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摘要：仿真平台建立的目标是为了更加方便快捷地管理事务，得到科学的结论，包括各类信息的统计分析和各种规律的模拟计算，最终做出合理的决策。本文阐述了防洪数字仿真平台的总体框架及关键技术。
关键词：三维仿真平台；总体框架；关键技术
随着虚拟仿真技术的不断发展，流域信息管理也逐步向虚拟仿真化、专业化、综合化方面发展，以虚拟仿真技术为基础的三维虚拟仿真平台，将多种技术集于一体，结合专业数学模型，为流域的治理开发提供三维可视化决策支持环境。
一、防洪数字仿真平台总体框架
基于虚拟现实技术的防洪数字仿真平台构建分数据层、工具层和应用层三个层次,系统的数据流通过综合数据库存储与中转,将洪水预报相关的各种数据源存储到综合数据库中,通过中间件技术实现防洪数学模型与数据库之间的读写功能,三维数字仿真平台读取数据库中的基础信息和数学模型计算结果进行综合分析决策。
三维仿真平台担负着信息集成表现与综合模拟分析任务,在信息集成方面,平台提供直观的地形地物、河流水系、堤防工程等场景三维显示、交互式漫游功能，实现洪水相关数据信息的查询与图形表述功能。在综合模拟显示方面,三维仿真平台根据数学模型计算预报结果,在三维场景下对洪水淹没过程、典型区域流场分布特征、分洪区溃口洪水演进过程进行预演；通过与防洪工程数据和社会经济数据等信息相结合,实现灾害等级划分、损失评估、防洪调度预案模拟等功能。
二、防洪数字仿真平台开发的关键技术
1、开发工具。三维虚拟仿真平台采用TerraVista/MultigenCreator/Oracle/VisualC++2010/OSG作为开发工具，其中，TerraVista软件作为地形建模工具，在处理大范围地形高程数据和遥感影像数据方面优势明显，MultigenCreator软件为地物建模工具，创建的模型可与地形模型实现无缝集成，如堤防、桥梁等，部分精细模型如水位站、水闸等重要水利枢纽则以3DMax软件为工具进行建模。通过空间数据转换、参数设置、矢量赋值修正等步骤生成地形模型文件，并结合地物模型，整合存储为自定义数据格式的三维场景模型。其他站点水雨情数据等属性数据则用Oracle进行管理。整个平台开发环境基于VisualC++2010，三维场景驱动采用OSG和OpenGL共同完成。
2、洪水淹没过程显示。洪水淹没过程模拟是防洪预警、救灾等决策的关键,因此对洪水淹没过程的计算与显示是防洪系统开发的重要内容,各级洪水流量下淹没程度的计算显示对防洪决策至关重要，当前对洪水演进的模拟多采用水文模型或一维水动力学模型。
在已知水位进行洪水淹没分析方法中,GIS软件常用的淹没计算采用固定区域内低于某一水位的栅格面积总和的方式,这种方式在洪水淹没计算中存在两方面的不足:一是河道洪水演进具有水力坡降,不能以某一点水位确定全区域淹没范围；二是水流具有连续性,有大堤阻隔的地方无法通过,因此大堤外围即使地形低于水面,也不能被淹没,不能一概按水位与地形的高低计算淹没面积。
本文采用左右三角形算法解决上述问题,实现洪水淹没状态仿真。首先,洪水沿河道的演进过程通过一维水动力学模型进行计算,沿程水位可采用模型计算结果沿程线性插值的方法获得,不同位置计算淹没时采用当地水位高程,避免固定水位造成的误差。其次,洪水淹没范围的判断主要解决洪水连通域的问题,只有与河道连通的部分才是真正能被水淹没的,其他地方虽低于水面,但被高地阻隔,并不能被淹没。
连通域的判断包括建立区域网格和按网格拓扑关系搜索两部分。首先将整个计算区域划分网格,根据该区域地形高程点,进行Delaunay三角网构建；之后建立这些模拟三角网的拓扑关系,包括点、线、面的编号和组成关系,其中共用同一条边的两个三角形被定义为该边的左右三角形,根据拓扑关系建立搜索过程的先后赋值；通过上述三角网拓扑关系的构造,可得出各三角形的相邻关系,并通过判断边的右三角形是否为空,确定该边是否属于边界,通过这一原则即可完成区域边界搜索功能。洪水淹没面搜索过程中,首先根据实际水位计算得到伪淹没区,之后采用种子蔓延的方式,在真淹没区中选择1三角面作为种子,按边的左右三角形拓扑关系搜索真淹没区,同时将该三角形区域赋值为真淹没区,之后重新搜索真淹没区边界,按边界边继续上述判断,通过上述循环搜索,即可得出与河道相连通的洪水淹没区。这种方法在有效模拟堤防挡水作用的同时,也可对堤防建设效果进行评估。将淹没区域采用OSG进行动态绘制,从而实现半透明效果的洪水淹没区域显示。
