基于河道堤防工程管理中三维仿真技术和GIS技术结合的应用研究

刘 硕

(盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

带有随机因素的复杂庞大的堤防工程管理系统一般难以用数学解析模型描述，对于复杂系统的研究分析现三维仿真技术得到越来越广泛的应用，该技术为解决此类问题提供了一种直观、有效的方法[1]。在辽宁省防洪保障体系中分蓄洪区、堤防工程发挥着不可替代的作用，河道的管理及工程维护、抢险救灾物资分布、防汛抢险组织以及河段防洪规划等均以堤防工程为根本依据。河道堤防工程管理信息系统的构建应覆盖辽宁省分蓄洪区及堤防工程，并为堤防工程的建设管理、防汛决策等提供科学、全面的信息服务和技术支持。结合堤防管理实际需求和管理对象的空间分布特征，将三维仿真与GIS技术相融合建立信息系统，为实现管理目标提供科学的方法，为保证防洪工程的经济、社会效益以及科学化管理水平的提升奠定基础[2-3]。

1 三维仿真技术原理

1.1 系统结构设计

应用系统层、系统支撑和信息采集为构成信息系统的主要部分，其中系统应用层的各功能子系统主要有工险情会商支持、三维仿真、工险情监测、堤防工程档案管理、涵闸调度视频监控和工程运行管理；系统支撑层是可视化表达、开放的应用集成及资源共享的公共服务平台，主要有GIS系统软件、数据库、服务平台层和操作系统等组成，在支撑业务应用时发挥着关键作用；系统采集层主要包括工程日常运行管理、灾情、工险情的数据处理及采集，通过有机集成分蓄洪区和各类堤防信息采集系统为应用支撑层提供数据来源，在系统建设过程中发挥着基础性作用。

三维浏览部分和二维GIS部分为三维仿真子系统的主要构成，将业务和空间数据依据堤防工程管理实际需要集中管理、存储，并且具有分布式计算属性，而业务属性或空间数据的编辑、查询、浏览可通过登录远程客户端来访问，能够满足不同权限的用户需求。二维GIS的应用主要通过工险情会商子系统实现，利用IMS平台发布服务达到应用目的，系统结构如图1所示。

1.2 三维仿真技术原理

集系统仿真和计算机可视化技术于一体的三维仿真技术，涉及系统、控制、信息、通讯、多媒体、计算机及相似原理等现代高科技技术。它是以基于计算机虚拟技术和各种物理效应设备，为用户创造一种能够真实感受现场环境的平台，由此实现环境与用户的自然交互。该技术在大中型高精密仪器，如轮船、飞机、核电站、宇宙飞船等操作者的仿真训练中均得到广泛的应用，同时为水电施工的分析、演示、模拟、设计和规划等提供一种有效的方法。

图1 三维仿真系统结构

2 数据组织

2.1 数据分类

水雨情、基础工情、元、堤防业务、空间地理和社会经济等数据为系统主要内容，具体如下：

1)专题地理信息和基础数据为空间地理数据的两大类型，其中基础地理信息数据主要包括全省5万DEM数据、25万矢量数据、25.0m分辨率卫星影像数据；堤防沿岸1万DEM数据、沿线1万矢量数据、分蓄洪区5万矢量数据、0.5m分辨率高清晰航拍片数据。专题地理信息数据主要有跨河工程、河流、水库、湖泊、控制站、水位站等水利工程数据；蓄滞洪区、安全区、主要桥梁、转移道路、安全太、口门、躲水楼等附属设施及分蓄洪区数据；采砂区、圩垸、防浪林、穿堤建筑物、管理单位、水闸、码头、防汛仓库、视频监控点、险点险段、桩号、堤防等堤防工程数据，等等。

2)基础工情数据主要包括多媒体、文档、表格型等与基础空间信息相关的数据，而对于描述地理定位部分的属性数据并不产生直接的影响作用。

3)社会经济数据为防护区内公众设施与大型工业企业分布情况、社会总产值、耕地与土地面积、各行政区人口等数据。

4)堤防业务数据有分蓄洪区与堤防工程建设管理数据、视频监视和险情数据等。

5)场次洪水和实时水雨情历史数据为水雨情数据主要内容。

2.2 数据库设计

通过概括和分析相关数据，将数据库划分为社会经济、基础工情和空间地理等信息，以及既相互关联又相互独立的水文、元、三维模型、堤防业务等子数据库。

空间地理信息数据库是组成系统底图和定位空间位置的核心，而基础数据库和专题地理信息为构成该系统的基本内容，主要用于存储各种精度的基础地理信息、堤防工程、水库大坝、河流等数据的。

依据实际需要和相关的地理数据，生成的水文数据库、堤防业务、基础工情信息等数据，其比例尺、坐标系统英语基础底图保持对应关系。所有水利工程的三维模型存储于三维模型数据库，通过对这些模型的调用可实时展现系统运行的场景。

