基于3D GIS的水库群联合调度多尺度模拟仿真研究

刘 成 堃，马 瑞，邱 鑫，柳 嘉，喻 杉

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.长江空间信息技术工程有限公司(武汉)，湖北 武汉 430010； 3.湖北省水利信息感知与大数据工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

随着防洪建设的不断完善，长江中下游已基本形成了以堤防为基础、三峡工程为骨干，其他干支流水库、蓄滞洪区、河道整治工程及防洪非工程措施相配套的综合防洪体系，防洪能力显著提高[1]。然而，近年来极端或异常天气不断出现，洪涝灾害出现频次不断增加，受灾范围不断扩大，长江中下游河道安全泄量与长江洪水峰高量大的矛盾愈发突出[2-3]。为有效减少灾害损失，充分发挥现有防洪工程的作用，亟需利用科学数据建立模型对洪水演进过程模拟，提前采取必要的防洪调度手段进行灾情预防和控制。

要解决洪水灾害模拟和防洪调度过程中的复杂问题，需整合多渠道、多途径数据源及各类防洪信息，并利用多尺度、多维度、多层次的表达能力来建立洪灾数字化模型，模拟推演洪灾变化情况[4-6]。而地理信息系统(GIS)技术的出现为这些信息的集成和表达提供了新的途径，GIS将可视化地图与地理分析功能与数据库操作集成在一起，支持空间查询和空间分析，提供基于地理对象的新技术，在计算机软、硬件支持下，对时空信息进行分析、管理和应用。

GIS技术在水利领域应用广泛，其最初主要运用于水利工程的信息化管理，后逐渐开始与水文水资源管理、灾害监测、风险评估等业务相结合，提供技术支撑[7-9]。近年来，研究者逐渐开展GIS在防洪调度管理中的应用研究。对于单一防洪工程设施的调度过程数字化模拟，已有的研究大多建立局部区域的三维模型，利用传统3D GIS、游戏引擎等技术开发调度模拟系统，实现精细化仿真。例如，周学龙等[10]利用三维电子沙盘，开发了奉化亭下水库三维防洪调度仿真系统；方卫民等[11]针对北京市再生水灌区，基于商业3D GIS软件开发了河道防洪模拟调度系统；王欣等[12]利用MIKE FLOOD模拟溃坝后蓄滞洪区的洪水演进情况。

随着防洪调度范围和尺度的扩大，特别是当涉及流域级别，以传统3D GIS、游戏引擎等为代表的三维技术在数据量承载、多尺度切换、流畅显示等方面遇到了一定的困难和瓶颈，研究者们大多采用2D GIS建立专题地图，将防洪调度信息转换为二维地图符号进行可视化，并辅以统计图表作为补充。刘云等[13]开发了可接入MIKE模型的洪水调度平台，建立了洞庭湖洪水调度系统，为洪水调度决策提供参考；张俊等[14]基于2D GIS开发了汉江流域洪水预报调度系统；梁国华等[15]采用面向对象技术，设计并开发了基于Hibernate 4层结构的辽河流域防洪调度系统。现有的研究在流域尺度往往采用2D GIS技术以地图符号描述宏观调度信息；对于较小范围的工程设施则广泛使用3D GIS场景进行精细化动态模拟。而随着近年来设备性能、空间信息采集能力、模拟仿真技术的提升，使3D GIS的数据承载能力不断增强，对多尺度防洪调度信息的集成管理具有了更强的可行性，并可兼具宏观展示和微观模拟的优势。鉴于此，本文基于3D GIS的联合调度多尺度模拟仿真方法，提出对水库群、库区、中下游河道、蓄滞洪区等要素进行多尺度模拟仿真的具体手段，并基于开源三维图形学引擎，针对防洪调度模拟的特点开发形成了一套3D GIS集成框架，对1954年典型洪水过程进行宏观、中观、微观相结合的多尺度模拟仿真。

