VR-GIS技术在城市“数字防洪”中的应用

1、VR-GIS技术在城市“数字防洪”中的应用第8卷第2期2006年6月地球信息科学GEOINFORMATIONSCIENCEVo1.8.No.2June.2006VRGIS技术在城市数字防洪中的应用江岩,张尚弘,赵登峰(1哈尔滨工程大学船舶一】:程学院,哈尔滨150001;2清华大学水利系,北京100084)摘要:虚拟现实地理信息系统(VRGIS)-门综合虚拟现实和地理信息系统特征的新型技术,以此为基础构建的城市数字防洪系统在防洪决策中发挥了积极的辅助作用.本文以哈尔滨城区段三维数字防洪系统的开发为背景.探讨了VRGIS应用于城市数字防洪的关键技术及其实现方法.包括防洪三维虚拟场景的构建技术.仿

2、真数据库的建立与联合查询,洪水动态模拟等方面的相关技术和实现方法,为数字防洪系统提供基础研究平台.关键词:VRGIS;三维仿真;防洪1引言洪水是威胁人类社会生存与发展的主要自然灾害随着社会经济与工程技术的不断发展进步.人们总在探索新的途径来对抗洪灾.从最开始的消极躲避到后来的修建防洪工程.再到现在的发展非工程措施与工程手段相结合.现阶段,各国都在争相研究防洪决策支持系统以辅助工程调度.发挥防洪工程体系的最大效益.数字防洪系统逐步成为防洪决策的重要工具.城市防洪体系包括堤防工程,抢险物资,防洪通道,疏散道路等,针对这些纷繁复杂的因素进行决策.需要快捷直观的图形分析与模拟系统.当前在水利行业应用技

3、术和功能方面已较为成熟】,但以二维的方式表达实际的三维空间.存在许多自身无法克服的缺陷如当前环境因素越来越受到人们的重视.尤其在城市中修建防洪工程.如何既起到防洪功能.又不影响城市总体规划和景观要求,是防洪体系建设中的重要问题之一.需要在维虚拟场景下才能做出科学合理的模拟研究虚拟现实与地理信息系统的融合,包含两者数据,模型和功能的一体化设计近年来受到学术界和信息业界的广泛关注.城市数字防洪系统作为防洪决策支持系统.涉及多个层面,包括模型库,知识化,规则库,方法库等.本文将VRGIS技术应用于城市数字防洪系统.以哈尔滨市城市防洪虚拟仿真系统的实现过程为例.探讨VRGIS应用于城市数字防洪的关键技

4、术及其实现方法.为数字防洪系统提供基础的研究平台.2系统总体结构设计数字防洪系统为决策服务.需要在计算机屏幕上虚拟出防洪体系的三维场景.并连接防洪设施属性数据库,实时水情工情数据库等提供直观丰富的信息以辅助决策应用虚拟现实地理信息系统技术构建哈尔滨市的三维防汛平台,具体包括:地形地物三维建模,三维可视化,属性数据库和基础空间数据库的连接,数学模型计算及接口设计等.在系统开发中三维地形和地物建模采用MuhiGen公司的建模软件Creator.实体属性数据库选用MySQL,在维视景开发包OpenGVS基础上用VC编程实现交互性模拟与系统集成系统主要由三部分组成:视景数据库创建模块(Scenecre

5、ater),实时视景驱动模块Sceneview)和各应用组件(Component).如图1.本文构建了交互式虚拟防汛系统.在图形工作站,大屏幕投影等硬件设备支持下.实现了哈尔滨主城区场景的计算机三维化.在会商室通过大屏幕就可以看到场景实景情况.并提供相关属性数据的查询和空间位置的定位功能.为防洪提供了直观有效的决策支持.会商室大屏幕显示效果如图2收稿日期:20051011;修回日期:2006一O119.作者简介:江岩(1966一),女,哈尔滨工程大学讲师,主要从事大型数据库及数字流域的理论与技术研究工作.2期汀岩等:VRGIS技术在城市数字防洪中的应用?67?图1系统构成框架Fig.1Cons

