防洪推演三维可视化关键技术研究

颜吴君

（南通赛维测绘有限公司，江苏 南通 226100）

1 引言

防洪调度与推演[1]是一门依据洪水规律和灾情特点，研究并采取各种对策和措施，预防或减轻洪涝灾害损失的科学。它涉及水利工程、地理环境、社会经济、气象等多方面因素，信息量大，突发情况多，对信息的处理和响应速度要求较高。当前，人们在洪水推演模拟、洪涝灾害评估、防洪决策支持等方面的研究取得了丰硕成果，研制开发了大量应用系统。但是，大多研究成果和系统由于平台的局限性，均难以在三维空间上实现异构、多源、多维数据的无缝融合与共享，对各类水利模型计算成果的表达难以达到直观、立体、形象的动态效果，因此，无法给管理者和决策者提供综合、直接的判断依据[2]。

传统的二维地理信息系统（2DGIS）[3]已深入应用于防洪调度的各类业务，如洪水演进模拟、防洪调度信息管理等。然而，二维GIS 存在难以克服的缺陷，其可视化效果仅局限于平面效果，不能形象和直观展现防洪调度现场的情况，也无法充分利用三维空间的3D信息对洪水风险进行快速分析和计算[4]。更重要的是，在三维空间上，利用1D/2D 的计算成果+ 3D 的技术进行快速计算，避免直接采用3D 进行数学计算时因时间、水流边界和初始条件等复杂性造成的耗时长、计算精度无法保证等问题[5]。

针对上述问题，本次研究从防洪调度管理实际出发，以三维可视化技术为要点，以长江防洪调度及可视化为应用点，综合运用三维地理信息系统技术（3DGIS）、三维建模技术、虚拟现实技术、数据仓库技术、组件技术等先进信息技术，建设以三峡为核心的水库群投运后防洪形势展示系统，在三维交互式的环境中直观展现长江流域地形地貌、水系等基础地理信息与重点水利工程、水雨情等水利专题信息，并通过开发的多个互动演示功能模块来展现长江防洪体系的历史、现状与未来发展，对每场次洪水进行基于3D信息上的淹没灾害统计，切实增强长江流域洪水应急反应能力，提高风险管理水平。

系统能真实表现防洪调度与推演三维景观，同时为防洪调度与推演相关模型，如洪水演进模型，提供接口，在三维场景下形象、生动地表现模型计算结果。基于3DGIS 平台，以水文信息和地理信息为依据，以空间数据和属性数据为基础，集数据管理、分析、表达于一体，实现图、文、表一体化管理，在三维可视化条件下提供灾害统计分析、调度推演方案展示等，因此，本次研究不仅仅解决“看得见”的问题，更重要的是解决“快速”估算洪水风险，同时给出更多直观、立体的展示效果，为防洪调度推演决策提供支撑，增强决策的科学性和预见性。

2 关键技术研究

防洪推演三维可视化系统以多源异构信息的无缝集成及动态模拟的三维可视化为研究目标，综合运用3DGIS 和虚拟现实、网络剖分等技术[6]，实现防洪推演过程中多元信息的整合与统一管理、1D 洪水演进模拟成果的三维可视化，不仅为防洪调度工作中各类信息的综合管理和数据挖掘提供集成平台，也能够在洪水演进模型的支持下，动态展示三维场景、洪水淹没过程和退水过程，为防洪调度指挥决策提供生动、形象的三维数字化虚拟环境，为制订防洪调度方案、移民方案、撤离方案提供科学依据。

三维可视化的关键技术包括以下几点：

（ 1）洪水推演模型接口

运用三维GIS 和模型集成技术、网络剖分技术和组件技术等，开发三维GIS 平台与洪水演进模型的接口[7]，将不同洪水推演方案下的演进模型计算结果，如水流方向、水流速度、水深等进行渲染，同时运用三维动画技术将溃堤过程、开闸放水过程动态逼真展现在三维场景中，最终在地形数据基础上形成洪水的动态演进过程，实现三维GIS 平台洪水推演模型的无缝集成。

（ 2）防洪推演海量空间数据的无缝集成

采用三维GIS 技术和数据仓库技术，通过开发空间数据和信息整合、组织管理、空间信息智能处理、空间信息在线分析处理等各种应用构件，建设空间信息一体化处理与管理平台[8]，实现对防洪推演业务中各类空间信息和属性信息的统一管理。

（ 3）基于三维可视化的防洪推演决策支持

系统提供防洪推演决策支持功能，主要包括淹没损失估算、典型洪水推演等[9]。

淹没损失估算是根据洪水演进模型计算得到的淹没区域，或者给定某一水位标高，由系统自动获得淹没范围，在获得淹没范围后，系统利用空间拓扑分析功能，结合数据库中的社会经济等信息，给出淹没区内各种损失类型，并对经济损失总量进行估计。

3 防洪推演三维可视化系统体系架构

防洪推演三维可视化体系结构如图1所示。

图1 系统体系架构

规范标准体系主要包括信息系统开发、测绘数据采集相关的国家、行业标准规范，以及项目建设的信息化导则等。

软硬件保障环境主要包括网络支撑平台、主机及存储设备、显示设备、软硬件运行环境等，为系统正常运行提供软硬件保障。

用户层主要包括三峡集团公司管理部门、长江防洪主管部门等。

业务应用层包括基本应用与交互式演示应用功能两部分内容。其中，基本应用涵盖基础信息查询、水雨情展示、视频监控及交互、三维全景展示；交互式演示应用包括长江流域概况、长江洪水与洪灾、防洪工程体系、长江防洪调度。