1 水库群联合调度多尺度模拟表达方法

1.1 联合调度工程要素及其传统表达方法

防洪调度工程主要为水库和蓄滞洪区，而随着防汛抗旱综合体系日趋完善，排涝泵站、排洪涵闸数量和体量越来越大，对干流流量的影响已经不容忽视。近年来，具备报汛条件和相关措施的大型重点泵站、涵闸、引调水工程也被纳入到综合调度中。

传统的防洪调度可视化手段主要以2D GIS结合统计图表为主，在宏观尺度使用专题地图标注描述防洪调度概况；对于微观细节，则只能通过统计图表进行补充，如通过监测水位、流量、拦蓄洪量等指标变化来反映工程设施的运用情况，通过重点河段、重要控制性水文站的水位调节变化来体现联合调度的成效。传统方法在观察特定设施的调度结果时，难以形成对全局防洪形势的认知，过于抽象且不够直观，因此需要研究更加高效的可视化方法。

1.2 3D GIS场景下的多尺度表达方法

3D GIS能利用多源数据融合技术，集成多类数据源，构建统一的虚拟场景，无缝地在宏观、中观和微观尺度间进行漫游和切换。借助3D GIS的优势，联合调度工程要素可在虚拟场景中从多尺度以更加动态直观的方式展现。

表1列出了3D GIS场景中水库群联合调度工程要素的内容、所依赖的时序数据和具体的多尺度模拟仿真方法，主要以降雨和洪水组成、水库拦蓄、库区淹没、河道洪水演进、蓄滞洪区分洪这5类事件为例，提出了多尺度的可视化方法。

由表1可知：在宏观尺度下主要关注降雨、洪水组成、重要水库和测站信息等，以图标闪烁、要素高亮、重点信息标注等形式呈现概况；在中观尺度下主要关注特定区域的工程设施组合，如库区或河段断面组、蓄滞洪区群等，以分级设色、闪烁预警等方式体现风险级别和损失；在微观尺度下主要关注局部区域细节，以水体扩散、水位涨落、要素叠加等三维效果来展示淹没情况。

表1 3D GIS场景下水库调度模拟仿真内容、数据和尺度说明Tab.1 Description on reservoir flood regulation simulation based on 3D GIS：content，data and scale

1.3 多尺度模拟效果的评判标准

为保证3D GIS场景下防洪调度多尺度模拟的效果，本文总结归纳了调度模拟的4个评判标准：流畅性、专业性、直观性、真实准确性。

(1) 流畅性要求建立的3D GIS场景能在多层级间无缝切换和快速加载，确保系统的性能；

(2) 专业性要求集成的各类要素符合防洪调度专业准则，且地图的符号化兼容传统2D GIS的显示规范，使决策分析人员快速适应新的系统环境；

(3) 直观性要求场景在多尺度切换时，根据场景范围和视点内的设施情况，智能加载相应的业务统计图表，使决策者快速直观了解所需信息；

(4) 真实准确性要求在3D GIS微观视角下，集成的数据具有较高精度，使河道水位、土地淹没等指标能以真实的三维效果呈现，准确模拟洪水风险情况。

为满足上述防洪调度模拟标准，构建基于3D GIS的调度模拟系统，文章后续部分将对系统构建、数据集成、模拟分析等内容进行阐述。

2 基于3D GIS的水库群联合调度系统

2.1 3D GIS选型与基础场景构建

随着3D GIS技术的快速发展，市场上出现了大量商业3D GIS平台，但受接口限制，难以灵活对防洪调度过程进行表达。因此，本文拟选用开源图形开发包Open Scene Graph(OSG)进行联合调度模拟的设计与开发。OSG面向虚拟现实、科学计算可视化等高性能图形应用，基于场景图的概念，提供一个在OpenGL之上的面向对象框架，把开发者从实现和优化底层图形的调用中解脱出来。

