流域干旱演化模擬與評估數(shù)字仿真系統(tǒng)研發(fā)

冶運(yùn)濤，梁犁麗，曹 引，2，趙紅莉，蔣云鐘

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

流域干旱演化模擬與評估數(shù)字仿真系統(tǒng)研發(fā)

冶運(yùn)濤1，梁犁麗1，曹 引1，2，趙紅莉1，蔣云鐘1

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

以新疆瑪納斯湖流域?yàn)槔?，將多源?shù)據(jù)管理、干旱模擬評估、信息直觀表達(dá)等技術(shù)相融合，研發(fā)了流域旱情演化與評估數(shù)字仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有多模式控制漫游、時(shí)空數(shù)據(jù)查詢與顯示、實(shí)體信息查詢與顯示、文字動(dòng)態(tài)標(biāo)注、多媒體仿真等基礎(chǔ)功能，提供了干旱指數(shù)計(jì)算、干旱演化參數(shù)圖形表達(dá)、干旱數(shù)據(jù)空間插值、干旱演化時(shí)空動(dòng)態(tài)可視化等專業(yè)功能。

數(shù)字流域；虛擬仿真；旱情演化；模擬與評估

1 研究背景

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為總特征的信息科學(xué)技術(shù)成為推動(dòng)社會可持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，在水利領(lǐng)域的突出表現(xiàn)為“數(shù)字流域”研究和開發(fā)成為現(xiàn)代水利的重要內(nèi)容和主要標(biāo)志，它是水利信息化發(fā)展的必然趨勢，是實(shí)現(xiàn)流域管理與決策支持信息化的重要途徑［1］。在數(shù)字流域研究中，三維仿真技術(shù)是數(shù)字流域建設(shè)的核心技術(shù)之一，可以將流域相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息通過空間地理坐標(biāo)進(jìn)行高度綜合集成，以其逼真模型的建立、場景的真實(shí)模擬成為人們觀察流域的新方式和提升流域管理效能的必要手段。因此，將三維仿真技術(shù)引入到抗旱管理工作中，提升抗旱管理的決策支持水平具有重要的實(shí)用價(jià)值。

國外比較有代表性的是美國干旱預(yù)警系統(tǒng)，建立了“國家集成干旱信息系統(tǒng)”，干旱監(jiān)控圖通過干旱門戶網(wǎng)站（http：//www.drought.gov）發(fā)布，該圖主要提供全美各地總體干旱的程度及具體分布，還可以查詢區(qū)域詳細(xì)的干旱信息，系統(tǒng)主要是通過二維GIS地圖進(jìn)行信息的匯總和發(fā)布［2］。國內(nèi)具有代表性的是水利部層面初步建設(shè)完成的全國七大流域電子沙盤［3］，以及寧夏回族自治區(qū)、山東省、北京市、河北省等防汛部門相繼建設(shè)完成省、市級電子沙盤［3］，這些電子沙盤將防汛抗旱基礎(chǔ)信息與虛擬環(huán)境相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對多種信息的綜合管理，但是由于研究范圍和尺度不同，上述電子沙盤在應(yīng)用到其他區(qū)域時(shí)，需要進(jìn)行擴(kuò)展性定制，而且電子沙盤仍以指揮防汛實(shí)際行動(dòng)為主，能夠仿真模擬洪水淹沒過程，但是在結(jié)合氣候模式、分布式水文模型及評估模型的干旱演化過程的仿真方面尚待加強(qiáng)。

為了應(yīng)對波及范圍廣、影響因素多、危害程度深的干旱極值水文事件，采用立體監(jiān)測手段、模擬計(jì)算技術(shù)和診斷評估模型等進(jìn)行研究，會產(chǎn)生多維多時(shí)空尺度的海量數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理、快速分析與可視展現(xiàn)成為擺在決策者面前的難題。本文以新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河流域?yàn)槔?，以?qū)動(dòng)干旱演化的水循環(huán)模型和三維仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，首先提出了融合三維仿真技術(shù)與干旱演化評估模型的流域干旱演化模擬與評估數(shù)字仿真系統(tǒng)總體框架；接著研發(fā)了將立體監(jiān)測數(shù)據(jù)、模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與診斷評估數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成的數(shù)字仿真系統(tǒng)；最后重點(diǎn)研究了系統(tǒng)功能及其實(shí)現(xiàn)方法。

2 系統(tǒng)總體框架

2.1 系統(tǒng)服務(wù)目標(biāo)通過將三維仿真技術(shù)、干旱演化模擬與干旱狀態(tài)評價(jià)方法相結(jié)合，將抗旱所需的多源信息以多模式多角度方式展現(xiàn)在三維場景中，動(dòng)態(tài)仿真干旱狀態(tài)的變化過程，及時(shí)將監(jiān)測預(yù)警信息可視化，輔助決策者及時(shí)發(fā)現(xiàn)干旱狀態(tài)，迅速制定應(yīng)急方案，為綜合采用工程和非工程措施提供技術(shù)管理手段和決策支持工具，從而將干旱所造成的損失降低到最小。