服务层为防洪形势展示系统提供数据处理及标准化服务管理等，包括数据共享服务、数据接入服务、三维地理信息服务，是开发建设防洪形势展示系统各项应用的重要技术支撑。数据接入服务由于涉及相关部委的专业水利信息系统对接，需要专门定制开发对应交换模块及数据模型。

数据资源层主要包括三维模型数据库、水利专题数据库、三峡库区专题数据库、基础地理要素数据库、三维地形数据库、数字高程数据库、业务管理数据库、正射影像数据库等。

4 防洪推演三维可视化系统功能框架

系统提供全面而强大的应用功能，服务器端为数据库服务器，提供客户端应用程序所需全部数据。平台与数据存储之间采用服务的方式进行连接。系统功能框架如图2 所示。

图2 系统功能框架

系统的功能框架采用三层结构，数据存储、服务发布与功能应用。数据存储层用于管理三维模型数据、地形高程数据、正射影像数据与水雨情数据等；服务发布层用于管理地图的基础瓦片服务、地形瓦片服务、3DTiles 模型服务、水雨情服务等；系统功能应用层侧重于对防洪推演等专题功能的集成，包括三维场景浏览、防洪信息管理、典型洪水推演、淹没损失估算、三维交互展示等。

4.1 三维场景浏览

三维场景浏览以三维模型数据、基础地理要素数据、三维地形数据、数字高程模型数据、数字正射影像数据为主要数据源构建三维场景，用户可以在场景中进行自由浏览与漫游操作，如图3 所示。

图3 三维场景浏览

4.2 防洪信息管理

防洪信息管理完成与防洪相关的专题数据管理与查询功能，包括：支持模糊查询和拼音查询的全要素搜索定位、重点水利工程基本信息查询与展示、防洪重点区测站基本信息查询与展示、防洪重点区河流基本信息查询与展示、水雨情信息查询与展示、雨情等值面展示等，如图4 所示。

图4 防洪信息管理

4.3 洪水调度模拟

对洪水进行调度模拟主要通过系统典型洪水推演功能完成，选取1954 年和1998 年典型洪水，对洪水通过上游水库群和三峡水库进行调度，对库区及长江中下游的洪水演进进行模拟，实现典型洪水推演涉及防洪对象的展示和过程再现。宏观方面包括 主要降雨干流、宜昌洪水组成、洞庭四水组成、水库概况、蓄滞洪区概况等 ；中观方面包括长江干流河道、蓄滞洪区、洞庭湖的淹没分析表达；微观方面包括三峡库区水位涨落、库区淹没等表达，如图5 所示。

图5 典型洪水推演

4.4 淹没损失估算

本研究洪灾淹没损失估算以三峡库区移民调查数据为基础，对不同淹没水位线情况下的损失状况进行统计，在三维中直观了解洪水淹没过程和淹没范围，同时以图表方式展示淹没及损失指标，如图6 所示。

图6 淹没损失估算

4.5 3DGIS +水利结合的数字沙盘展示

通过3DGIS +水利的结合，提出可对各种场景进行展示的数字沙盘，在实时调度中任意提取历史场景进行对比分析[10]。在长江流域防洪调度与可视化中，采用这套技术完成长江防洪与治理的一键式数字模拟，包括长江流域概况、长江洪水与洪灾、长江防洪工程体系、长江洪水调度、防洪薄弱环节等，如图7 所示。

图7 3DGIS+水利的数字模拟

5 结论

通过集成三维可视化等多项先进信息技术建设防洪推演三维可视化系统，真实再现防洪推演区域的三维场景，并基于三维场景实现防洪推演信息的综合管理。此外，还可通过人机交互制定各种防洪调度方案、淹没损失等，为防洪调度与推演决策提供强有力的支持。概括起来，基于3DGIS 防洪推演三维可视化具有以下技术特点：

（ 1）三维地理信息系统平台与水利专业模型的无缝结合应用。系统通过提供与洪水推演、淹没损失估算等水利专业模型的接口，可以将各类水利专业模型的计算结果实时、动态地表现在三维场景，达到形象、直观、真实的表现效果，实现三维GIS 与水利专业模型的无缝集成。（ 2）三维可视化技术应用提高了管理效率。系统以三维可视化技术为支撑，利用数据库管理技术和高级编程语言，以空间数据和属性数据为基础，集数据管理、分析、表达于一体，实现了图、文、表一体化。 （ 3）三维可视化条件下的防洪推演决策支持。系统可以在三维可视化条件下进行灾情评估，并通过人机进行防洪推演展示，在三维可视化条件下为防洪调度推演决策提供支持，增强了决策的科学性和预见性。

应用结果表明，三维可视化先进、实用、可靠，对防洪推演和调度管理水平的提高有极大的促进作用，符合防洪推演和计算机技术的发展趋势，具有良好的应用前景，可广泛应用于防洪调度业务。