1 建设背景
汛期中由于短时期内的暴雨或长时期连续降雨,形成大量的地表径流,当水量超过河道宣泄能力时将产生了漫堤、溃堤,造成了低洼地区大面积积水,大片面积遭受洪水的危害。为了防止或减少洪水带来的损失,实时、快速、全面地获取洪水发展趋势及其时空变化的信息,准确及时地做出防洪调度决策、进行防灾减灾的重要措施,需要通过地理信息系统对降水淹没范围进行三维模拟,并直观全面的展示水体的动态演进与水位变化过程,因此建立小河流域自动站降雨淹没三维分析系统。将模型组件和地理信息系统平台组件库无缝结合,对某一时刻的水面线、过程线和淹没的面积进行实时的查询,对淹没三维可视化效果进行颜色渲染,最终在地形数据基础上,形成降水的动态演进过程。
2 系统总体架构
系统建设通过构建完善的二维矢量、影像库、三维模型数据库,实现对重庆范围大场景地形展现及三维模拟可视化,以及对降水淹没推演的综合分析。系统将构建在信息网络基础上,各级用户通过信息网络实现与数据库的数据关联。系统的逻辑结构如图1所示。
数据存储层负责存储系统构建的基础地形信息和三维场景模型,以及相应的外部属性信息,为系统运行提供数据基础;数据访问层通过空间数据访问控制、属性数据访问控制、三维模型访问控制等手段,实现应用与数据之间的分离,提高数据访问的安全性;系统服务层实现应用系统与数据访问之间的信息交换,并实现其他外部信息的接入服务,同时能够对外提供系统三维信息查询等服务;系统应用层负责接收用户控制指令,通过分析处理后,将结果反馈给用户;系统表现层负责用户交换控制信息的操作,接受用户输入信息并反馈用户查询结果。
3 三维模型数据建设
由于三维模型需对全范围的地形、地貌、道路、建筑分布情况需真实表现,尤其是对建筑物需较详细表现,因此三维建模主要依据空间地理数据资料和实地拍摄采集资料。
3.1 数据预处理
在支持原数据格式的软件环境中对DOM、C AD数据进行预处理,例如航片进行较色(亮度、对比度、色彩平衡等),道路、房屋等CAD数据特征应为闭合线框。外业采集的数字照片是模型贴图纹理的素材,为保证贴图表现真实,每张贴图要经过亮度、饱和度,色阶等调图像调整。有透视角度的照片,要去除透视角度,做到横平竖直。照片中有其他混乱的物体时(人、车、电线等),在模型贴图中全部处理干净。照片由于受天气影响较大,需要进行较色调整,以达到整体效果统一。
3.2 数据建设精度
因为重庆三维地形数据及相应的兴趣建筑物是海量的,在资源有限的情况下,很有必要对城市进行区域分类,按照重点区域和非重点区域的不同以不同的精度建立三维模型,对非重点区域要适当简化模型。
3.3 三维场景模型逻辑结构
本系统的数据内容主要是三维场景模型。三维场景模型采用“数据库—子库—分层—分区”的模式管理。
(1)子库的划分:按照工程来组建子库,三维模型构成一个子库。系统应用范围拓展时,创建新的子库。(2)大类的划分:为了同时实现大范围地理环境和局部景观的三维浏览,将建模要素分为二层,分别为基础地形层和建设特征层。基础地形层含地形、道路和水系模型,建设特征层含地块、建筑和配景模型。(3)分区方法:基础地形层和建设特征层采用不同的分区方法。基础地形层完全遵循基础地理数据的分幅和命名来分区,每个区域对应一个基础地形模型文件。建设特征层根据路网进行分区,每个区域对应一个建设特征模型文件。
3.4 三维模型层次结构
基础地形模型文件和建设特征模型文件均采用三维数据格式。为方便信息的查询统计和维护,利用三维数据的层次结构对分区内的空间实体进行分类管理。基础地形模型分为地形、建筑二个细类,分别对应一个组节点,每个独立的空间实体对应一个实体节点。建设特征模型分为站点、河流、重点关注区域等细类,每个独立的空间实体对应一个实体节点。
4 重点功能设计
4.1 三维场景展示
(1)三维场景浏览:系统构建一个数字地球模型,通过重庆范围的矢量、影像和DEM构建整个重庆范围的精细三维地形模型,可以宏观上查看整个地球,也可以查看某个范围的三维空间模型。可以通过系统提供的模式进行场景漫游。也可以通过设定的接口进行场景浏览包括:场景缩放、旋转、平移、升降等(图2)。
(2)成果展示:建立三维场景,并增加三维特效(天气模拟、24小时时间模拟、水体特效等)支持,为规划决策者展示一个动态的、立体、效果逼真的规划三维场景。通过3D模块可以实现电子沙盘应用,既可以从宏观的角度作数字流域三维景观再现、也可以完成局部三维仿真,实现诸如洪水、泥石流预防电子沙盘显示、降水演进模拟、在三维地球环境中显示水资源、土壤类别、水利工程等的分布,并提供交互式查询功能。
(3)视点定义与编辑:用户浏览场景,可以对自己关注的位置进行定义视点,用户创建完视点后,如果对视点定义的不满意,可以更新或者删除视点。
(4)热点定位:热点信信息包括热点所在的三维模型、热点的基本信息、热点的全景、视频、和三维场景信息。因此热点在三维空间中的位置也显得重要。系统通过热点定位,快速跳转到热点的位置,察看热点的三维空间信息。
(5)路径漫游:用户可以方便地查看游览路线列表,点击列表,系统会按照游览路线自动进行漫游,也可以自定义飞行路线。飞行路线可在飞行过程中对重要设施等进行定向观察和环绕飞行,支持实时节点编辑,可按节点或分段设置飞行参数,实现人、车、船、飞机等任意模型在场景中的沿线运动。
