荊江三維可視化人機交互式河道信息管理系統(tǒng)

1、荊江三維可視化人機交互式河道信息治理系統(tǒng)2005-12-29 來源：長江水利網(wǎng)王偉許全喜白亮長江委水文局長江水文技術研究所430010 )摘要：2004年水文局為了更好地貫徹執(zhí)行長江委信息化工作會議的精神,提出 了充分利用水文泥沙河道監(jiān)測的技術和資料優(yōu)勢、建設全長江三維可視化人機交互式河道信息治理系統(tǒng)的任務, 確定了以荊江河段為突破口、分段實施的方針.本文重點介紹了系統(tǒng)建設的背景、系統(tǒng)的功能與特點及關鍵技術.本課題以開發(fā)三維可視化人 機交互式河道信息治理系統(tǒng)為根底,完成了荊江河道DEg重點目標包括堤防、險工 護岸、跨河工程、涵閘、水文水位站在內的80多個三維模型的建立,實現(xiàn)了在三維逼真場景下對

2、重點目標的信息治理、瀏覽和屬性查詢,具有便捷高效、查詢方便、功 能強大、技術先進等特點,特別是其全流域河道的海量數(shù)據(jù)處理水平、形象逼真的三維可視化功能在同類研究中處于領先水平.關鍵詞：三維可視化交互式河道信息治理系統(tǒng)荊江1前言長江發(fā)源于青藏高原唐古拉山脈主峰各拉丹冬雪山西南側,由長江口入東海, 全長6300余公里.沿江地區(qū)工農(nóng)業(yè)興旺,城市化水平較高,開展?jié)摿薮?是我國 重要經(jīng)濟區(qū)和21世紀重點開展地區(qū)之一.長江中下游兩岸,各類防洪工程、水工建 筑、跨河工程、港口碼頭、工礦企業(yè)星羅棋布,分布廣泛的水文站網(wǎng)擔負著防汛和監(jiān) 測的重任.如何與高科技結合,建設快速高效的河道治理與防洪決策支持的根底信息

3、 系統(tǒng),是當前科研應用開發(fā)中的重點方向.2003年水利部提出了 “水利信息化是水利現(xiàn)代化的根底和重要標志.2004年在“維護健康長江,促進人水和諧的方針指導下, 長江委提出了全面加快以“數(shù)字 長江為目標的信息化建設步伐,以信息化促進流域治理現(xiàn)代化；據(jù)此水文局提出了充分利用水文泥沙河道監(jiān)測的技術和資料優(yōu)勢、建設全長江河道三維交互式可視化信息治理系統(tǒng)的目標,“萬里長江,險在荊江,確定了以荊江河段為突破口、分段實 施的方針.本課題正是在此背景下展開的.宜昌至城陵磯全長408km,由順直微彎河型向微彎河型和蜿蜒型河道過渡,屬防洪重點保證段.本課題以開發(fā)三維可視化人機交互式河道信息治理系統(tǒng)為根底,建立

4、了該河段逼真三維場景,創(chuàng)立了沿江 80多個重點涉水工程的三維立體模型,并對它 們的根本屬性和相關的多媒體信息進行治理, 實現(xiàn)了在三維飛行瀏覽的過程中對河道 目標和屬性的瀏覽查詢和實時動態(tài)治理.2荊江三維可視化河道信息治理系統(tǒng)的功能與特點荊江三維可視化交互式河道信息治理系統(tǒng)的研究開發(fā)遵循科學性、實用性、實 時性、開放性和平安性相結合的原那么,充分利用先進的計算機數(shù)據(jù)治理技術、空間分 析技術、空間查詢技術、計算可視化技術和計算機模擬技術,集河道信息數(shù)據(jù)的采集、 治理、分析、處理、顯示和應用為一體.2.1系統(tǒng)總體結構系統(tǒng)的設計開發(fā)以C/S含GIS結構為應用開發(fā)模式,系統(tǒng)的軟件結構以主題式 的MS-A

5、CCESS據(jù)庫為信息治理平臺及三維建模、三維可視化瀏覽與信息治理、三維 分析、二三維聯(lián)動查詢等應用子模塊構成,共同完成對河道信息的三維可視化治理. 圖2-1為系統(tǒng)邏輯結構示意圖；圖2-2為荊江三維可視化人機交互式河道信息治理系 統(tǒng)逼真場景示意圖.圖2-1系統(tǒng)邏輯結構示意圖圖2-2荊江三維可視化人機交互式河道信息治理系統(tǒng)逼真場景示意圖2.2 數(shù)據(jù)庫設計與數(shù)據(jù)的收集和處理本系統(tǒng)的目標屬性治理是由 MS-ACCESS據(jù)庫承當?shù)?該數(shù)據(jù)庫治理平臺結構 簡潔、操作簡便.2.2.1 數(shù)據(jù)庫表結構設計為了在三維可視化人機交互式瀏覽查詢過程中對重點建模目標進行屬性查詢, 本系統(tǒng)根據(jù)不同的目標要素特點,并參考國