2.2 系統(tǒng)功能需求結(jié)合抗旱的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，提出數(shù)字仿真系統(tǒng)的功能需求：（1）基于數(shù)字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）、遙感影像和矢量數(shù)據(jù)，能夠生成研究區(qū)域的三維地形地貌場景；能夠自動(dòng)加載重點(diǎn)關(guān)注的水利工程建筑物，并自適應(yīng)與大范圍地形完成無縫拼接，也能進(jìn)行精確的定位；能夠?qū)傩詳?shù)據(jù)（非空間數(shù)據(jù)）與生成的大范圍流域場景進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接。（2）能夠?qū)Ａ康匦蔚匚锝M成的流域虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)交互驅(qū)動(dòng)，以多種漫游方式對虛擬環(huán)境進(jìn)行瀏覽；在場景漫游中，能夠?qū)崿F(xiàn)對抗旱信息進(jìn)行快速檢索和實(shí)時(shí)顯示，并能迅速定位到關(guān)注的干旱區(qū)域，能以聲音仿真和可視化仿真綜合手段指揮抗旱工作。（3）能夠通過EXE和動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式將氣候模式、分布式水文模型、干旱評估模型封裝成流域干旱演化模型和評估模型模塊，集成到數(shù)字仿真系統(tǒng)中，利用系統(tǒng)界面對模型進(jìn)行交互，同時(shí)提供高性能計(jì)算平臺支撐，將上述模型計(jì)算結(jié)果能夠存儲到綜合數(shù)據(jù)庫中，能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析及可視化展現(xiàn)。

2.3 系統(tǒng)框架流域干旱演化模擬與評估數(shù)字仿真系統(tǒng)承擔(dān)著匯集多源數(shù)據(jù)、操控多種模型、挖掘分析各種規(guī)則數(shù)據(jù)的任務(wù)，并將這些數(shù)據(jù)以直觀方式提交給決策者，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的高度集成、可視化表達(dá)與綜合分析，從而能夠全面把握干旱的演變規(guī)律與變化趨勢，及時(shí)提出調(diào)控措施。系統(tǒng)總體框架主要由數(shù)據(jù)層、模型層、系統(tǒng)層與功能層組成“四層架構(gòu)”，如圖1所示。數(shù)據(jù)層向模型層和系統(tǒng)層提供數(shù)據(jù)支持；模型層將計(jì)算結(jié)果雙向傳遞，一是傳送到數(shù)據(jù)層進(jìn)行存儲，另外將數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)層進(jìn)行集成顯示；功能層是系統(tǒng)層的專業(yè)應(yīng)用，是平臺層具體化方式的體現(xiàn)。

圖1 流域干旱演化模擬與評估數(shù)字仿真系統(tǒng)總體框架

數(shù)據(jù)層是將固定監(jiān)測、移動(dòng)監(jiān)測和人工監(jiān)測到的與抗旱相關(guān)的靜態(tài)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)以空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲；空間數(shù)據(jù)庫存儲遙感影像、航拍圖片、GIS圖層、實(shí)體模型幾何結(jié)構(gòu)和紋理圖像（圖片）等；屬性數(shù)據(jù)庫存儲實(shí)體屬性信息、氣象水文數(shù)據(jù)、抗旱水源數(shù)據(jù)、抗旱工程數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)旱情數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、抗旱管理數(shù)據(jù)、工程應(yīng)急措施、歷史旱災(zāi)數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)等。模型層是數(shù)字仿真系統(tǒng)的核心引擎，它以數(shù)據(jù)庫存儲的干旱演化參數(shù)為基礎(chǔ)，建立描述全球變化和人類劇烈活動(dòng)導(dǎo)致的水循環(huán)演變的“自然-人工”二元水循環(huán)模型，復(fù)演流域干旱的歷史規(guī)律、研究流域干旱現(xiàn)狀、預(yù)測流域干旱的演變趨勢；建立流域干旱演化的評價(jià)指標(biāo)體系，制定干旱評估準(zhǔn)則，計(jì)算不同指標(biāo)體系下的干旱指數(shù)，構(gòu)建流域干旱綜合評估模型，實(shí)現(xiàn)對流域干旱的時(shí)空分布狀況進(jìn)行定量分析。系統(tǒng)層作為前臺的顯示和交互界面，是整個(gè)系統(tǒng)面向用戶的窗口，通過該窗口將數(shù)據(jù)庫、模型計(jì)算結(jié)果等方面的信息轉(zhuǎn)換為三維場景的表達(dá)方式，最終在數(shù)字仿真系統(tǒng)中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示融合集成的抗旱信息。功能層是整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用，是面向干旱管理決策者而開發(fā)封裝的功能模塊，是用戶與后臺數(shù)據(jù)庫交互的“紐帶”，用戶可以通過這些組件在三維虛擬場景中以直觀的方式展現(xiàn)監(jiān)測和挖掘分析數(shù)據(jù)，快速全面把握抗旱信息。

3 數(shù)字仿真系統(tǒng)研發(fā)

3.1 數(shù)字仿真數(shù)據(jù)庫建立數(shù)字仿真系統(tǒng)包含三維實(shí)體模型、三維實(shí)體屬性、數(shù)學(xué)模型計(jì)算、社會經(jīng)濟(jì)以及實(shí)時(shí)傳輸?shù)葦?shù)據(jù)，通過地理空間坐標(biāo)將這些數(shù)據(jù)在數(shù)字仿真系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)無縫集成與綜合信息的直觀表達(dá)。通過對數(shù)據(jù)和信息特性分析，將仿真系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫劃分為空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫兩大類，兩者的相互動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)通過建立各類數(shù)據(jù)間的邏輯和拓?fù)潢P(guān)系來實(shí)現(xiàn)。

