防汛多尺度預(yù)演可視化技術(shù)研究與應(yīng)用

田茂春 ，楊 躍 ，范光偉 ，賴 杭

（1.水利部粵港澳大灣區(qū)水安全保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510611；2.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州 510611；3.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510611）

0 引言

為提升預(yù)演效果，推進(jìn)數(shù)字孿生流域、防汛“四預(yù)”的建設(shè)，大量學(xué)者開展了研究。朱祖樂[1]使用Three.js 開源庫構(gòu)建三維場景，實(shí)現(xiàn)基于 3D 繪圖協(xié)議WebGL 的內(nèi)澇淹沒過程的三維動態(tài)模擬。趙忠琛[2]運(yùn)用 Unitiy3D 三維模擬驅(qū)動引擎和內(nèi)澇相關(guān)模型，模擬城區(qū)內(nèi)澇發(fā)生和發(fā)展的過程，可自主設(shè)定模型參數(shù)快速生成科學(xué)、逼真的城區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害三維虛擬場景。房曉亮等[3]在三維地形場景的基礎(chǔ)上，集成相關(guān)水文要素，開發(fā)實(shí)現(xiàn)基于三維軟件平臺 Skyline 的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖三維可視化系統(tǒng)。劉昌軍等[4]提出數(shù)字孿生淮河流域智慧防洪試點(diǎn)建設(shè)方案，探索了數(shù)字孿生淮河流域智慧防洪“四預(yù)”新模式。黃艷[5]深入探討了流域數(shù)字孿生的概念與意義，梳理了現(xiàn)階段流域數(shù)字孿生發(fā)展需求。陳月華等[6]應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)展現(xiàn)數(shù)字流場的概念和視覺效果，直觀反映王家壩洪水態(tài)勢及蒙洼蓄洪區(qū)分洪過程。數(shù)字孿生黃河、數(shù)字孿生珠江以構(gòu)建數(shù)字孿生流域，開展智慧化模擬，支撐精準(zhǔn)化決策為實(shí)施路徑，其中數(shù)字孿生技術(shù)是技術(shù)支撐[7-8]。李琛亮[9]在海河流域防洪“四預(yù)”試點(diǎn)中，通過智能感知、三維建模、三維仿真等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字流域和物理流域數(shù)字映射，形成流域調(diào)度的實(shí)時寫真、虛實(shí)互動。

本研究從流域洪水防御角度出發(fā)，對流域、河段、城鎮(zhèn)/水工程等宏觀微觀相互結(jié)合下的防汛多尺度可視化場景相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，以改善當(dāng)前流域防汛預(yù)演的效果。

1 技術(shù)路線

防汛多尺度預(yù)演以流域一張圖為數(shù)據(jù)支撐，對流域水系、河湖、水庫及地形等進(jìn)行三維可視化渲染，建立全流域數(shù)字化場景；運(yùn)用 WebGL 和 LOD （多層次細(xì)節(jié)）等三維技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多尺度信息模型數(shù)據(jù)的大規(guī)模加載與渲染，以 GPU Shader（圖形處理器著色器）技術(shù)作為三維特效渲染手段，對洪水預(yù)報(bào)、調(diào)度模型、洪水淹沒模型等結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真可視化分析，實(shí)現(xiàn)多尺度下的防汛預(yù)演，具體架構(gòu)如圖1 所示。三維可視化平臺為各個應(yīng)用系統(tǒng)提供可視化場景支撐服務(wù)，流域一張圖為三維可視化平臺、應(yīng)用系統(tǒng)層或其他平臺系統(tǒng)提供地圖和模型數(shù)據(jù)服務(wù)，模型管理服務(wù)平臺提供模型計(jì)算、結(jié)果服務(wù)，應(yīng)用系統(tǒng)層包含數(shù)字孿生流域需建設(shè)的“2 +N”應(yīng)用，三維可視化平臺為應(yīng)用系統(tǒng)層提供“四預(yù)”過程的模擬仿真場景。算據(jù)、算法和算力方面的具體分析如下：