3、流场动态模拟。防洪仿真平台不但要了解洪水总体情况,水深和流场分布对防洪措施的制定也颇为重要。仿真平台提供局部河段二维水动力学模型计算模块,同时为增强流场显示的动态性和直观性,将二维流场计算结果进行动态绘制,并与三维场景融合显示。
三维可视化系统中流场模拟有多种方法,本系统采用拉格朗日场方式表现流场,流场显示沿用粒子系统的思想实现,粒子形态采用箭头表示，箭头的长短代表流速大小,箭头指向代表流速方向,流场显示的流程如图1所示。二维水动力学模型的计算结果是流场网格节点上的流速数据,且计算时间步长以分钟计,而流场实时绘制的频率通常是每秒30帧以上,另外表示流场的示踪粒子位置不断运动变化,因此不仅要在时间上进行插值,通过对前后两个计算时刻结果获得流场绘制时刻的数据,而且要根据流场示踪粒子的位置进行空间插值,确定其所在位置处当前时刻的流速。时间插值采用线性插值方法,示踪粒子的空间插值则采用距离倒数法,根据当前时刻网格节点处的流速值求得。因此，流场的动态模拟效果通过示踪粒子的动态运动过程实现。
图1
4、溃堤洪水过程模拟。溃堤洪水的模拟采用水动力学模型进行计算,根据防洪救灾决策和灾害评估的需要,需直观观察洪水演进过程和淹没程度。在防洪数字平台中,由于溃堤洪水的特殊性,其结果模拟显示与普通水流过程有所不同。溃堤洪水过程在水位数据上具有突变性:即前一时刻没水的区域,后一时刻水位突然变化为某一数值,这两个时刻间不能采取常用的插值方式获得中间数据。根据计算模型输出关键时刻点的溃堤水流演进数据,只能按幻灯片方式逐个放映淹没过程,无法表现洪水波连续演进过程。本系统通过以网格三角面为单位的逐步扩散算法,即可实现溃堤洪水淹没过程的平滑模拟仿真。
5、防洪应急方案的定制与显示。防洪应急方案的制定是根据不同洪水灾情采取应急措施的综合,信息量大,且常根据实际情况的变化发生相应调整变化。应急方案定制中的核心技术之一是寻求最佳的救援或撤离路径,目前常用的方法包括Dijkstra算法和A＊算法等最短路径算法。
本文在Dijkstra算法的基础上,加入了不同洪水级别下道路通行情况的判断。首先根据计算的洪水水位值与路网中道路高程进行比较分析,确定出当前洪水状况下路网中道路的可用性；之后再按Dijkstra算法进行最短路径求解,得出经过不同关键点的路径集合；最后根据道路的通过能力和优先级进行综合比较,得出适用于当前防洪状况的最佳救灾路线。
仿真平台中通过数据库管理各种应急方案,在进行防洪会商时,根据不同的洪水标准搜索调用不同方案,将应急方案的文字描述和人员撤离范围与路线、物资运输路线等以图形方式载入三维虚拟场景中,使防洪救灾的范围和线路与地理环境相结合,为防洪应急决策提供直观的信息支持。
三、结语
随着数字化技术的不断发展,建立以计算机技术、地理信息技术、数据库技术和网络通信技术为基础的洪水预警及防洪调度管理信息系统,对洪水过程和防洪调度方案做出及时准确的分析评估,已成为防洪非工程措施的重要组成部分。
参考文献：
[1]李志建.改进A＊算法及其在GIS路径搜索中的应用[J].系统仿真学报,2014.
[2]张尚弘.防洪数字仿真平台总体框架及关键技术研究[J].应用基础与工程科学学报，2015.
[3]王兴奎.数字流域研究平台建设刍议[J].水利学报,2014.
论文作者:杨诺
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/12
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