3.1.1 空間數(shù)據(jù)庫 流域三維場景建模生成主要由三維建模軟件Terra Vista和Multigen Creator完成，前者負(fù)責(zé)生成三維地形，后者生成地物模型。Terra Vista軟件以工程項(xiàng)目的方式對地理數(shù)據(jù)管理，把統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)，將數(shù)字高程模型、遙感影像或航片、各種矢量數(shù)據(jù)、實(shí)體模型等集成起來自動(dòng)生成大范圍三維場景模型［4］。

（1）地形建?！，敿{斯河流域數(shù)字高程模型分辨率為90 m的GRID格式，利用ArcGIS 9.1軟件將GRID格式轉(zhuǎn)換為ASC格式，導(dǎo)入到新建工程后自動(dòng)轉(zhuǎn)換為txl格式。Google Earth提供了豐富且精度能夠滿足三維顯示要求的遙感影像數(shù)據(jù)源，利用影像自動(dòng)提取輔助工具，設(shè)置好完全包圍瑪納斯河流域的范圍邊界與最高分辨率，就能實(shí)現(xiàn)遙感影像的分塊提取與合成，并保存為JPEG格式的圖片，同時(shí)生成文本文件記錄遙感影像范圍與地理坐標(biāo)系參數(shù)，經(jīng)過配準(zhǔn)后以GeoImage Import方式導(dǎo)入到工程項(xiàng)目中自動(dòng)轉(zhuǎn)換為ECW格式的紋理圖片，并在Geospecific Imagery中設(shè)置紋理圖片的參數(shù)Local Bottom、Local Left、Local Right和Local Top，與數(shù)字高程模型進(jìn)行空間位置的匹配。矢量數(shù)據(jù)（或稱為“文化特征數(shù)據(jù)”）是用來表現(xiàn)三維場景的細(xì)部特征，如研究區(qū)域的水系、道路、街區(qū)、植被、標(biāo)志性建筑物、居民區(qū)等矢量數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需求選擇描述相應(yīng)對象的矢量數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為Ter?ra Vista能夠識別的GIS型文件格式（.shp）。矢量數(shù)據(jù)是以實(shí)例化方式對文化特征數(shù)據(jù)賦值。矢量數(shù)據(jù)的賦值是利用Terra Vista提供的點(diǎn)、線、面矢量建模模板［5］，將矢量數(shù)據(jù)實(shí)例化的過程，即將矢量數(shù)據(jù)表現(xiàn)為實(shí)際的三維實(shí)體，賦予特定的信息。對應(yīng)點(diǎn)實(shí)體的有房屋、樹木、標(biāo)志牌等；對應(yīng)線實(shí)體的有各種道路、河流、圍墻、管線等；對應(yīng)面實(shí)體的有森林、湖泊（雙線河）、城鎮(zhèn)以及特殊用途的面實(shí)體如三角網(wǎng)加密實(shí)體等。通過對這些矢量數(shù)據(jù)按用途賦值，就能構(gòu)建豐富多彩的地物模型。

對于重點(diǎn)區(qū)域要采用高分辨率的地形和紋理，能夠精細(xì)地表現(xiàn)地形地貌，然而很難處理不同精度地形塊的無縫集成，不僅要實(shí)現(xiàn)不同LOD等級的嵌套，而且還要紋理和幾何模型的融合，避免出現(xiàn)裂縫。為有效解決該問題，Terra Vista提供了網(wǎng)格加密和高分辨率紋理插塊技術(shù)。對于需要設(shè)置高分辨率地形紋理的區(qū)域，使用矢量編輯器Vector Editor將其勾勒出并設(shè)置為面狀矢量實(shí)體，標(biāo)識為HiRes Texture Inset，在其屬性Meters Per Pixel中設(shè)置目標(biāo)分辨率，最高分辨率取決于紋理文件實(shí)有分辨率；對于需要增加網(wǎng)格密度的區(qū)域，用矢量編輯器Vector Editor將其勾勒出并設(shè)置面狀矢量實(shí)體，將其賦為High Polygon Budget Inset模塊，根據(jù)實(shí)際需要，在其屬性項(xiàng)Triangle Budget中設(shè)置滿足需求的三角形數(shù)目，該區(qū)域的三角形在自動(dòng)生成地形過程中能自適應(yīng)加密，并能夠與周圍網(wǎng)格無縫拼接。

（2）地物建模。Terra Vista軟件平臺中提供的三維模型有限，在對重點(diǎn)關(guān)注物體瀏覽時(shí)，則需要精細(xì)建模，然后導(dǎo)入到軟件模型庫中。流域?qū)嶓w模型采用精確的幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到Creator軟件中進(jìn)行建模，并將實(shí)拍像片處理后作為紋理映射到幾何結(jié)構(gòu)上，如此建模既能操縱模型的動(dòng)態(tài)變化，又能從外觀反映真實(shí)實(shí)體圖景。通常建模后的模型以外部引用的方式導(dǎo)入地形模型中，使用建模軟件Creator手工完成各模型的定位及嵌入工作。該方法有以下不足［6］：一是模型定位工作量大，模型與地形無縫拼接較為復(fù)雜，且一旦修改的模型需要重新生成時(shí)，已完成的模型定位及嵌入工作需重新進(jìn)行；二是非智能。而Terra Vista提供了矢量要素模板，不僅能智能定位三維模型，而且與周圍地形無縫拼接，提高了建模的精度和效率。建模完成模型嵌入的步驟如下：①利用Creator建立三維模型test model，并且設(shè)置footprint，否則由Terra Vista自動(dòng)生成的footprint，會使模型產(chǎn)生偏差；②將建好的Open Flight格式的模型以O(shè)pen Flight Converter方式導(dǎo)入已建的Terra Vista工程項(xiàng)目文件，保存在Model Library中；③復(fù)制一個(gè)點(diǎn)狀模板作為替換模板，將其代碼更改為test model，作為模板的索引名；④將替換模板的Model Instance中的Model屬性中已有模型用Model Library中的自建模型代替，將自建模型與test model模板關(guān)聯(lián)；⑤在Point Layout中設(shè)置自建模型的嵌入方式，共有Integrated、Stitched和Layered三種。通常選擇Integrated方式無縫集成自建模型與周圍地形；在Set Point Eleva?tions欄中設(shè)置自建模型的高程、設(shè)置模型朝向、修改映射紋理等。