圖1 防汛多尺度預(yù)演架構(gòu)圖

1） 算據(jù)。珠江水利委員會（以下簡稱珠江委）經(jīng)過多年的建設(shè)，形成了包含雨水情感知、空間遙感影像、重點(diǎn)防洪城鎮(zhèn)三維模型、重點(diǎn)水工程 BIM 等數(shù)據(jù)的 L1，L2，L3 級數(shù)據(jù)底板，本研究將利用底板數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化場景建設(shè)。

2） 算法。從防汛角度出發(fā)，通過模型管理服務(wù)平臺對現(xiàn)有的新安江、馬斯京根、庫群聯(lián)合調(diào)度、洪水淹沒模擬等水利模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化集成和統(tǒng)一管理，為防汛提供高效、準(zhǔn)確的算法支撐。

3） 算力。利用珠江委現(xiàn)有的私有化云平臺進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)、可視化平臺、模型管理服務(wù)平臺集群化部署，針對洪水淹沒模型對計(jì)算資源的要求，補(bǔ)充擴(kuò)展GPU 高性能工作站，達(dá)到快速、安全、可靠的算力水平。

言語就擱在那兒進(jìn)行不下去了。馮一余尷尬地蹭了一會兒，又說，其實(shí)，其實(shí)這也不能算是雇用什么的，其實(shí)這也是互相幫助嘛。老人互相看看，沒有再搭理他。其中一個說，差不多了，回家煮晚飯了。一個個都站了起來，走了，把馮一余一個人扔在那里。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 GPU Shader 技術(shù)

計(jì)算機(jī)圖形的渲染從數(shù)據(jù)形式到屏幕上的渲染結(jié)果需要在 GPU 上進(jìn)行一系列流水線操作，流程圖如圖2 所示。圖中虛線表示可在渲染管線自定義的流程，實(shí)線表示不可干預(yù)的流程。同時，顯卡廠商提供了靈活的頂點(diǎn)及片元 2 種著色器，基于著色器，可對各種圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)處理，編程實(shí)現(xiàn)各種酷炫效果的渲染。防汛多尺度預(yù)演可視化效果基于著色器進(jìn)行建設(shè)。

圖2 GPU 渲染管線流程圖

2.2 基于 GPU Shader + GIS 的流域洪水傳播可視化技術(shù)

利用 GPU Shader 和 GIS 等技術(shù)，結(jié)合洪水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，在地圖的河流水系矢量上疊加不同線寬和顏色代表不同洪水，利用線寬直觀反映洪水量級，實(shí)現(xiàn)流域級洪水傳播的預(yù)演，從整個流域場景上直觀、動態(tài)地展示各個河段洪峰的出現(xiàn)和傳播過程。結(jié)合各河道控制點(diǎn)的警戒水位、堤防防洪等級等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，判斷洪水傳播過程中通過某一河段或者某一測站的來水是否超警，根據(jù)超警等級用紅黃藍(lán)等不同顏色渲染相應(yīng)河段，直觀反映每個河段的危險(xiǎn)程度。

2.3 淹沒模擬分析技術(shù)

接入洪水演進(jìn)方案水動力模型計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用三維技術(shù)，進(jìn)行洪水淹沒效果演示，結(jié)合土地利用類型、人口分布等防災(zāi)底板數(shù)據(jù)，對洪水計(jì)算淹沒范圍內(nèi)的淹沒人口、耕地等進(jìn)行社會經(jīng)濟(jì)損失統(tǒng)計(jì)。疊加災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)，在淹沒區(qū)同步進(jìn)行避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移方案的分析展示，避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移方案包括淹沒范圍內(nèi)需轉(zhuǎn)移人口數(shù)量、安置點(diǎn)位置、轉(zhuǎn)移路徑等內(nèi)容。

2.4 基于 BIM + GIS 的仿真場景構(gòu)建技術(shù)

