基于三维建模的淡水河实时洪水三维模拟系统

钟 华

(广东省水文局惠州水文分局，广东 惠州 516003)

近些年来，为更好的为新形势下流域暴雨洪水的防灾减灾提供技术支撑，实现流域洪水风险快速分析与评估，国内学者开展了许多研究成果[2-11]，通过搭建三维仿真模型，依托于水力学模型实现流域不同洪水量级的洪水淹没范围和灾情损失统计的评估，建立了重点区域洪水风险图的编制，但这些成果往往仅选取典型水文条件和溃口进行方案计算，而实际面临的洪水过程和堤防溃口位置可能与典型工况差别较大，导致已有的静态图件成果与实际洪水风险分布差别较大，在一定程度上限制了已有成果的实际应用价值[12-15]。为实现淡水河主城区洪水风险快速分析与评估，以淡水河两岸的惠州市惠阳区主城区为示范区域，建立基于高速计算的惠阳区洪灾实时分析及动态展示系统，系统可根据当前的水情、雨情、工情设置接近实际情况的洪水分析方案，并借助高性能计算手段，实现洪水淹没和洪灾评估的快速计算分析，为相关部门提供更为接近实际情况的动态洪水信息，具有较强的实践指导意义。

1 系统总体架构

数据资源、基础设施、应用支撑、用户以及业务应用为淡水河实时洪水三维模拟系统逻辑总体架构的组成，系统总体架构如图1所示。

图1 系统分层逻辑架构图

1.1 基础设施层

基础设施层主要包括硬件和软件支撑环境。硬件基础环境为计算、存储环境包括系统网络安全环境建设。软件环境主要包括数据库存储和管理以及计算操作系统环境的建设。

1.2 数据资源层

主要对系统运行、计算、存储的不同信息进行统一汇集和数据库的管理。涵盖雨水情实时接收与汇集数据库、空间地理专题业务类数据库的建设与管理。

1.3 应用支撑层

主要是模型运行计算的业务功能的软件支撑环境的建设。包括洪水演进以及地理信息数据运行和系统统一服务认证等基础环境的建设。

1.4 业务应用层

应用层主要包含项目系统的所有子功能模块三维GIS漫游、三维洪水演进模拟、灾损评估。

1.5 用户层

用户层主要面向各业务科室人员，为其提供洪水演进及灾损分析业务服务。

2 系统技术路线

基于一二维水动力模型及三维GIS模块对系统的高性能要求，分别采用B/S和C/S架构架构进行系统建设。基于Fortran，C++，C#多种语言进行系统开发，采用WPF新型界面框架技术进行友好高效便捷的交互界面设计与实现。系统以“一个数据平台，三个核心模块”为基础，拟开发的子功能模块主要包括：基础信息管理、区域洪水预报、洪水演进模拟、系统管理。系统研发技术路线如图2所示。

3 系统数据库

3.1 数据库范围

淡水河洪水演进系统数据库从类型上主要分为关系数据库与地理数据库。关系数据库建设范围需满足系统中信息管理、洪水演进、洪灾评估主要业务模块的关系数据需求。地理数据库建设对流域基础地理数据、专题数据进行整理入库，以三维GIS构件为核心，为用户提供地理信息直观可视化数据支撑。

3.2 地理空间数据库设计

空间信息数据库的建设充分利用惠州市地理信息共享服务平台，根据项目信息管理、洪水预报、洪水演进的实际需求、地理空间数据的关联以及数据信息服务共享的方式进行设计，通过提供信息数据共享和管理的服务接口来对不同专题的地理空间信息数据进行共享和分布，并和业务类模拟数据进行同步叠加。地理空间专题数据库为其建设的主要内容。针对流域洪水预报分析系统应用而言，其中的地理空间数据包括地形图、影像图等不同专题的空间地理类数据所组成。这部分数据可通过服务共享接口对不同区域的共享数据进行调用。另外还包括淡水河流域内水系图、水文站点、水库分布图等水利专题地理数据。

3.3 基础地理空间数据库

在淡水河系统中使用到的基础地理空间数据库内容包括基础地形图、数字正射影像和数字高程模型、地名地址、电子地图、三维模型等。

3.3.1基础地形图

重要地理基础数据主要包括不同比例的地形图和城市主要的核心矢量要素的空间分布以及其拓扑结构数据等内容。所有的地理空间数据信息进行拓扑和属性信息的关联分析。对所有长度、面积等核心地理空间信息数据可进行空间叠加分析。对自然地理、社会经济等属性数据在空间分布图层分析的基础上进行矢量图层的叠加形成不同地理空间专题矢量图层信息。

数字正射影像图(DOM)提供了一种经过位置改正的地球影像，是一种消除了遥感影像上由于遥感器定向及地形高差引起像移或畸变之后得到的地球参考影像，它们和地图具有相同的几何特性。许多地理特征包括部分属于基础地理范畴的特征、都可以从这种影像上判读出来，并加以编辑处理。这种影像还可以作为许多应用结果的参考背景使用。系统采用1∶2000正射影像图以及一些卫星遥感影像数据。

3.3.2数字高程模型

在不同地理要素空间分布离散点按照起伏形态对其高程进行数据表征为数字高程模型。对地貌形态、断面断面图制作、工程中土石方计算、表面覆盖面积统计、通视条件分析、洪水淹没区分析等方面可用数字高程模型进行数据库的关联。

3.3.3三维模型数据

三维模型数据主要包括三维建筑模型、道路、桥梁等地物数据。项目基于无人机快速航拍测绘，实现流域内重点关注区域-淡水街道主城区的三维精细化建模，对建模成果入库存储。

4 系统主要功能

系统登入后自动缩放到淡水河城区，同时显示主要功能模块：三维GIS漫游、水雨情管理、三维洪水演进模拟、洪灾评估。系统主界面如图3所示。

图3 系统登入界面

4.1 三维GIS漫游

三维GIS漫游主要包含流域漫游、主城区漫游、堤防河道漫游功能。流域漫游为从淡水河上游自动飞行漫游至紫溪口。主城区漫游以无人机三维实景建模区域为中心，沿着四周进行自动飞行漫游。主城区河道堤防漫游界面如图4所示，沿着河道自上游至下游进行自动飞行漫游。

图4 主城区漫游界面

4.2 三维洪水模拟

填入方案名称，计算时长，结果输出步长，溃口选择、方案描述等信息，通过选择洪水演进模型的上下边界，插入并编辑时序数据后可保存至方案库。创建的洪水分析方案列表，方案的基本描述信息包含：创建时间、方案状态、操作人员、成果路径、风险信息、风险评级信息等。选择未计算方案点击开始进行洪水淹没分析，系统根据选择的方案，自动加载该方案的最大淹没范围专题图，如图5所示。

5 结语

(1)为保证计算区域三维建模的精度，航空摄影像控测量总需布设30个左右，平均每个平方公里至少要保证6-8个像控点。

(2)由于实时洪水三维模拟系统计算量较大，可采用运用GPU并行计算技术，实现洪水演进模型GPU并行计算，可显著提高系统计算效率。

(3)河道断面地形数据若冲淤变化较大，对系统实施洪水演进精度影响较大，在后续的研究中应对河道断面地形数据进行加密观测，尤其是冲淤变化较大的河段，应进行三维模型的调整，从而保证系统运行计算的可靠性。