（3）渠系建?！，敿{斯流域下游分布有灌區(qū)，貫穿著許多渠道。雖然渠道斷面規(guī)則，建模較天然河道而言相對簡單，但如果手工繪制，建模工作量仍很大。采用Terra Vista提供的Complex River/ Stream生成工具，可以方便地在地形中無縫嵌入渠道，自動(dòng)化建模程度高。將渠道矢量線標(biāo)識賦值為Complex River/Stream，該實(shí)體主要包括渠道寬度wid，水面以上的寬度Outer wid、深度Outer dep，水面以下的寬度wid、深度dep等屬性值，按照渠道指標(biāo)進(jìn)行賦值后，即可生成與地形無縫連接的渠道。為配合渠道兩側(cè)的路面，建模中將渠道矢量線復(fù)制兩份，按照渠道和路面寬度之和的一半作為兩矢量線的間距，并將渠道兩側(cè)的矢量線賦值為道路標(biāo)識，這樣就可以自動(dòng)生成渠道和兩側(cè)的道路，渠道兩側(cè)的樹木也可以如法炮制。

（4）空間數(shù)據(jù)庫生成。Terra Vista利用了規(guī)則網(wǎng)格和不規(guī)則網(wǎng)格相結(jié)合的混合建模思想，充分利用兩者不同優(yōu)勢來構(gòu)造基于視點(diǎn)變化的連續(xù)多分辨率地形結(jié)構(gòu)，提高實(shí)時(shí)仿真模擬效率。Terra Vista使用Poly Calculator工具剖分網(wǎng)格，其中需要設(shè)置細(xì)節(jié)層次（LOD，Levels Of Detail）的數(shù)量、可視距離、網(wǎng)格的大小和每個(gè)網(wǎng)格中的三角網(wǎng)密度，對應(yīng)各層次地形網(wǎng)格輸出相應(yīng)的網(wǎng)格大小和精度的紋理圖片。合理的參數(shù)設(shè)置能夠協(xié)調(diào)渲染量和顯示速度。大范圍地形是按照分塊方式統(tǒng)一生成，各塊內(nèi)三角網(wǎng)密度和紋理分辨率相同，盡可能地滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。按照上述方式對地形參數(shù)和矢量數(shù)據(jù)處理后，按下述步驟生成研究區(qū)的虛擬環(huán)境：①選定目標(biāo)區(qū)域，設(shè)定輸出圖片的格式與分辨率為256×256的BMP圖片來平衡紋理精細(xì)程度和渲染計(jì)算量；②確定輸出模型文件格式為符合圖形仿真標(biāo)準(zhǔn)的OpenFlight格式；③以分塊方式生成流域三維地形地貌，這些方塊以規(guī)則的行列號命名方式存儲在硬盤空間內(nèi)，并以外部引用節(jié)點(diǎn)的方式集成在master.flt文件中，生成三維場景。

空間數(shù)據(jù)采用OpenFlight格式的三維空間數(shù)據(jù)模型存儲在模型文件中，該數(shù)據(jù)模型將實(shí)體按照其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲。從基礎(chǔ)的點(diǎn)、線、面開始，以三角形面組合為局部結(jié)構(gòu)，最后構(gòu)造為完整的地形骨架，通過節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和骨架拓?fù)潢P(guān)系存儲模型的幾何信息，與紋理、光照、材質(zhì)等屬性相關(guān)聯(lián)。與單個(gè)實(shí)體的空間信息描述和存儲相似，應(yīng)用Extern外部節(jié)點(diǎn)組織存儲整個(gè)大場景地形地物的空間信息，存儲和管理各個(gè)單一實(shí)體空間位置信息，以單個(gè)實(shí)體標(biāo)識ID區(qū)分實(shí)體，保證空間數(shù)據(jù)記錄的唯一性，也為實(shí)體屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)提供前提。

3.1.2 屬性數(shù)據(jù)庫 屬性數(shù)據(jù)是不僅包括描述三維實(shí)體各種屬性信息的數(shù)據(jù)，其中既包括實(shí)體名稱、實(shí)體說明等文本數(shù)據(jù)，還包括相關(guān)的圖片、影像等多媒體數(shù)據(jù)。在流域干旱演化與評估計(jì)算方面，一方面需要存儲計(jì)算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如氣象水文、社會經(jīng)濟(jì)、地形高程、土地利用類型、劃分的子流域等；另一方面則需要存儲計(jì)算結(jié)果。上述這些數(shù)據(jù)既有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，也有靜態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫表格設(shè)計(jì)應(yīng)按照系統(tǒng)的特點(diǎn)分類考慮，才能減少數(shù)據(jù)的冗余。考慮到很多操作是基于實(shí)體，且許多實(shí)體屬性數(shù)據(jù)均屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)時(shí)就以三維實(shí)體為中心，將其相關(guān)的靜態(tài)屬性存儲在一個(gè)表中。對于模型的計(jì)算結(jié)果，如水位、流量等信息另建表格存儲，并通過時(shí)間等字段保證記錄數(shù)據(jù)的唯一性。