通过对OSG的研究和进一步封装、优化，开发了数据预处理工具、数据存储管理工具、数据集成浏览工具等一系列工具软件。利用这套完整的工具软件，对多源数据进行处理和集成可形成多尺度3D GIS场景，支撑水库群联合调度的模拟仿真应用。

构建3D GIS场景的多源数据集成配置过程如图1所示。为兼顾数据量和模拟仿真效果，针对宏观尺度选取了低精度DEM和影像作为基础底图，针对局部微观细节增补高精度DEM和影像、水库和建筑三维模型、重点区域倾斜摄影等，并集成多层级专题矢量以丰富信息展示。对多源数据分别利用地形切片工具、模型轻量化工具、倾斜摄影瓦片处理工具、符号化配置发布工具进行预处理，处理成果存储入库后，即可在集成配置程序中进行坐标偏移、水面特效添加、地形夸张等配置优化，最终形成可以用于联合调度模拟的多尺度3D GIS场景。

图1 面向水库群调度的3D GIS场景构建Fig.1 3D scene construction for resevoir groups regulateion

2.2 水库群联合调度模拟系统关键技术

1.2节论述了水库群联合调度的多尺度模拟仿真方法，而为了在系统中将这些零散的调度内容串联起来，还需要解决统一的过程驱动和信息智能关联两项关键技术。

(1) 时间轴驱动的联合调度过程统一化。在调度成果数据的集成时，由于洪水组成、水库拦蓄、库区淹没、河道演进、蓄滞洪区分洪等联合调度计算的时间区间和步长存在差异，因此需要对时序计算成果进行归一化和同步处理，形成统一化的数据成果，并最终以时间轴驱动数据的加载和控制，从而直观呈现调度过程。

(2) 多尺度下的信息关联和智能调用。在调度模拟仿真过程中，对不同尺度关注的重点信息存在较大差异，随着系统集成的各类数据增加，用户查找所需数据将变得十分复杂。为提高信息获取效率，可在3D GIS场景中，将各类防洪调度工程设施按坐标范围和显示尺度划分，与相应的业务数据建立空间关联，并基于用户在场景中视点范围自动加载和显示对应的空间数据和业务信息。例如：当用户将视口移动至流域尺度，显示各主要支流来水情况，以高亮矢量线进行洪水预警；当用户定位至三峡水库，自动显示剩余防洪库容、水位流量过程线等；当用户切换至蓄滞洪区，自动显示运用参数、人口经济指标等。

2.3 系统框架设计与开发

基于上述3D GIS基础场景构建、防洪调度信息集成、多尺度模拟方法，并考虑联合调度模拟仿真涉及的两项关键技术问题，使用Visual Studio 2015开发环境，基于Open Scene Graph 3.4.0框架进行联合调度多尺度模拟仿真系统的开发。

系统包括数据层、服务层和推演应用层3个部分，如图2所示。其中数据层选用开源PostgreSQL数据库存储属性信息，包括调度过程数据、淹没损失数据、水动力学推演数据，并采用PostGIS空间数据扩展以兼容地形数据、模型数据、专题矢量数据；服务层一方面构建数据和地图服务，为应用层提供数据和地图访问接口；另一方面提供联合调度过程的数据解算、格网信息动态构建等算法服务，为应用层提供可供可视化仿真的结果；调度模拟应用层除了提供数据漫游、数据查询定位、空间量算等3D GIS基础功能外，重点解决联合调度涉及的降雨和洪水组成、水库拦蓄、库区淹没、河道演进、蓄滞洪区分洪的多尺度表达效果。

图2 联合调度多尺度模拟仿真系统体系结构Fig.2 Multi-scale simulation system architecture of reservoir combined regulation

开发形成的系统界面如图3所示。其中主视图为3D GIS场景展示窗口，用户可交互式浏览宏观、中观和微观尺度的模拟仿真过程；下方时间轴提供时间控制与洪水场次划分功能，驱动防洪调度过程的时序模拟；上方勾选框为联合调度涉及的展示要素功能入口，包括洪水组成、水库拦蓄、蓄滞洪区运用、库区淹没等，提供相关统计图表作为3D GIS场景的补充。后文将针对典型洪水联合调度过程在系统中进行模拟和分析。