6、家防汛指揮系統(tǒng)水工程數(shù)據(jù)庫表結構設計方案,結合水文實際,定義了 8個表并對每個表的字段進行了設計,分別是堤防、護 岸、險工段、水閘、跨河工程、港口、洲灘、水文水位站.2.2.2 數(shù)據(jù)收集、處理與治理根據(jù)表結構所確定的內容和目標建模、多媒體查詢的需要,我們對宜昌至城陵磯河段進彳f了為期5天的查勘并到有關單位,收集了豐富的數(shù)據(jù)庫資料和影像資料、視頻資料,然后對各種資料進行分類整理；多媒體材料的處理,主要包括視頻材料的再加工、紋理制作、關聯(lián)目標的場景錄制等.在建模過程中,我們根據(jù)目標與屬性的對應關系將有關信息錄入數(shù)據(jù)庫, 并對多媒體資料按子目錄進行分類治理, 從而形成 完善的河道信息治理系統(tǒng),為三維

7、瀏覽查詢、屬性信息的補充、完善和更新奠定了基 礎.圖2-3所示為沙市水文站屬性編輯窗口.圖2-3沙市水文站屬性編輯窗口圖2-4荊江局三維模型示意圖圖2-3沙市水文站寓住編輯窗口圖2國荊江局三維模型示意圖2.3 三維建模三維建模是系統(tǒng)建設的重要組成局部,是實現(xiàn)荊江河道三維可視化的根底,該 子模塊以數(shù)字正射影象(DOM、數(shù)字地面模型(DEM)、數(shù)字線劃圖 (DLG和數(shù)字柵 格圖(DRG作為處理對象,結合了三維可視化技術(visual )與虛擬現(xiàn)實技術(virtual reality),完全再現(xiàn)治理環(huán)境下的真實情況,把所有治理對象都置于一個真實的三維 世界中,真正做到了治理意義上的“所見即所得&qu

8、ot;.它支持多種通用的二維、 三維數(shù)據(jù) 交換格式；提供了強大的三維實體建模工具,可以按用戶的任何要求生成三維模型； 可直觀地定義三維實體的屬性結構,對實體屬性進行編輯、查詢、瀏覽、統(tǒng)計分析及 屬性提取等,屬性表結構可動態(tài)修改；可進行簡單快捷的三維實體外表貼圖,圖形可 按圖層的方式治理和顯示.利用該模塊我們完成了宜昌至城陵磯河段 11處堤防、35處護岸、6處險段、6 座水閘、15處水文水位站、4座大橋、3處港口、3個公園、2個勘測局、1個洲灘和 其它輔助地物的三維模型建立、 外表貼圖和相關屬性錄入. 圖2-4為荊江局三維模型 示意圖.同時利用該模塊我們構建了具有比降的水位面、并把宜昌至城陵磯河

9、段的斷面 線融入系統(tǒng)中,配以風格各異的文本注記,使整個系統(tǒng)顯得逼真、協(xié)調.2.4 三維可視化瀏覽與信息治理該子模塊是基于4D的三維地表可視技術,不僅能實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的可視化,而且 為用戶提供了強大的交互式操作工具,對三維場景的全方位要素進行實時的交互式控制；該模塊運用多種最先進的三維顯示加速技術,顯示速度很快,可支持任意大圖像的自動瀏覽顯示,進行大場景三維漫游,根據(jù)設定路徑飛行或錄制電影；該模塊提供 了生成DEM DEM專換、合并三維場景、粘貼影像紋理、分層設色、Z方向縮放等功能,可從三維模型上選擇目標進行瀏覽和屬性查詢,也可對相關目標的多媒體屬性進行播放.到達三維飛行瀏覽與信息治理的統(tǒng)本系統(tǒng)空

10、間數(shù)據(jù)以北京 54坐標為平面參考系、國家 85高程為高程參考系,統(tǒng) 一投影到以114度子午線為中央子午線的高斯投影平面.由此我們根據(jù)1998年大洪水后施測的地形資料生成了宜昌至城陵磯段DEM：字高程模型,并粘貼 Landsat 30m精度衛(wèi)片紋理,形成了大場景并可對海量數(shù)據(jù)進行治理的三維可視化系統(tǒng).該子模塊集成了由三維建模子模塊生成的各類水工模型,并與荊江DEMf目融合,最終形成了荊江三維可視化人機交互式河道信息治理應用系統(tǒng),完成對河道信息的三維可視化治理和飛行瀏覽查詢.圖2-5為宜枝河段三維飛行瀏覽場景示意圖,圖2-6所示為在飛行瀏覽時查詢荊江長江大橋屬性.2.5 三維分析本系統(tǒng)在提供三維可