除了存儲上述的三維實(shí)體模型和模型計(jì)算的屬性信息，包括八類抗旱系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，包括氣象水文數(shù)據(jù)、抗旱水源數(shù)據(jù)、抗旱工程數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)旱情數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、抗旱管理數(shù)據(jù)、工程應(yīng)急措施、歷史旱災(zāi)數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)。氣象水文數(shù)據(jù)是指日照、風(fēng)力、蒸發(fā)、降雨、河道（水庫）水位、流量等水文氣象實(shí)時(shí)信息，數(shù)據(jù)來源為氣象產(chǎn)品應(yīng)用系統(tǒng)和水雨情數(shù)據(jù)庫；抗旱水源數(shù)據(jù)是指水庫、湖泊、坑塘、水窖蓄水量和過境河流可利用徑流量的地表水，可利用的淺層地下水資源量和深層地下水資源量信息；抗旱工程數(shù)據(jù)是指水庫、機(jī)電井、塘壩、水窖、提灌站、水閘及灌區(qū)灌溉設(shè)施等抗旱水利工程的基本信息及監(jiān)測信息；實(shí)時(shí)旱情數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)旱情統(tǒng)計(jì)信息、墑情監(jiān)測信息、農(nóng)情信息、災(zāi)情信息、旱情遙感信息、地下水埋深信息、城鄉(xiāng)生產(chǎn)生活缺水信息、生態(tài)用水信息等；社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)是指在共享社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，增建抗旱專用社會經(jīng)濟(jì)信息項(xiàng)；抗旱管理數(shù)據(jù)包括抗旱法律法規(guī)、抗旱服務(wù)組織信息、抗旱預(yù)案、應(yīng)急預(yù)案等；歷史旱災(zāi)數(shù)據(jù)是指歷史旱災(zāi)發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、規(guī)模、造成的損失、抗旱措施及對經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)的影響及損失等信息；圖形數(shù)據(jù)是指在共享圖形庫基礎(chǔ)地理信息的基礎(chǔ)上，增建專題數(shù)據(jù)層。

3.1.3 空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫連接 空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫構(gòu)成綜合數(shù)據(jù)庫，集成于流域數(shù)字仿真系統(tǒng)中，實(shí)體空間信息由圖形仿真工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenFlight格式的空間數(shù)據(jù)模型文件存儲，通過數(shù)字仿真系統(tǒng)調(diào)用渲染顯示三維地形地物模型；屬性信息存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫中，信息查詢、添加、刪除、更新等操作通過SQL語句完成。在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)程序以及建立空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫聯(lián)系實(shí)現(xiàn)基于虛擬流域環(huán)境的信息查詢與綜合分析［7］。

3.2 場景控制漫游與海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)度場景漫游是通過對視點(diǎn)（或者稱為攝像機(jī)）的空間位置和旋轉(zhuǎn)角度控制來實(shí)現(xiàn)。OpenGVS提供了控制視點(diǎn)變化的Camera接口函數(shù)，在圖形回調(diào)中，編寫攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)則，就能實(shí)現(xiàn)在漫游過程中視點(diǎn)不低于地面、不能穿越建筑物等功能。在場景控制漫游過程中，根據(jù)距離地面的高低和視線方向控制漫游速度的快慢。從高空對場景瀏覽時(shí)，設(shè)置一定高程值，視點(diǎn)高程大于該值時(shí)，漫游速度逐漸加快，對場景進(jìn)行大體瀏覽，小于該值時(shí)，調(diào)整觀察視角，使漫游速度減慢，對景物進(jìn)行仔細(xì)欣賞，這符合人類觀察事物的心理，離開觀察物較遠(yuǎn)時(shí)，不能觀察到物體細(xì)節(jié)，就急需走近物體，近距離觀察物體時(shí)，就想放慢瀏覽速度。

大范圍地形地物數(shù)據(jù)量通常非常龐大，難以全部參與顯示，即使是利用一組LOD模型也很難做到。要實(shí)現(xiàn)對地形數(shù)據(jù)的可交互式實(shí)時(shí)渲染，每次只能取其模型的一部分來進(jìn)行；同時(shí)，隨著視點(diǎn)的視線變化，參與計(jì)算的這一部分細(xì)節(jié)的詳略程度也應(yīng)相應(yīng)地動(dòng)態(tài)改變。維持這樣一個(gè)與視點(diǎn)相關(guān)的基于動(dòng)態(tài)三角構(gòu)網(wǎng)的視景，需要一個(gè)動(dòng)態(tài)視景更新機(jī)制來有效地組織與管理數(shù)據(jù)。這種機(jī)制能使視景中可見部分反復(fù)地調(diào)入和卸載。視景管理必須通過設(shè)定相關(guān)參數(shù)來決定什么時(shí)候及視景的那些部分將被卸載、更新（重新定義）或即將從數(shù)據(jù)庫中調(diào)入。因此，那些包含著地形數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須能夠支持空間數(shù)據(jù)的快速存取。大部分動(dòng)態(tài)視景更新機(jī)制包含在地形數(shù)據(jù)上對空間范圍的查詢功能，來調(diào)入新的或更新當(dāng)前視景中的可見部分。為解決一定精度下大范圍地形環(huán)境的實(shí)時(shí)仿真問題，常用策略是將地形分塊處理和內(nèi)存數(shù)據(jù)分頁，即將參與顯示的整塊地形細(xì)分成一定大小的等大數(shù)據(jù)塊，在漫游過程中根據(jù)視點(diǎn)的位置及視線的關(guān)系分別設(shè)定不同的LOD，減小模型的數(shù)量，提高視景顯示效率。地形數(shù)據(jù)經(jīng)過分塊處理后，非常方便建立實(shí)時(shí)顯示的分頁機(jī)制。

