基于VRP的溃堰洪水演进4D交互式可视化研究

何文钦，刘 全,2，邓 渊

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072； 2.三峡地区地质灾害与生态环境 湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002； 3.华东勘测设计研究院，杭州 310014)



基于VRP的溃堰洪水演进4D交互式可视化研究

何文钦1，刘 全1,2，邓 渊3

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072； 2.三峡地区地质灾害与生态环境 湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002； 3.华东勘测设计研究院，杭州 310014)

水利工程溃堰洪水演进分析对工程设计与灾害预警有重要意义。基于Virtual Reality Platform(VRP)平台,利用图形图像处理方式直观地模拟洪水演进过程，系统全面地分析洪水要素在时间与空间上的相互关系。融合多种数字处理技术进行数据可视化，建立洪水水力要素的时序变化与图形之间的映射关系，表现河道溃堰洪水水位、水深等水力要素的演变过程。实例说明VRP可模拟围堰溃堰洪水演进全过程，实现动态分析与用户交互，表明基于VRP的溃堰洪水演进动态4D可视化对洪水风险整体分析具有独特优势。

4D可视化；VRP；溃堰； 洪水演进；数字处理；灾害预警

1 研究背景

水利工程洪水风险分析对工程建设投资与工程灾害评估具有重要意义。由于GIS在数据处理与分析方面具有独特优势，很多工程洪水风险分析与应用以其为基础[1-3]，特别在溃坝洪水风险分析和城市洪水风险分析中应用较多[4-5]。GIS系统在洪水多因素表现中具有明显优势，但静态的风险图在表现动态洪水过程时存在一些缺陷。大型水电工程导流系统的围堰失事后溃堰洪水冲向下游，造成巨大的淹没破坏与冲刷破坏，因此要在工程设计阶段分析与评估围堰溃决可能造成的影响。其中，溃堰洪水对下游区域的淹没影响可用下游河槽的流量、水位、流速、洪峰到达时间和淹没历时等水力参数表达[6-7]，这些参数一般可利用洪水演进分析方法计算得到。

可视化技术能够将复杂的工程建设过程或是工程问题清晰地呈现出来，是可视化仿真的重要方法。国内钟登华等[8-9]在施工动态可视化仿真与三维洪水演进研究方面开展了大量的研究。但一般的洪水演进可视化在表现洪水过程与洪水淹没风险方面多将两者割裂开来，以动态模型表现洪水过程，以静态风险图分析淹没风险[10-11]。本文基于VRP(Virtual Reality Platform)可视化平台良好的用户交互和强大的脚本控制能力，构建溃堰洪水动态演进平台，实现溃堰洪水演进四维(4D)交互式可视化，反映地形、地貌等空间关系，在表现洪水在河槽中演进过程的同时分析洪水淹没风险。

2 溃堰洪水演进信息结构

2.1 溃堰洪水演进水力要素

施工导流系统中上游围堰挡水形成堰前库容。由于超标洪水和围堰结构失效等原因，围堰存在溃决风险。溃堰洪水演进的水力要素包括断面流量、水位、流速、洪峰到达时间和淹没历时等。这些水力要素可看作是与洪水演进河槽空间信息与洪水演进时间的函数，即

式中：Pi代表水力要素的序号，如水深、水位、流速、洪峰到达时间、淹没历时等；S为空间信息；T为时间。

图1 洪水淹没风险图

2.2 洪水演进数据可视化分析

一般的洪水水力参数表现形式是洪水风险图，主要针对洪泛区最不利洪水水力要素(如：最大水深和最高水位等信息)，通过最不利水力参数组合综合表现洪水风险，如图1。但是，静态的洪水风险图不具有洪水演进的时序，无法表现淹没区洪水随时间的演进过程。而溃堰洪水演进计算成果数据是随时间剧烈变化的四维数据场，过程性强，需要选择有较强时序表现力的洪水演进数据可视化方法。溃堰洪水演进可视化利用计算机仿真技术与系统建模技术，建立水力要素的时序变化规律与图形之间的映射关系，直观地表现水位、水深、历时等水力要素，重点分析围堰失事后下游风险区水位与淹没水深变化等时序过程。

3 基于VRP的洪水演进仿真

通过数据建模转入虚拟现实平台中，在河槽地形与水面模型的基础上，利用脚本控制模型位置、颜色等符号化特征，表现洪水时序变化，从整体上模拟洪水演进过程[12-13]。基于VRP的洪水演进可视化实现基本流程如图2所示。