图3 水库群联合调度多尺度模拟系统界面Fig.3 The flood regulation simulation system interface

3 模拟与分析

以长江流域为例，模拟1954年典型洪水在现有以三峡水库为核心的水库群防洪工况下的联合调度过程。联合调度计算的时间为1954年6月25日至9月7日，针对期间发生的4场洪水，计算得到了洪水组成、水库拦蓄、库区淹没、河道洪水演进、蓄滞洪区分洪等时序数据成果，具体的数据成果如表2所列。

表2 1954年典型洪水在现工况下调度数据成果Tab.2 Reservoir regulation data of typical flood in 1954

各类防洪调度计算成果的时间粒度存在差别，因此在将结果导入系统框架前，将计算结果以天为单位进行统一化处理，同时针对蓄滞洪区分洪演进等在局部时间区间发生的事件，提供以小时为单位的独立控制栏进行补充。

数据导入后，可在3D GIS场景中以时间轴驱动水库群联合调度，并分别在宏观、中观、微观视角下观察调度过程，如图4所示。

图4(a)从宏观尺度反映调度过程，使用乌云图标覆盖主要降雨区域，使用橙色高亮显示主要来水支流，使用水库图标由蓝色逐渐变为橙色表示已用防洪库容，使用水库图标闪烁表示当前正在进行拦蓄，并辅以统计图表展示详细指标；图4(b)～(c)分别给出了中观尺度下三峡库区河道和长江中下游河道、蓄滞洪区的预警和工程运用情况，其中河道变红表示水位超警，并用统计表格给出损失估计，蓄滞洪区变蓝表示已启用，并用颜色深浅表示蓄洪量的高低；图4(d)～(f)给出了微观尺度下水库、库区、蓄滞洪区的水位涨落、扩散和淹没情况，使用透明水面效果与水电站、库区高清三维地形、蓄滞洪区内房屋土地等要素叠加，直观了解淹没程度和损失。

图4 三维环境下的1954年典型洪水联合调度过程多尺度模拟仿真Fig.4 Multi-scale simulation of 1954 typical flood regulation process in 3D environment

除了通过不同尺度了解联合调度的整体情况外，还可在系统中针对重点关注对象从多尺度进行观察。

例如可通过图4分别从宏观、中观和微观角度观察主要洪水组成梯级的淹没模拟仿真，在不同尺度下自动关联显示的工程运用、预警、损失统计等信息，使3D GIS与相关统计指标的结合更具直观性和针对性。

4 结论与展望

本文针对传统2D GIS方法在防洪调度模拟中仅能呈现宏观概况的局限性，开展了基于3D GIS的防洪调度要素多尺度模拟研究，形成了一套适用于联合调度过程三维动态推演的程序框架。以1954年历史洪水为例，在该框架下从宏观、中观、微观尺度模拟了典型洪水在现有防洪工况下的调度过程。

与2D GIS方法相比，3D GIS拓宽了防洪调度模拟的空间尺度，提升了信息的承载能力，并可基于多尺度三维场景开展各类智能应用，为防洪调度会商提供更为全面的辅助支持。从2D GIS向3D GIS的转换却也存在一些技术难点和问题，尤其体现在对系统硬件性能、网络传输速率、空间数据质量和精度、三维模型丰富度、调度成果数据规范化等方面的更高要求。

本文提出的水库群联合调度多尺度模拟仿真方法和系统框架是将3D GIS技术应用到调度模拟的一次尝试，在后续研究中可进一步深入细化，丰富仿真手段和表达效果，尝试从长江流域的水库群联合调度模拟扩展到全流域的水工程调度模拟，充分发挥3D GIS与防洪调度结合的优势和扩展性。