3.3 數(shù)字仿真系統(tǒng)開發(fā)數(shù)字仿真系統(tǒng)是基于OpenGVS三維視景軟件包開發(fā)，它是實(shí)時(shí)三維仿真軟件開發(fā)和系統(tǒng)集成的高級應(yīng)用程序接口，提供了各種軟件資源，利用資源自身提供的API，可以很好地以接近自然和面向?qū)ο蟮姆绞浇M織視景圖元和進(jìn)行編程，來模擬視景仿真的各個(gè)要素；而且還包含了一組高層次的、面向?qū)ο蟮腃++應(yīng)用程序開發(fā)接口，直接架構(gòu)于世界領(lǐng)先的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)之上，只需用少量代碼就可以快速生成高質(zhì)量的三維應(yīng)用軟件。OpenGVS的API分為場景、攝像機(jī)、對象等各組資源，按照應(yīng)用調(diào)用這些資源來驅(qū)動(dòng)硬件實(shí)時(shí)產(chǎn)生所需的圖形和效果，OpenGVS的技術(shù)框架如圖2所示。

數(shù)字仿真系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的動(dòng)畫式三維可視化，不僅要滿足三維場景的真實(shí)表達(dá)的要求，而且具備良好的交互特性。在分析抗旱管理需求的基礎(chǔ)上，在圖形工作站硬件支撐下，利用Visual C++和OpenGVS相結(jié)合，研發(fā)流域干旱演化與評估數(shù)字仿真系統(tǒng)。由于系統(tǒng)啟動(dòng)過程中要調(diào)度三維地形地物模型，進(jìn)入系統(tǒng)界面的速度取決于數(shù)據(jù)量大小，為防止調(diào)度較大數(shù)據(jù)量出現(xiàn)“空白”界面，在啟動(dòng)時(shí)增加了閃屏功能。該系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)主要分為系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)運(yùn)行和系統(tǒng)退出三部分［7］。

4 數(shù)字仿真系統(tǒng)功能

4.1 多模式控制漫游系統(tǒng)提供了飛行漫游、旋轉(zhuǎn)瀏覽和平移瀏覽等三種鼠標(biāo)和鍵盤聯(lián)合操作的手動(dòng)漫游方式來模擬漫游的向左與向右轉(zhuǎn)、抬頭與低頭、向前和向后移動(dòng)，圖3為瑪納斯河流域三維場景效果。同時(shí)系統(tǒng)提供了自動(dòng)路徑漫游功能，可實(shí)現(xiàn)干旱嚴(yán)重的核心區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)反復(fù)的動(dòng)態(tài)觀察，如圖4所示。為了瀏覽虛擬環(huán)境中關(guān)鍵實(shí)體或部位，避免手動(dòng)漫游控制造成的不必要飛行過程，系統(tǒng)提供了視點(diǎn)定位功能能夠快速準(zhǔn)確地將攝像機(jī)置于最佳觀察位置，如圖5所示。

4.2 時(shí)空數(shù)據(jù)查詢與顯示干旱管理中的屬性信息是以高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織存儲在后臺數(shù)據(jù)庫中。設(shè)計(jì)操作方便的管理模塊能夠提高工作效率，系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)的查詢顯示、數(shù)據(jù)增加、數(shù)據(jù)刪除等功能，如圖6所示。旱情信息的查詢直接與數(shù)據(jù)庫連接進(jìn)行精確查詢或模糊查詢，主要包括實(shí)時(shí)水雨工情、氣象信息、水文歷史信息、預(yù)報(bào)預(yù)測結(jié)果等信息的查詢和自動(dòng)顯示，并輔有預(yù)警功能，使決策者及時(shí)了解旱情嚴(yán)重區(qū)域的位置和密切監(jiān)視旱情的發(fā)展。

圖2 數(shù)字仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 瑪納斯河流域三維場景效果

圖4 路徑漫游管理工具

圖5 視點(diǎn)定位

圖6 時(shí)空數(shù)據(jù)查詢與顯示

4.3 實(shí)體信息查詢與顯示實(shí)時(shí)信息的查詢與顯示是利用鼠標(biāo)與流域虛擬環(huán)境中三維實(shí)體進(jìn)行交互，以O(shè)penGVS提供碰撞檢測函數(shù)確定鼠標(biāo)選中的實(shí)體，根據(jù)其關(guān)鍵字段應(yīng)用SQL語句搜索屬性數(shù)據(jù)中該標(biāo)識名對應(yīng)的實(shí)體屬性信息記錄，將文本、圖片、視頻等記錄信息通過對話框方式顯示出來，這項(xiàng)功能可以在漫游虛擬流域環(huán)境時(shí)，對實(shí)體信息進(jìn)行直接操作并隨意查詢，如抗旱工作中可以用來查詢水庫的水位以及對應(yīng)的蓄水量、渠道的流量、生產(chǎn)井的地下水位等。查詢界面如圖7所示。