基于流域三維數(shù)字化場景，結(jié)合傾斜攝影模型，直觀展示城鎮(zhèn)街道建筑，搭建區(qū)域基礎(chǔ)仿真場景；根據(jù)數(shù)字孿生工程建設(shè)需要，接入數(shù)據(jù)底板中的水閘三維模型數(shù)據(jù)，如 BIM 可視化模型數(shù)據(jù)，對水閘閘門及各部件進(jìn)行單獨(dú)查詢和平移、旋轉(zhuǎn)等控制，結(jié)合模型動畫、粒子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理水利工程的數(shù)字空間映射。

2.5 三維模型分級建模及緩存加載技術(shù)

根據(jù)預(yù)演所涉及的各類要素對模型精度及人機(jī)交互的不同需求，參考數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)底板分級方法，制定三維模型分級建模策略：通過 DEM（數(shù)字高程模型） 拉伸、無人機(jī)傾斜攝影快速構(gòu)建大范圍三維數(shù)字化場景；利用 BIM 模型或手工對象化建模，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)部位輕量化建模，有效改善三維模擬仿真效果并提高建模效率。

為解決網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、三維場景數(shù)據(jù)量大、加載時間長等問題，建立二級緩存自適應(yīng)加載機(jī)制： 利用IndexedDB 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，在瀏覽器端構(gòu)建無上限且永久的本地緩存，實(shí)現(xiàn)大型三維場景數(shù)據(jù)的本地化快速加載；后臺服務(wù)端運(yùn)用分布式文件數(shù)據(jù)庫進(jìn)行三維模型的存儲和管理，提高管理效率及訪問速度。

3 多尺度預(yù)演可視化場景構(gòu)建

基于關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)不同尺度所關(guān)注的洪水特征，建設(shè)流域防汛宏觀、河段防洪中觀、城鎮(zhèn)/水利工程防洪微觀等多尺度可視化場景，實(shí)現(xiàn)洪水傳播、淹沒模擬、水工程調(diào)度等的快速直觀表達(dá)。

3.1 流域防汛宏觀場景

立足流域統(tǒng)一調(diào)度管理，統(tǒng)籌考慮流域上下游、干支流、左右岸、水庫群關(guān)系，動態(tài)分析洪水來源、洪水組成、洪峰傳播、錯峰和水庫攔蓄等過程，初步研判可能出現(xiàn)超警的防洪風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)段和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

流域大尺度的預(yù)演主要關(guān)注全流域洪水演進(jìn)情況，實(shí)現(xiàn)“降雨—產(chǎn)流—匯流”動態(tài)演示，直觀展示重要控制斷面洪水上漲過程，主要展示要素包括：調(diào)度后水庫最高水位、最大出庫流量、削峰率、攔蓄洪量、距防洪高水位庫容，調(diào)度后河道站洪峰流量及變幅、洪水量級，調(diào)度后淹沒區(qū)域減少最大淹沒面積、減少影響市縣及人口。建設(shè)流程分析如下：

1） 建立河流水系可視化拓?fù)潢P(guān)系。首先，根據(jù)重要控制節(jié)點(diǎn)，從流域河流水系矢量中選取關(guān)注的干支流矢量。其次，根據(jù)控制站點(diǎn)、河道的分叉點(diǎn)和匯合點(diǎn)將河流水系矢量分割成不同的河段。然后根據(jù)上下游關(guān)系建立相應(yīng)的拓?fù)潢P(guān)系，即在相應(yīng)的矢量屬性字段中標(biāo)記每個河段及上游河段的編號。通過河段編號建立河段間上下游的拓?fù)潢P(guān)系。最后，將河段上的控制點(diǎn)關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的河段上，建立控制點(diǎn)到河段及河段上下游間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為洪水演進(jìn)的預(yù)演提供展示的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2） 計(jì)算河段洪水渲染所需數(shù)據(jù)。洪水演進(jìn)預(yù)演開始時，接入水情預(yù)報(bào)部門提供的洪水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，根據(jù)每個河段的洪水預(yù)報(bào)及組成，計(jì)算河段洪峰出現(xiàn)、結(jié)束時間，洪峰流量，是否超警戒等數(shù)據(jù)。根據(jù)洪峰流量及超警信息設(shè)置不同的線寬及顏色。