4.2 二、三维联动
通过空间数据库,将二维矢量数据和三维模型数据统一管理起来,二维系统和三维系统访问同一个空间数据库,在二维地图界面上可以切换至三维系统进行浏览,形成二三维联动的统一体系。
降水淹没分析。
(1)地理信息系统平台与水力学模型的无缝结合应用。
对水力学的平面二维非恒定流数学模型的求解方法,利用当代计算机主流COM技术进行封装实现,并提供对外接口,同时结合ArcGIS地理信息平台的二次开发环境组件库,在分洪区的DEM数据基础之上,求解分洪区内任意场洪水在任意时刻的淹没范围与淹没水深值。
(2)降水淹没模型三维可视化及水体演进过程的动态表现。
在进行模型设计时,考虑到最终模型与地理信息平台的结合及三维可视化表达,将模型计算数据结果的数据结构与目前通用DEM数据结构保持一致,并可以在此基础上运用地理信息平台,进行色彩渲染和不同手法的三维表现;同时,采用ArcGIS的三维可视化动画技术,为实时、快速、全面的动态演示洪水的发展趋势及时空变化提供依据。
降水淹没模型采用ArcGIS提供的动画制作功能,根据DEM数字高程文件信息、计算出的洪水状况数据和实际的地区分配状况,进行相应的模拟,采取图层叠加的方式,最终生成直观模拟降水演进状况过程。
(3)降水淹没模型。
采用Grid数据结构来展现降水(蓄滞)地区的地形表面模型,应用水体验算方法作为降水淹没水力计算模型,考虑到模型的适用性与通用性及ArcGIS平台的海量数据承载能力,将地形、水力模型架构与ArcGIS的COM模型基础之上,再结合水体淹没公式建模,使模型与平台无缝结合。
(4)流量过程线性插值处理。
在实际工作过程中,流量过程一般都是以小时为单位进行观测。同时,降水区域水位值也需要同步记录,在一般情况下都是以小时为单位进行记录,但是在水体演进模型中,应该采用以分钟(1,10,20等)为时间单位,这样才能够达到模型的精确性,这就需要将以小时为单位的流量过程线性插值成为以分钟为计量单位的流量过程,才能满足降水演进模型的真实应用。
(5)降水演算模型与GIS平台应用。
对水体演变计算方法进行封装,提供主要对外接口,使其能够在基于ArcGIS Engine二次开发环境中流程调用自动站雨量数据。降水模型的主要接口包括模型初始条件设置、模型计算、计算结果输出组成。在降水淹没范围与动态演进过程中,运用ArcObject接口与降水验算模型接口,将降水验算模型计算的淹没范围与淹没水深值,表现为ArcGIS内部数据结构GRID数据集,为三位动态地表现不同时刻降水淹没范围与水深值打下基础。ArcGIS平台与洪水演算模型应用最终程序执行结果以组建动态库形式发布,可以通过在ArcGIS Engine环境下进行定制。
(6)降水淹没过程的可视化。
在降水淹没中,把不同时刻对应的洪水淹没范围表现为栅格数据,对其进行三位效果处理与颜色渲染,在基础数据完备的情况下还可以和居民地、农作物、工矿企业等分布专题叠加,使受灾地区清楚的展现出来,随着降水推演的变化,其淹没过程也动态变化。并可以利用ArcGIS动画功能,在不同的分区(如分洪区),规划水体演进的路径,或在不同方位不同角度下观察水体演进的效果,并且可以输出为视频AVI文件。
(7)降水过程线。
降水过程线是自动站或有关地点的水位(或流量)值随时间变化的关系曲线,通过降水演算模型的计算,可以获得有关站点不同时刻对应的降水水位值,即水位(Z)-时间(T)的关系数据。
(8)受淹面积统计。
受淹面积的统计对于灾情评估、灾情分析、防洪决策具有重要的意义。对某区域范围内的水体演算是在对区域进行单元划分基础上进行的,每一单元所代表的面积是确定的。因此可以在水体模型计算的同时,根据某一时刻区域单元的水深,确定该单元是否受淹,进而求解不同时刻对应的实时洪水淹没面积(图3)。
5 结语
本系统通过GIS技术、虚拟三维技术把重庆800多个自动站在三维地图上直观形象显示,采用先进的三维技术、交互控制管理技术及数据库管理技术,实现重庆全部自动站交互式控制浏览及场景属性数据的动态查询,对整个重庆地区进行交互式三维地貌巡视、飞行浏览和自动站信息查询。可以观察重点地区,主要河流的地形全貌,并能够随机定位,基于DEM数据和卫星遥感影像以及矢量数据,设置三维显示诸要素,生成三维场景保存为图像,能够改变三维图层的属性来显示阴影或者透明效果。实现二维和三维联合查询和仿真演示,以不同视角、不同方位、不同的速度,形象、立体、直观、全面地查看重庆区域范围内河流、自动站等。为实时、快速、全面地获取洪水发展趋势及其时空变化的信息,准确及时地做出防洪调度决策、进行防灾减灾的重要措施奠定了基础。
摘要：本文基于GIS与遥感技术,运用ArcGIS Engine组件开发工具,以重庆范围内自动站为研究对象,应用ArcGIS 3D Analyst模块与ArcGIS Spatial Analyst进行重庆小河流域的DEM构建,实现重庆范围内降水淹没分析与三维模拟。
关键词：三维地形建模,降水淹没三维分析,DEM
参考文献
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