圖7 實(shí)體屬性信息查詢

圖8 文字標(biāo)注

4.4 文字動(dòng)態(tài)標(biāo)注文字標(biāo)注是三維場景的多維可視化表達(dá)方法之一。它將數(shù)據(jù)文字經(jīng)過圖形處理后放置在對應(yīng)的空間位置，然后通過圖形變換投影送到屏幕上顯示。在程序運(yùn)行中，這些數(shù)據(jù)在后臺數(shù)據(jù)庫支持下能夠?qū)崟r(shí)更新變化，且隨著視點(diǎn)變化移動(dòng)屏幕上的顯示位置，并變換字體朝向，隨時(shí)面向觀察者，但字體空間位置保持不變，還能根據(jù)距離視點(diǎn)遠(yuǎn)近呈現(xiàn)字體大小變化，符合人類觀察世界的習(xí)慣。如在氣象水文站上處標(biāo)上氣象水文站名稱和實(shí)時(shí)獲取的氣象水文數(shù)據(jù)；在水系和湖泊所在位置標(biāo)注其名稱，就能達(dá)到認(rèn)知世界的目的。圖8為在瑪納斯湖位置處標(biāo)注的“瑪納斯湖”的名稱。

4.5 多媒體仿真數(shù)字仿真系統(tǒng)是各種數(shù)據(jù)源信息的綜合體，其中音頻信息表達(dá)是仿真系統(tǒng)功能的有效補(bǔ)充與提升。在抗旱系統(tǒng)中，三維場景的可視化漫游能夠使觀察者直觀地了解所在區(qū)域的干旱情況，但是如何發(fā)揮群眾的參與得需要依賴決策者的正確的抉擇以及信息的及時(shí)傳送。以往僅靠簡單的文本上傳下達(dá)只能使具有專業(yè)背景知識的能夠理解上級的指示，再傳達(dá)給人民群眾已經(jīng)延誤了很長時(shí)間，而數(shù)字仿真系統(tǒng)能夠匯聚各種信息并直觀表現(xiàn)，同時(shí)通過決策者的認(rèn)真布置和講解，可以使人民群眾快速的理解，并迅速投入到抗旱的主戰(zhàn)場。系統(tǒng)提供了音頻播放功能，如圖9所示。

4.6 干旱指數(shù)計(jì)算為提供旱情定量分析與監(jiān)測結(jié)果，數(shù)字仿真系統(tǒng)建立了氣象、水文、農(nóng)業(yè)和生態(tài)干旱四類干旱指數(shù)的計(jì)算模型。氣象干旱指數(shù)計(jì)算包括降水量、降水距平值、干燥度、標(biāo)準(zhǔn)化降水SPI、Z指數(shù)、Thornthaite指數(shù)。水文干旱指數(shù)計(jì)算包括徑流量、徑流距平、水資源量、河道水位。農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)計(jì)算包括土壤相對濕度、土壤水分虧缺率、作物水分指數(shù)CMI、作物缺水指數(shù)、水分虧缺。生態(tài)干旱指數(shù)計(jì)算包括地下水位、植被歸一化指數(shù)NDVI。綜合指數(shù)是對以上每一類干旱指數(shù)分別進(jìn)行綜合，得出該類的綜合指數(shù)，包括帕爾默指數(shù)、綜合旱澇指標(biāo)CI。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過綜合分計(jì)算得到綜合指數(shù)，反映研究區(qū)域干旱現(xiàn)狀和主要特點(diǎn)，用作最終的旱情分析和災(zāi)害評估。干旱指數(shù)計(jì)算界面見圖10。

圖9 音頻播放功能對話框

圖10 流域干旱指數(shù)計(jì)算界面

4.7 干旱演化參數(shù)的圖形表達(dá)圖形是表現(xiàn)數(shù)據(jù)的一種有效方式，通過將數(shù)據(jù)可視化，可以簡潔直觀地向公眾顯示特定信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析。根據(jù)前文所述，仿真數(shù)據(jù)庫以離散方式存儲有時(shí)空屬性的數(shù)據(jù)信息，若要獲取某個(gè)特定位置的數(shù)據(jù)信息的演變狀況，或選擇幾個(gè)位置比較不同時(shí)間相的屬性值，就可以采用圖形方式將屬性值隨時(shí)間推進(jìn)而變化的趨勢表現(xiàn)出來，使公眾一目了然。常采用圖形表達(dá)方式有曲線型、柱狀圖和面積圖等，如圖11、圖12和圖13所示。

圖11 降水量變化曲線圖

圖13 降水量柱狀圖

圖12 降水量變化面積圖

圖14 空間插值工具界面

4.8 干旱數(shù)據(jù)空間插值干旱演化模擬與評估中涉及到的很多屬性數(shù)據(jù)是水文氣象站的觀測數(shù)據(jù)，或者是采用分布式水文模型計(jì)算的計(jì)算單元的數(shù)據(jù)，這些離散存儲形式無法反映數(shù)據(jù)在空間保持連續(xù)的研究區(qū)域上的分布狀況，因此可以利用空間插值方法將這些離散數(shù)據(jù)“平鋪”到整個(gè)研究區(qū)域，直觀展現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間連續(xù)分布。系統(tǒng)提供了克里金和距離反比平方兩種常用的插值方法，如圖14所示，詳細(xì)的算法和計(jì)算步驟見文獻(xiàn)［8］。