针对以上数据子库的描述、辅助数据的分发和管理主要是通过元数据库的运算实现，其逻辑结构如图2所示。

图2 数据库逻辑关系图

3 平台选型与功能设计

3.1 平台的选型

选用Oracle 10g软件作为系统的数据管理平台，根据系统实际需求和综合比选结果，由于系统中飞行线路弯曲、地物种类较多、地形复杂且地形地理数据量庞大，还要较好的共享和融合二、三维系统数据。从性价比的角度分析，该系统实施的二、三维平台选用AacGIS软件，二维、三维数据的管理及配置分别选用ArcMap和ArcGlobe软件，二维、三维功能运行环境为三维扩散模块以及ArcEngine、ArcIMS模块。

目前，针对系统的设计与分析应用最为广泛的技术为面向对象的方法，UML是一种表达方便、功能极其强大、具有较好适用性以及良好建模语言的软件，其主要功能可实现面向对象以及开发全过程的设计分析。面向对象为系统运行的基本方法，UML建模工具采用Rational Rose软件。

3.2 功能设计

仿真子系统主要包括如下6方面功能，即：

1)场景控制，实现绕点旋转、模式切换、鹰眼图、漫游、缩小、放大、图层控制等通用GIS的基本功能。

2)提供数据坐标、精准的查找位置、地名以及工程要素等，对工程相关信息进行预览和搜索。

3)信息查询。对各类工程按照行政区划以目录的方式罗列，也可将工程按照代码、工程名称或桩号等信息检索，浏览搜索结构的详细工情信息以及二、三维场景的空间定位，达到双向查询属性和图形的目标。

4)路线飞行，飞行模式主要有自绘、选择和预定义3种。预定义路线是在3D文件正配置预先创建好的路线，根据工程实际状况随时调整飞行的告诉、速度和角度等，且具有解说飞行过程和播放多媒体文件的功能；自绘和选择路线是指在三维场景中用户绘制1条飞行路线会选择1个线状要素飞行。

5)书签管理，通过快速定位二维、三维视图的书签，为用户视点跳转提供方便。当前视图的视点即为书签，能够实现对书签的修改、删除、被创建等操作处理。

6)决策和辅助分析，主要设计视频实施浏览、距离量算、水位模拟变化、水文预警、面积量算、三维场景的断面分析以及二维的缓冲区分析等。

GIS技术在工险情会商等子系统中的主要功能为双向查询属性和图形，浏览业务信息、二维场景详细工情、空间定位等。

4 三维实体建模及实现技术

4.1 实体建模

实现整个虚拟场景建立的重要基础为三维仿真子系统中实体模型的构建，模型的建立主要分为桩号、水文站、涵闸等其它实体和地形建模工作。系统运行的速度、虚拟场景可视化效果与这些模型建立的合适与否直接相关。计算机图形学为三维仿真最基本的图像显示底层技术，涉及许多专业知识和基础算法。为简化大中型图像开发各种图形接口应运而生，为不同硬件和软件的开发创造了独立统一的接口。根据水利工程基本特征，对所有点状堤防管理工程利用3DMax、MultiGen Creator等工具建立模型，针对部分特殊模型还需要对真实纹理进行现场拍摄。建立外部模型后，要设定专门的计算程度编辑处理模型的相关属性，主要有模型大小、工程代码、模型坐标等内容，在场景中人工处理所有模型，从而构建水利工程三维模型数据库。

4.2 关键技术

针对辽河流域整个堤防的河道场景通过仿真子系统管理和表征，可交互的动态化数字平台主要包括高精度数字高程模型10G、高清晰影响模型200G和数量巨大种类繁多的其他模型7000多个，能够形象、直观的描述堤防工程现状。通过数据缓存和数据预处理实现对场景海量数据的动态载入、大场景无缝拼接显示以及科学有效管理。

在生成DEM过程中，受技术条件、建模环境和各种误差等因素限制，在河道堤防三维建模分析时生成的DEM无法满足精度要求，从而导致河道堤防场景模拟中存在锯齿状现象，部分河段堤防坑坑洼洼，对可视化效果造成极大的不利影响。所以，在不改变堤防整体地形的条件下，编制程序需要接边处理不同格网间距的DEM和平滑处理呈锯齿状的DEM数据。另外，在场景文件配置过程中需要适当的设置各个图层参数，数据缓冲利用ArcGlobe软件实现。

5 结 论

以专题数据和水利工程基础数据为依据，以堤防工程为核心，根据数据库、虚拟现实、地理信息等现代化技术，构造堤防工程项目可视化、堤防动态交互浏览和堤防虚拟现实的信息系统。在二维、三维窗口中可实现各类信息的灵活展现和查询；通过计算分析、工程模拟、统计等实现堤防工程水位涨落演练，结合可视化辅助平台为堤防工程的管理规划、深入研究以及科学评价提供一定参考。在未来的建设、维护过程中，经扩展至全省堤防管理的各个方面。