行的。系统自上而下划分为用户交互层、应用层、系统服务层、数据层。

2.2应用层

提供三维场景自由浏览，定制漫游轨迹并按轨迹自动飞行，分流域、水系进行浏览，防汛信息（水雨情、工情及视频监控等信息）分类分层查询浏览。

要求应用层能够表现全省范围内重点河道和地区的三维场景，场景中包括地形、地貌、城市、乡村、公路、铁路等基础地理对象，还包括周边重点水利工程、河道、堤防、水闸、险工险段等专题地理信息要素。

2.3系统服务层

系统服务层由三维虚拟现实引擎、三维GIS服务构成。

三维虚拟现实引擎是系统运转的核心层，亦是处理分析数据、支撑应用层各种实际应用的基础。它提供对操作系统、图形API（DIRECTX或OPENGL）进行抽象封装和管理，并对虚拟现实中的虚拟场景进行管理，提供了各种先进的特效表现手段。针对数据层各种类型的数据提供存、取的访问接口，对这些海量数据的快速无缝读取和处理提供可靠支持。同时，它是实时虚拟显示系统高效稳定运行的基础，采用了各种方法对系统进行优化、监控，以保证系统的高效性、实时性和稳定性。

三维GIS服务是构建在三维虚拟现实引擎基础上的专门针对三维空间数据的地理信息系统服务，它在二维GIS的基础上将空间内的数据扩充到三维，并提供类似二维GIS的图层、图元等基本概念，提供信息查询、地理位置搜索、空间位置搜索、空间位置分析等数据分析能力，为上层应用构建出面向三维GIS的各类应用的基础。

2.4数据层

数据层是系统的数据基础，涵盖了三维动态实时显示所需要的多种数据，包括：三维建模数据和应用类数据。

三维建模数据包括：数字高程模型（DEM）数据、卫星影像（DOM）及航拍图片数据。

应用类数据包括：地理信息数据（道路、行政区等）、各种防汛所需的水利行业数据，包括防洪工程数据库、实时水雨情数据库等。

3关键技术

3.1海量数据处理技术

河南省防汛三维电子沙盘系统的建设，以海量数据为基础，

3.2三维场景展示技术

三维虚拟现实引擎是服务层的核心和基础，它在以下方面为整个系统提供核心支撑。

保证系统在海量数据条件下的实时性和高效性。给系统提供以数据为驱动方式的运行机制，方便上层应用对用户的需求进行快速反映。提供对操作系统、图形API以及三维虚拟场景的各个方面的封装和管理，大大缩短应用层开发周期。提供方便的纠错与准确的诊断和监控，保证系统在长时间高负荷运转条件下的稳定性，为系统提供各种接近真实的显示效果。

为将来的技术发展方向提供强大的可扩展性和延伸性，以缩短系统升级周期。

此外引擎架构的设计充分追踪和研究了国际最先进实时图形学的发展趋势，采用多层次、多子模块设计，为将来几年内的发展条件下，对引擎的扩充、升级提供了体系结构上的支持。

3.3分层展示技术

河南省防汛三维电子沙盘系统，要求展示丰富的基础地理信息和防汛专题信息。为了达到更好展示效果，系统对这些信息进行分类和分级，可以从全省全景开始，层层推进，逐极展示；也可以从局部区域开始，在不同级别之间进行切换。

3.4自动切换技术

根据不同的视野范围，不同比例尺的三维场景，展示的信息及内容不同，系统要求对不同场景（如流域浏览模式）之间能够快速切换。

3.5自动飞行技术

为了便于展示全省的三维场景及水利工程分布，系统提供了自动飞行功能，可沿设定的路线以适合的角度和高度飞行，并具备适时调整俯视角和飞行高度等功能。

4功能设计

图1　系统功能结构图

4.1系统功能结构

系统功能结构图如图1。

4.2地理要素控制与分析

地理要素（图层）控制，系统的数据从应用的角度划分为多类用户可以动态开启、关闭的图层。

基础地理信息图层：包括省、市、县界，省市县区域，市、乡镇、村庄等行政区划图层。

非水利行业的社会经济数据图层：各类公路、铁路、管线等图层。

水利行业数据图层：各类水利工程及防汛抗旱相关的地理要素图层，如河流、提防、水库、各类监测站、视频监控点等。根据用户的选择，来控制各图层是否可见。

4.3地理信息搜索

支持各类图层的模糊搜索，用户输入搜索关键字，展示搜索结果，并可以在结果列表界面内双击某条结果后自动定位到该地理要素。

4.4地理信息分析

提供坐标查询、高程查询、距离量算等地理信息分析功能。点击“距离量算”，“距离量算”按钮转换为，可以测量电子沙盘的任意两点的直线、折线距离。

4.5飞行路径编辑及播放

提供飞行路径和参数的编辑功能，路径的标定可手动在地形上点选路径，选择整条河流或部分河流作为飞行路径。飞行参数由用户指定俯仰角、可视距离、飞行速度。实现按用户定义的路径及参数自动飞行，并可以暂停、拖动播放进度。

4.6实时水雨情、水利工程信息查询

提供对水利工程的水雨情、工情查询功能。在查询模式时，用户在三维场景内选定某个水利工程的地理要素后，即可弹出该工程的水雨情或水利工程信息详细查询结果。本系统同时集成了已有的视频监控系统，可在三维沙盘内选定某视频监控点的地理要素，直接弹出该监控点的视频监控画面。

5结语

河南省三维电子沙盘系统更真实地展示了全省水利工程的地形地貌，实现了系统与实时数据库的互联互通，可使防汛指挥部门及时掌握水、雨、工情信息，从而迅速科学地做出决策，及时实施科学合理的防洪抢险调度指挥，将洪涝灾害损失降到最低限度。

（责任编辑：左英勇）

收稿日期：2015-11-14

作者简介：薛红勋（1982-），男，工程师，主要从事全省防汛工作。book=99,ebook=106包括DEM数据、遥感影像、基础矢量超过100G。常规的数据处理主要采用文件方式组织和管理数据，不能高效地利用金字塔三维数据引擎，无法有效管理海量数据。本系统主要采用金字塔三维数据引擎技术，实现海量数据的存取与有效管理。金字塔三维数据引擎是多种海量数据处理技术的集合，主要包括：磁盘数据存储技术、内存数据组织技术、数据动态装载与卸载技术、纹理动态载入技术、复杂消隐技术、多分辨北数据表现技术，以及其它相关技术。

中图分类号：TP391. 41; P426. 616

文献标识码：A

文章编号：1673-8853(2016)01-0098-02