11、視化逼真場景的同時,根據(jù)GIS的空間分析方法,還提供了局部基于DEM勺實用高效的根本的地形因子計算和計算模型分析功能.如面積量算、流域通視分析、水淹分析、坡度坡向分析、開挖分析、任意斷面切 割分析等.該子模塊大大增強了系統(tǒng)在水利工程實踐中的實際應用水平.圖2-7無源水淹分析示意圖,圖 2-8為兩點通視分析示意圖.圖2-7無源水液分析示意圖圖2-8兩點通視分析示意圖2.6 二三維聯(lián)動查詢該子模塊的設計理念是在平面二維圖形系統(tǒng)中嵌入一個三維模塊,以用于二維 三維實時互動操作.為此,我們采取與三維系統(tǒng)相一致的北京54平面坐標系統(tǒng),制作了宜昌至城陵磯長江河道平面底圖,包括主要的堤線、水邊線、地名、支流

12、名稱、 洲灘名、斷面名及本系統(tǒng)所涉及到的全部三維模型的符號注記與文本注記,并分層管理.該子模塊實現(xiàn)了在二維平面底圖上任意地進行目標定位,這時在三維窗口中也將同步定位到該目標, 以方便快捷地變換三維場景；反之,如果將光標移動到三維窗 口并進行飛行瀏覽,這時在二維窗口內的相機也將同步移動,從而根據(jù)底圖I.二三維聯(lián)動劑覽示意圖圖工皿編輯飛行路徑示意13圖注記來確定飛行的位置,從而到達二三維聯(lián)動的效果.同時還可以編輯飛行 路徑讓三維場景按編輯的路徑飛行；在實時瀏覽時可以隨時點擊查看二維和三維的目標屬性信息.圖2-9為二三維聯(lián)動瀏覽示意圖；圖 2-10為編輯飛行路徑示意圖3關鍵技術與解決方案本系統(tǒng)在研制

13、過程中遇到了不少的技術難題,在水文局技術開發(fā)人員的共同努 力下,對一些主要的技術問題提出了行之有效的解決方案.這里摘要幾個在實際中廣泛應用的技術簡述如下：(1)曲面截取(見圖3-1 ).在建模過程中,有一些曲面目標模型要與DEM模型相一致,如洲灘模型、拋石護岸模型等.因此需要對局部DEM真型進行部分截取,并鋪設紋理.該功能使我們有水平對感興趣的區(qū)域制作精細的DEMF口紋理,并進行DEMft加,減少數(shù)據(jù)冗余.圖3-1利用曲面截取技術生成的拋石護岸模型圖3-2帶有比降的水位面模型(2)二三維聯(lián)動技術.在系統(tǒng)功能中已詳述.(3)按比降設計水位面與水面實時升降技術.為了真實反映長江上下游的水位 落差,

14、我們根據(jù)堤線(或水邊線)構造水面基線,并根據(jù)某日上下游水位構造具有比 降的水位面,在實時飛行瀏覽過程中,可進行水面實時升降.該技術使河道水面形態(tài) 更趨于真實,并能使我們實時檢查河床的形態(tài)與洪水淹沒狀況.如圖3-2帶有比降的水位面模型所示.(4)根據(jù)一定傾角開挖土石方.在河道采砂過程中需要計算某地方泥沙的體積.開挖分析可以計算出給定邊界內帶有一定傾角的泥沙的體積.該功能使 我們在土石方計算中更接近于實際工程應用中.如圖3-3所示.圖3-3開挖分析示意圖4前景展望荊江三維可視化人機交互式河道信息治理系統(tǒng)是在數(shù)字地球、數(shù)字長江的大潮中應運而生的.它的建立,克服了以往的單純的數(shù)據(jù)庫治理或二維平面治理模

15、式,是對水文河道信息化治理方式的一種新的有益的嘗試.三維可視化技術一般應用于有限區(qū)域較小范圍的工程工程治理和專題特效演示,本系統(tǒng)以荊江為試驗區(qū)域,開展正是對三維可視化技術在用于大場景并對海量的空間數(shù)據(jù)實施有效治理的系統(tǒng)研制, 全長江的廣泛應用提供了探索性的技術保證.荊江三維可視化人機交互式河道信息治理系統(tǒng)還存在著許多缺乏,數(shù)據(jù)庫設計方法不夠完善,信息治理方式比擬單一,信息量完整性不夠,檢索方法也有待于進行如大場景飛步研究和提升.可視化技術上還存在許多難題需要我們去完善或解決, 行瀏覽過程中的DEMW度問題、視覺連續(xù)性問題、飛行速度問題等.在荊江三維可視 化人機交互式河道信息治理系統(tǒng)的根底上, 不斷完善不斷創(chuàng)新,建立長江三維可視化 河道信息治理系統(tǒng)正是我們的努力目標,其廣闊的應用前景已為期不遠.5結束語本文系統(tǒng)地介紹了荊江三維可視化人