图2 洪水演进交互可视化实现

3.1 数字地形建模

水电工程的坝区和库区地形多为二维、三维等高线形式，是拥有空间坐标的地形要素信息。常利用高程信息数据以构建不规则三角网格的形式建立坝区和库区的数字地面模型。一般形成的地形三角网格具有几个特性[14-15]：①空圆特性，在三角网格中，任一三角形的外接圆范围内不会有除该三角形顶点外的其它点存在；②构网时总是选择最邻近的点形成三角形并且不与约束线段相交；③形成的三角形网格保持最优形状特征，即任意2个相邻的三角形形成的凸四边形如果对角线可以互换的话，那么2个三角形6个内角中最小的角度不会变大。通过三角网格构建的数字地面模型能够较好地反映工程地形中的河道、山脊和山谷等地形特征，效果逼真。

3.2 贴图渲染

在高精度的数字地面模型的基础上，具有真实感的贴图是实现良好空间参考的关键。数字地面模型能够反映地形特征，但植被覆盖、出露岩性、河滩桥梁等地貌特征需要通过光栅影像反映。贴图软件可将等形状配准的二维图像利用坐标映射技术映射到数字地形上。数字地面模型贴图后能够反映真实地形地貌特征，使渲染效果更加真实。

3.3 动态模型微分化

在虚拟实现场景中，为了表现洪水演进过程，需要将洪水演进参数符号化，由此需要建立模型的符号化特征与水力要素之间的映射关系，并根据时序动态控制以表现洪水演进效果。依据目前虚拟现实平台的实现技术，模型的符号化特征包括：可见性(显示/隐藏)、位置、颜色、透明度、贴图等。

图3 河槽水面模型

考虑到溃堰洪水演进4D交互式可视化体系中，只有水面模型是动态的，因此模型动态控制仅需要针对水面模型即可，并从建模阶段就考虑到模型动态控制的需求。首先，提取洪水演进过程中的最高水位，并根据河槽边界确定水面最大范围，建立水面模型，如图3所示。在顺水流方向，根据河槽坡降和落差将水面模型分成多段；在垂直于河道方向，根据河谷坡度和高差，亦将水面模型分为多段，如图4所示，以分别控制这些模型的符号化特征。水面模型的分段根据河槽地形走势确定，保证动态模拟过程中河道内水深变化在一定程度上具有连续性。

图4 水面划分示意图

3.4 基于VRP脚本的动态模型控制

VRP具有强大的虚拟现实制作功能，作品渲染效果高度逼真。VRP支持脚本语言，可以在渲染模型的同时通过脚本控制模型(组)的显示/隐藏、位置、颜色、透明度、贴图等。其语法原型如下。

显示/隐藏：显示隐藏物体，物体类型(0=组，1=模型，3=二维面板，4=角色模型，5=粒子模型，6=形状)，物体名称，选项(0=隐藏，1=显示)；

位置：定位移动模型，物体名称(模型或组)，坐标系(1=世界)，位移矢量(x/y/z)，位移中心(0=包围盒中心，1=底面中心，2=顶面中心，3=模型中心)；

颜色：改变颜色，模型名称，分量(0=Ambient+ Diffuse，1=Highlight，2=Emissive)，颜色(格式R/G/B)；

透明度：改变透明度，物体类型(0=组，1=模型，3=二维面板)，物体名称，是否开启半透明(0=关闭，1=开启)，透明度(0～255)；

贴图：更新贴图，新的贴图文件位置。

在VRP强大的脚本语言支持下，可以通过动态控制模型对象的符号化属性，实现洪水演进4D可视化，但是还必须解决演示过程中的时序控制问题。在演示过程中利用脚本按时序执行模拟洪水演示的时间过程，用脚本变量设定洪水演进的时间步，脚本变量数值变化控制执行相应分支，触发相应时间步的洪水要素更新脚本。洪水演进脚本时序控制流程如图5所示。

图5 洪水演进动态控制脚本结构

图5的时序演示机制包括2个部分：①时序的定义；②根据时序选择分支。定义时序需先定义一个脚本变量，并让它以一定的时间间隔递增，使脚本依序执行。根据时序选择分支，可以利用IF语句实现。对于脚本量大，执行效率较低时，可以利用建立脚本文件的形式，简化主脚本结构，提高执行效率。

3.5 用户界面与交互控制

VRP-Builder编辑虚拟现实系统界面中可以添加图标按钮，设定触发函数，控制洪水演进的开始、暂停、继续、加快和减慢等，并定义相机视角，同时在用户界面中添加工程名称、图例等辅助信息。编辑完成之后，虚拟现实系统可发布为易用性较好的可执行文件。完成构建溃堰洪水演进的4D交互式平台，实例效果如图6所示。