4.9 干旱演化時(shí)空動(dòng)態(tài)可視化數(shù)字仿真系統(tǒng)能夠?qū)⒘饔虻牡匦蔚孛?、社會人文和?jīng)濟(jì)等信息展現(xiàn)給決策者，能夠與各種信息交互式三維可視化，同時(shí)提供了與干旱演化時(shí)空數(shù)據(jù)交互的接口。將計(jì)算過程及計(jì)算結(jié)果或者測量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形及圖像形象、直觀地顯示出來，把許多抽象、難于理解的原理和規(guī)律變得容易理解，冗繁的數(shù)據(jù)變得生動(dòng)有趣，其目的在于維持信息完整性的同時(shí)，把信息變換成適合人類視覺系統(tǒng)理解的方式，其基本流程包括數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)的精煉和處理、可視化映射、繪制及顯示［9］。OpenGVS利用“圖形回調(diào)”實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可視化效果，具體實(shí)現(xiàn)流程如下［10］：由于干旱演化數(shù)據(jù)大部分是二維標(biāo)量，空間位置坐標(biāo)不變，而任一點(diǎn)的屬性信息可能會發(fā)生變化。數(shù)據(jù)場分布隨著時(shí)間的推進(jìn)而發(fā)生變化的，每循環(huán)一幀，屬性值就會變化一次，以屬性值為參數(shù)的繪制函數(shù)所繪制的干旱演化數(shù)據(jù)時(shí)空分布圖形會重畫一次，伴隨著屏幕的更新，干旱演化數(shù)據(jù)各個(gè)時(shí)刻的空間分布狀態(tài)就可以展現(xiàn)在三維場景中。屬性值可視化是通過顏色映射方式表現(xiàn)的。首先，設(shè)置分級或連續(xù)的顏色條帶；其次，在系統(tǒng)初始化過程中找出所有節(jié)點(diǎn)中相同屬性的最大最小值，并設(shè)置其所對應(yīng)的顏色值或者透明度值，并線性插值得出所有節(jié)點(diǎn)的顏色值和透明度值；最后通過節(jié)點(diǎn)位置、透明度和顏色值繪制三角形圖元。具體效果見文獻(xiàn)［8］。

5 結(jié)論

本文初步提出了數(shù)字仿真系統(tǒng)“四層”體系架構(gòu)，構(gòu)建了瑪納斯流域干旱演化與評估數(shù)字仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在生成的瑪納斯流域虛擬環(huán)境中進(jìn)行多模式控制漫游，同時(shí)能夠交互地進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)查詢與顯示、實(shí)體信息查詢與顯示、文字動(dòng)態(tài)標(biāo)注、多媒體仿真等，還實(shí)現(xiàn)了干旱指數(shù)計(jì)算、干旱演化參數(shù)的圖形表達(dá)、干旱數(shù)據(jù)空間插值、干旱演化時(shí)空動(dòng)態(tài)可視化等專業(yè)功能，為流域抗旱工作提供了輔助決策支持平臺和工具。研發(fā)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與專業(yè)理論方法的有效融合，能夠提高瑪納斯河流域防災(zāi)減災(zāi)的信息化水平，同時(shí)系統(tǒng)建設(shè)中關(guān)鍵技術(shù)和仿真方法可以為其他流域抗旱管理提供借鑒與支持。

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［ 9］ 冶運(yùn)濤，王興奎，蔣云鐘，等.虛擬環(huán)境中基于多叉樹的降雨時(shí)空分布等值線填充算法研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2011，30（5）：125-131.

［10］ 冶運(yùn)濤，王興奎，蔣云鐘，等.虛擬環(huán)境中水文數(shù)據(jù)時(shí)空展布和三維等值線生成算法研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，19（3）：416-428.

Development of the digital simulation system of drought evolution simulation and assessment in a basin

YE Yuntao1，LIANG Lili1，CAO Yin1，2，ZHAO Hongli1，JIANG Yunzhong1
（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；）

Taking the Manasi Lake River Basin as an example，a digital simulation system Platform of Drought Evolution Simulation and Assessment in a basin was developed.The key techniques used in the system developmentincluded multi-sourcedatamanagement，droughtevolution simulation and assessment and information intuitive expression.The system not only provided the basic functions，e.g.，multi-mode roaming control，spatial-temporal data query and display，water infrastructure information query and display，dynamic text annotation，and multimedia simulation，but also coved professional functions，e.g.，drought in?dex calculation，graphics expression of drought evolution parameters，spatial data interpolation，and dynam?ic visualization of drought evolution process.

digital basin；virtual reality；drought evolution；simulation and assessment

TV213

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.01.007

1672-3031（2015）01-0039-09

（責(zé)任編輯：王學(xué)鳳）

2014-08-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51309254，51209223）；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題（2013BAB05B01）；中國水科院科研專項(xiàng)（資基本科研1401）；高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)（08-Y30B07-9001-13/15-01）

冶運(yùn)濤（1983-），男，河南許昌人，博士，高級工程師，主要從事數(shù)字流域、流域水循環(huán)模擬與水資源調(diào)度研究。E-mail：yeyuntao@iwhr.com

梁犁麗（1982-），女，河南許昌人，博士，工程師，主要從事水文預(yù)報(bào)與調(diào)度、生態(tài)水文過程研究。E-mail：liangli0921@163.com