6、tructionofsystemframe3防洪虚拟场景的建模图2大屏幕投影式虚拟地理环境Fig.2Virtualenvironmentbasedonbigscreen城市防洪中建筑设施众多.直观的定位观测防洪设施对防洪调度至关重要:同样防洪建筑物的规划设计也需要预先在三维场景下进行模拟比较.以满足城市景观,总体规划布局等各方面的要求.因此采用VRGIS技术构建三维数字防洪系统.首先需要对现实环境进行地形建模和地物建模地形包括哈尔滨城区和主江道.地物包括沿江主要建筑和防洪大堤,建筑物等建模,建模合适与否将直接影响虚拟场景的可视化效果和系统的运行速度.地形建模过程如下:建立数字高程模型DEM(1

7、:10000).经数据格式转换后载入建模软件Creator中;设置地形生成参数,调节用来模拟地形的不规则三角网疏密.并用多重细节(LOD.LevelsofDetails1技术构建不同精度的细节层次.根据人眼观察事物时近处清晰,远处模糊的视觉特点.在虚拟场景中在不同层次问切换:而后把主城区的航空摄影数据载人Creator.匹配到该地区的数字高程模型上作为地形纹理:生成与真实地物场景一致的地形三维模型.图3为以航测图为纹理的太阳岛地形模型地物的建模则根据建筑设计图和实景照片资料.在Creator中手工完成.图4为水上公园建筑的三维实体模型.哈尔滨防洪体系范围很大.各种建筑物众多,要实现大范围场景的

8、逼真显示和实时互动效果,存在模拟的逼真性与计算机硬件的渲染能力之间的矛盾庞大的数据量对硬件提出了很高的要求,如对所有实体都逼真显示.将占用大量系统资源而无法实现实时互动的效果.解决的方法归结于模型的多重细节技术.在虚拟现实大范嗣的场景内,=三维模型的数量很多.但大部分离视点很远.实际观察到的细节比较粗.可以用粗略模型代替,以减少总的计算量和资源占用量.在小范围的场景内,i维模型的数量相对较少.虽要求单体精细显示,但总的计算量不多.这样就协调了视点在不同范围内模型计算量的平衡.多重细节的构造包括单独的维模型的多重细节,连续地形的多重细节及高精度影像贴图的多重细节.哈尔滨地形建模中采用连续地形的多

9、重细节技术和影像的多重细节技术,地物建模中则采用单独模型的多重细节方法4仿真数据库的建立与查询基于VRGIS技术的防洪仿真系统不仪IJ以提供逼真的三维场景显示,而且可以与数据库相关?68?地球信息科学2006钷图3太阳岛地形Fig.3TerrainofTaiyangdao图4水上公园建筑物Fig.4Buildingofpark联.实现各种信息的交互查询与分析,有别于一般的三维动画演示系统.数据库分空间数据库和属性数据库两部分.空问数据库以OpenFlight格式的模型文件存储,属性数据库则采用Oracle,MySQL关系数据库构建系统的实时工情,水情数据存储于Oracle数据库中.系统可连接该

10、数据库实时查询工情,水情信息.并将重要实时数据显示于三维场景相应位置以快速定位.同时系统采用MySQL构建三维实体属性数据库,存储三维实体相关的各种属性信息.以实现基于虚拟场景中各种实体的空间定位.属性查询等功能.数据库工作流程如图5要实现上述空间数据库与属性数据库的关联查询,需要对空间数据库进行编码设计在OpenFlight格式的模型中.实体各部分面和体的组织方式由模型结构树表示.结构树中每个实体组Group为一个单元.因此在建模过程中将Group名称与属性数据库中的关键字一一对应在系统交互中.通过图形学算法获得鼠标所指向的三维实体结构树GrouD的标识名,就可以运用数据库操作技术和SQL语

11、言进行查询分析等各种操作.在三维界面下通过鼠标的选取即可进行实体查询.图6,图7为道外堤和道里堤的查询效果图5防洪动态仿真模拟分析应用虚拟现实系统的特征之一便是交互性.这与普通的动画演示模式不同.具有更大的灵活性和实用性.在城市数字防洪应用中.这一功能将应用于洪2期江岩等:VRGIS技术在城市数字防洪中的应用图5三维场景数据库1二作流程Fig.5Databaseflowchartof3Dscene水调度管理,堤线改线方案论证,险.JJn固,不同洪水水位淹没等方面的模拟仿真.本系统针对松花江哈尔滨主城区段的数学模型计算对水流模拟进行了研究.图6道里堤技术参数查询Fig.6Parameterque