3） 洪水傳播動態(tài)演示。根據(jù)每個河段洪峰的開始和結(jié)束時間及河段的長度，計(jì)算洪峰的傳播速度。在場景渲染時，每幀都要更新河段的渲染狀態(tài)，達(dá)到洪水沿著河道演進(jìn)的效果。同時，通過實(shí)時更新標(biāo)簽的位置實(shí)時標(biāo)記洪峰的位置及流量。

3.2 河段防洪中觀場景

立足區(qū)域防洪管理，協(xié)同重要河段兩岸保護(hù)區(qū)水庫、堤防、閘門、泵站等工程運(yùn)行狀況，分析超保河段和超警站點(diǎn)，預(yù)演漫堤和潰堤洪水淹沒范圍、淹沒歷時、影響分析、社會經(jīng)濟(jì)損失要素指標(biāo)，并進(jìn)行人財(cái)物的避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移分析。

河段防洪場景預(yù)演關(guān)注調(diào)度后的洪水淹沒情況，展示淹沒區(qū)域及漲退水過程，主要展示要素為調(diào)度后的淹沒影響要素變化，包括減少最大淹沒面積、受影響人口等，同時分析受淹沒各縣區(qū)工情、社會經(jīng)濟(jì)等影響情況，實(shí)現(xiàn)洪水淹沒的可視化和數(shù)據(jù)量化，為洪水防御提供更加有力的數(shù)據(jù)支撐。河段中觀洪水模擬效果如圖3 所示。

圖3 河段防洪中觀場景洪水模擬預(yù)演

建設(shè)流程分析如下：

1） 加載洪水淹沒模型網(wǎng)格。將網(wǎng)格轉(zhuǎn)化成WebGL 中可展示的三角網(wǎng)格面，作為后續(xù)淹沒范圍展示的載體。

2） 接入洪水方案計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用 WebGL 和 GPU Shader 等技術(shù)，對網(wǎng)格面進(jìn)行洪水淹沒范圍、水深渲染。洪水演進(jìn)預(yù)演時，從計(jì)算結(jié)果中讀取每個時刻的網(wǎng)格編號及淹沒水深，對相應(yīng)的網(wǎng)格根據(jù)水深賦值不同的顏色，為防止顏色出現(xiàn)斑塊狀，采用 Shader 技術(shù)對顏色進(jìn)行插值處理，使顏色過渡更加自然。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，逐時刻渲染相應(yīng)的淹沒狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整個洪水演進(jìn)過程的動態(tài)展示。

3） 分析不同區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)損失數(shù)據(jù)，進(jìn)行人財(cái)物避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移分析。根據(jù)淹沒范圍，結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)、避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移方案信息，實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)損失的統(tǒng)計(jì)分析及避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移方案的實(shí)時動態(tài)展示。

3.3 城鎮(zhèn)/水利工程防洪微觀場景

城鎮(zhèn)/水利工程防洪微觀服務(wù)場景關(guān)注調(diào)度后漫堤洪水演進(jìn)過程中重要城鎮(zhèn)、堤防、聯(lián)圍的漫堤和淹沒情況，主要展示城區(qū)淹沒過程、各片區(qū)淹沒水深等要素。同時，立足重點(diǎn)調(diào)度水庫工程，結(jié)合庫區(qū)和壩區(qū)工程建筑物的高精度影像、傾斜攝影、BIM 等可視化模型，精細(xì)化預(yù)演庫區(qū)洪水傳播過程，研判庫區(qū)移民人口、耕地、企業(yè)等淹沒風(fēng)險(xiǎn)；通過模擬水庫不同攔蓄條件下的洪水淹沒場景，對下游影響區(qū)超警站點(diǎn)、超保堤段、漫堤河段等風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，預(yù)演效果示例如圖4 所示。