图6 围堰溃决洪水演进4D交互式可视化界面

4 工程实例

某水电站上游围堰挡水至设计水位库容达2.9亿m3，围堰一旦失事将对下游造成重大损失，并将影响到其下游重要城镇交通。

以该水电站50 a一遇围堰正常挡水溃堰洪水演进为例，计算分析得到上游围堰失事后的洪水演进数据，选取洪水水位、洪峰到达时间和淹没历时为主要洪水要素，进行洪水演进4D可视化处理。洪水演进分析资料为上游围堰到下游大坝之间河道典型断面在围堰发生渐溃后水深水位随时间演变的数据，如表1所示。

表1 典型断面洪水水力要素

图7 河槽三维地形网格

依托于该工程区域地形等高线等数据信息，将数据转化成带高程信息的离散点数据形式，基于地形三角网格面构成规则，建立洪水演进河槽数字模型，如图7所示。

河槽部分为主要部分，需要事先对河槽原等高线等数据根据实际河流与地形条件优化处理，包括深谷区域的等高线调整、开阔河滩区域等高线的补充与平顺、河槽底部区域数据补充等，使生成的三维地形更加接近实际情况。

选取河槽区域卫星照片，利用Photoshop等工具对图形通过拼接裁剪来截取数字地形对应部分。在3DS MAX中配准贴图，得到接近真实的坝址下游河槽与地形三维效果图，如图8所示。

图8 数字地形渲染效果Fig.8 Renderingofterrainmodel

在3DS MAX中利用VRP文件导出工具，将处理好的模型导入到VRP中，再将演进范围内河道水面划分成小块，根据这些分块水面对象随时间变化的参数，编写水面动态模型脚本，建立洪水动态演进效果。利用“定位移动模型”脚本命令，使整体水面模型对象随时间轴变换空间坐标，模拟洪水演进水位波动；利用“改变颜色”脚本命令，使水面模型在不同的水深下，变换不同的颜色，显示淹没水深参数；利用“输出字符串到屏幕”脚本，显示洪水演进历时。应用VRP建立上游围堰渐溃后洪水演进4D可视化演示效果，如图6所示。

同一般的静态洪水风险图相比，基于VRP的洪水演进可视化在反映地形地貌等空间关系的同时，表现了溃堰之后的下游河段淹没范围和淹没水深等随时间的变化过程，在工程典型断面洪水水力要素分析中具有独特优势。

5 结 论

本文在分析洪水溃堰演进数字化表现的基础上， 以实例研究基于VRP的溃堰洪水演进4D可视化， 直观地表现溃堰洪水要素， 并实现用户交互控制。 该方法较好地表现了溃堰洪水演进的动态风险与变化过程， 可为溃堰洪水淹没影响分析提供支持。

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(编辑：赵卫兵)

Four-dimensional Interactive Visualization of the Routing of CofferdamFailure Flood Based on Virtual Reality Platform

HE Wen-qin1, LIU Quan1,2, DENG Yuan3

(1.State Key Laboratory of Water Resource and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2.Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area,Yichang 443002, China; 3.Power China Huadong Engineering Corporation, Hangzhou 310014, China)

Analysis on the routing of flood caused by cofferdam failure is of great importance for water dam project design and disaster warning. Based on VRP (Virtual Reality Platform), a method is presented to intuitively demonstrate the flood routing on computer with graphic and image processing techniques for a systematic and comprehensive analysis of the interrelation of the flood elements over time and space. This method integrates several digital processing techniques to visualize the data. The evolution of hydraulic elements, inclusive of water level and water depth in the river channel over time, is displayed by establishing the mapping relation between sequential variations of hydraulic elements and graphics. A case study shows that the method could simulate the routing of cofferdam failure flood and achieve dynamic analysis and user interaction. The results indicate that the visualization of flood routing caused by cofferdam failure based on VRP is of a distinct advantage in the integrity analysis of flood risk.

4D visualization; VRP; cofferdam failure; flood routing; digital processing; disaster warning

2015-10-23；

2016-01-28

国家自然科学基金项目(51379164)

何文钦(1990-)，男，湖北天门人,硕士研究生，主要研究方向为水利水电工程施工组织与管理,(电话)13667159969(电子信箱)howinkin@126.com。

10.11988/ckyyb.20150889

2017,34(1):50-53，76

TV511

A

1001-5485(2017)01-0050-04