12、ryofDaolidike图7道外堤技术参数查询Fig.7ParameterqueryofDaowaidike?69?数字防洪系统中对水流的模拟分多种情况.如对淹没面积的模拟.对洪水演进过程的模拟.对不同流量级下流场分布的模拟等.针对不同的模拟要求.在三维系统下需采用不同的技术加以实现.流体的动态模拟的实现方式主要包括纹理和贴图技术,粒子系统,分形技术等,各种方法都有其优缺点.需要根据具体情况加以分析运用本系统中采用纹理贴图技术和粒子系统实现不同情况下水流的动态模拟对城区段大面积的动态水域.采用连续调入具有流动感的水流图片来模拟流动.通过循环变换纹理贴图.实现水流的视觉动态效果.另外通过水位的

13、升降实现淹没范围的变化模拟采用纹理贴图技术模拟水流虽然只能实现一般的视觉流动效果,但实现方法简单.对实时系统而言,系统消耗小,比较适宜于对流体模拟要求不高的大面积水域的流动模拟和淹没效果模拟对水上公园过流部分的动态模拟.采用模拟不规则模糊物体的粒子系统来文现即将许多简单的微小粒子作为基本元素来表示不规则物体,这些粒子都赋予一定的生命.在生命期中它们的出生,运动和生长及死亡通过随机过程进行控制本系统在行洪模拟的实现中.将整个公园的每个地方设置成粒子的生成位置.并根据数学模型计算的结果.通过插值计算,对生成的粒子赋予一定的属性.如水流速度,水流角度,扩散角度,粒子受力.生命周期.初始颜色,终了颜色

14、.粒子总数等,通?7O?地球信息科学2006拉过这些参数的合理调整选择.就可以模拟出科学的行洪过程,为决策提供直观科学的依据.图8为哈尔滨水上公园行洪模拟的效果.6结论图8水上公园行洪模拟Fig.8Floodflowsimulationofpark城市数字防洪系统作为防洪决策支持系统.在防洪决策中越来越发挥出积极的辅助作用.而虚拟现实地理信息系统作为新型的多学科交叉技术.有着广阔的应用前景本文将VRGIS技术应用于城市数字防洪体系.构建了哈尔滨市城市防洪虚拟仿真系统探讨了VRGIS应用于城市数字防洪的关键技术及其实现方法.包括防洪三维虚拟场景的构建技术.仿真数据库的建立与联合查询.洪水动态模拟

15、等方面的相关技术和实现方法.为数字防洪系统提供了基础研究平台城市数字防洪系统所包括的内容极其丰富.所要处理的问题通常也非常复杂.本文的研究仅从VR与GIS联合表现的方面进行了系统基础平台构建的研究,要构建完善的数字防洪系统.尚有许多方面需要深入研究,如流域产汇流模型,洪水演进预报模型,工程调度方案,实时监测数据库和系统总体集成平台等方面的研究.这些将是笔者深入研究的方向参考文献龚建华,林珲.地学虚拟环境:概念特征,系统设计及初步实验.中国地理信息系统协会第六届年会论文集f2),2001,208217.2J2FaustNeta1.OpenGLVGIS.In:ProceedingsofSPIE.T

16、heInternationalSocietyforooticalEngineering,1996.31张晶,邬伦.虚拟现实地理信息系统的设计研究.地理学与国土研究.2002,18(2).4管群,刘浩吾.虚拟现实地理信息系统技术研究.四川测绘.2002.25(1).5张尚弘,王兴奎,唐立模,杨文俊.VRGIS技术在数字流域中的应用研究.水利水电技术.2003.34(7):9396.6万刚,陈刚,游雄.虚拟城市中地物几何建模技术的研究.第一届虚拟现实与地理学学术研讨会的研讨论文集.20o3.ApplicationofVR-GISonDigitalFloodControlSystemofCityJI

17、ANGYan,ZHANGShanghong,ZHAODengfeng.(HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China;2DepartmentofHydraulicEngineering,TsinghuaUniversity,Bering100084,China)Abstract:VR-GISisakindofnewtechnologywhichintegratesthecharacteristicsofvirtualrealitywithGIS.DigitalfloodcontrolsystemofcitybasedonVR-GISisplayinganimportantroleindecisionmaking.Inlightofthe3D-systemdevelopmentoff