圖4 城鎮(zhèn)防洪微觀場景預(yù)演

建設(shè)流程分析如下：

1） 構(gòu)建城鎮(zhèn)/水利工程小場景。在 L2 級數(shù)據(jù)底板的基礎(chǔ)上，通過加載城鎮(zhèn)傾斜攝影或水庫大壩BIM 等模型，構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)物理環(huán)境一致的數(shù)字場景。

2） 疊加洪水淹沒模擬結(jié)果。在數(shù)字場景的基礎(chǔ)上，結(jié)合方案計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行洪水淹沒模擬。

3） 分析研判淹沒風(fēng)險(xiǎn)及影響。在水庫工程調(diào)度基礎(chǔ)上，通過模擬洪水淹沒區(qū)域，研判城鎮(zhèn)/庫區(qū)人口、耕地、企業(yè)等淹沒風(fēng)險(xiǎn)，同時對下游超警站點(diǎn)、超保堤段、漫堤河段等風(fēng)險(xiǎn)影響進(jìn)行分析。

4）初步實(shí)現(xiàn)水利工程數(shù)字孿生。在水利工程調(diào)度場景上，通過接入閘門啟閉狀態(tài)、水位、發(fā)電廠發(fā)電等實(shí)時檢測信息，驅(qū)動數(shù)字場景進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，對水閘閘門不同開度、泄流進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)對水閘閘門抬升、放水等的可視化渲染和仿真模擬，為閘門調(diào)度提供場景支持，預(yù)演效果示例如圖5 所示。

圖5 水利工程閘門泄洪微觀場景預(yù)演

4 結(jié)果分析

4.1 大規(guī)模三維模型流暢加載分析

本研究采用二級緩存進(jìn)行場景模型加載，前端先從一級緩存 IndexedDB 中查找是否有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如有，則直接從 IndexedDB 中獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行場景構(gòu)建，否則，則從二級緩存分布式文件數(shù)據(jù)庫中獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行緩存保存。一級緩存可有效減少網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，二級緩存可減少服務(wù)端硬盤IO讀取消耗，因此可大幅度提升場景加載速度。當(dāng)場景數(shù)據(jù)完全緩存至客戶端，速度可提升數(shù)倍。

4.2 洪水模擬可視化效果對比分析

根據(jù)不同尺度對洪水要素的表達(dá)要求，達(dá)到不同洪水的可視化效果，圖3 采用傳統(tǒng)三角形顏色著色方式渲染，能比較方便地展現(xiàn)洪水趨勢概況，而圖4 則采用基于 GPU Shader 技術(shù)的洪水可視化技術(shù)，能更加逼真、真實(shí)地展現(xiàn)局部洪水現(xiàn)狀，符合“四預(yù)”高保真建設(shè)要求。

5 結(jié)語

通過三維模型分級建模及緩存加載技術(shù)，可在前端、服務(wù)端減少數(shù)據(jù)請求時間，解決預(yù)演中場景加載慢的問題。根據(jù)不同尺度所關(guān)注的洪水特征不同，構(gòu)建了相應(yīng)的預(yù)演可視化場景，實(shí)現(xiàn)了洪水流量過程、水工程調(diào)度、洪水淹沒等的快速直觀及動態(tài)仿真模擬，相關(guān)技術(shù)在珠江流域進(jìn)行了應(yīng)用，模擬了匯流—產(chǎn)流—調(diào)度—演進(jìn)—淹沒全過程，識別了河、庫、堤、壩、閘等防控風(fēng)險(xiǎn)，研判了防洪薄弱環(huán)節(jié)，相對于當(dāng)前的防汛預(yù)演，效果更好，效率更高，為流域智慧化防汛決策會商提供了支撐。

隨著數(shù)字孿生流域/工程對可視化場景保真度要求的越來越高，結(jié)合當(dāng)前已有的技術(shù)基礎(chǔ)，如何將在其他行業(yè)應(yīng)用比較成熟的孿生技術(shù)引入“四預(yù)”建設(shè)中，進(jìn)一步提升預(yù)演效果，是本課題未來的重點(diǎn)研究方向。