1、研究背景
洪水災(zāi)害既是一種造成災(zāi)害的自然現(xiàn)象，又是保持自然生態(tài)平衡所不可少的生態(tài)過程。近年來，水利科學(xué)研究、工程運用乃至社會各界都在從不同角度探討利用現(xiàn)代高新技術(shù)及時、準(zhǔn)確地預(yù)報洪水演進過程。隨著信息數(shù)字化技術(shù)研究的深入，洪水演進的推算必須上升到模擬仿真的高度，才能為洪水事件發(fā)生的時間、地點、范圍和強度提供快速、準(zhǔn)確和直觀有效的預(yù)報手段。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對洪水?dāng)?shù)值模擬及可視化方法進行了深入研究，通過技術(shù)手段對洪水過程進行模擬和可視化，將其轉(zhuǎn)化為受眾面廣的直觀形態(tài)，對洪水淹沒的災(zāi)害評估與應(yīng)急決策管理具有重要的意義。
在洪水的數(shù)值模擬方面，丹麥水力研究所開發(fā)的MIKE系列軟件提供了河網(wǎng)、河口和地表水體等的水動力學(xué)模型，為洪水的數(shù)值計算提供了基礎(chǔ)性工具，大量研究者使用該軟件針對特定區(qū)域開展了應(yīng)用。運用MIKE11模型分析閘壩式電站潰壩洪水過程;應(yīng)用MIKE21模型對月亮泡蓄滯洪區(qū)的洪水?dāng)U散情況進行模擬;綜合應(yīng)用MIKE FLOOD模塊模擬城區(qū)潰壩后的洪水淹沒情況。
在洪水過程的可視化方面，由于傳統(tǒng)的統(tǒng)計表格和過程曲線等方式難以直觀描述洪水的空間演進過程，研究者逐步將GIS可視化技術(shù)應(yīng)用到洪水過程表達(dá)中，為洪水演進模擬的研究提供多源地表空間信息的綜合分析和解釋。受制于GIS可視化技術(shù)的發(fā)展，早期的研究者主要使用二維平臺對淹沒格網(wǎng)進行設(shè)色和模擬。隨著圖形學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一系列可視化工具和類庫，為三維可視化提供了基礎(chǔ)。運用OpenGL對三維河網(wǎng)的流場和溫度場進行了可視化;使用DirectX 9.0對大區(qū)域河道進行建模并進行河流水的仿真;使用三維GIS軟件對數(shù)字航道及其周邊要素進行建模和模擬。
已有的數(shù)值模擬方法和可視化技術(shù)為洪水演進模擬提供了有效的輔助手段，但借助開源可視化類庫對MIKE FLOOD模型計算成果進行靈活多樣的可視化研究較少，且大多數(shù)二維洪水風(fēng)險圖使用分級設(shè)色對淹沒范圍和風(fēng)險程度進行總體描述，缺乏對淹沒區(qū)域細(xì)節(jié)的認(rèn)知，無法動態(tài)反映發(fā)生潰口等險情時的洪水?dāng)U散過程。
鑒于此，本文研究了洪水風(fēng)險的表達(dá)手段及其在3DGIS場景中的融合和表達(dá)方法，并以雄安新區(qū)的南拒馬河右岸為研究對象，基于MIKE模型計算潰壩后的洪水過程，應(yīng)用3DGIS技術(shù)在真三維環(huán)境下進行洪水過程的動態(tài)推演分析。
2、基于MIKE模型的洪水風(fēng)險計算
2.1 MIKE模型理論基礎(chǔ)
MIKE系列軟件是丹麥水力研究所開發(fā)的用于河流、灌溉系統(tǒng)等的水流、水質(zhì)、泥沙分析模擬專業(yè)軟件，該模型可以靈活地建立各類復(fù)雜的河網(wǎng)模型。該軟件的適用范圍從一維到三維，從水動力到水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)，從流域大范圍水資源評估和管理的MIKEBASIN，到地下水和地表水聯(lián)合的MIKESHE。從一維河網(wǎng)的MIKE11、二維河口和地表水體的MIKE21、近海的沿岸流LITPACK，直到深海的三維MIKE3。
在洪水過程的計算中，常使用MIKE11和MIKE21模塊，其中MIKE11數(shù)學(xué)模型軟件包由水動力、對流一擴散、水質(zhì)、降雨一徑流、洪水預(yù)報等模塊組成，核心模塊為水動力模塊，采用的是6點Abbott-Ionescu有限差分格式，對圣·維南方程組求解;MIKE21屬于平面二維自由表面流模型，采用非正交曲線網(wǎng)格，忽略了垂向水流加速度，以垂向平均的水流因素為研究對象，模擬計算海洋、湖泊、河道、蓄滯洪區(qū)的流場、流速、水位的變化。該模型目前在國內(nèi)諸多大型工程中得到廣泛應(yīng)用，采用較為成熟的二維紊流雷諾平均應(yīng)力模型方程結(jié)合自由表面模擬技術(shù)進行。
2.2 MIKE模型藕合計算思路
為綜合表達(dá)河道和淹沒區(qū)域的演進過程，在實際應(yīng)用中，往往需要綜合考慮一維河網(wǎng)模型和二維區(qū)域模型，將MIKE11模型和MIKE21模型的水動力模塊藕合使用，建立一維、二維嵌套的非恒定流洪水演進數(shù)學(xué)模型。
因此，本文采用MIKE11和MIKE21模型的藕合方法。在模型中，流域內(nèi)水流運動概化為河道、蓄滯洪區(qū)及其之間的聯(lián)系3部分。河道水流采用一維非恒定方法模擬，建立河網(wǎng)模型;蓄滯洪區(qū)及保護區(qū)概化為二維區(qū)域進行模擬;對于河系中控制水流運動的堰、閘、蓄滯洪區(qū)口門等概化為聯(lián)系，聯(lián)系的過流能力滿足水力學(xué)上的堰流公式。
洪水分析建模時，使用側(cè)向連接，使得河道水流從一維河道經(jīng)過側(cè)向連接進入了二維區(qū)域。MIKE11用于一維河道內(nèi)洪水演進過程的模擬，使用MIKE11模擬河道洪水演進過程，得到河道各斷面處的水位、流量過程;MIKE21模型用于二維平面區(qū)域內(nèi)的水力學(xué)計算，主要用于計算洪水淹沒過程及流場、流速、洪水到達(dá)時間、淹沒歷時、洪峰到達(dá)時間等。
2.3 MIKE模型格網(wǎng)計算與結(jié)果處理
計算建模過程中，對區(qū)域的剖分形式采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格。為了較準(zhǔn)確地模擬洪瀝水的演進過程，對于規(guī)則網(wǎng)格，邊長采用300 m，重要地區(qū)、地形變化較大部分的計算網(wǎng)格要適當(dāng)加密，邊長為100 m。剖分后的實驗區(qū)進行洪水分析建模時，使用側(cè)向連接，使得河道水流從一維河道經(jīng)過側(cè)向連接進入了二維區(qū)域。
為滿足洪水過程展示的需求，還需要對MIKE格網(wǎng)耦合計算的結(jié)果進行格式化處理。下表1給出了計算得出的隨時間變化的格網(wǎng)水深結(jié)果格式化序列，在某一特定時刻，通過{網(wǎng)格ID，水深(m);......;網(wǎng)格ID，水深(m)}序列的形式描述當(dāng)前格網(wǎng)的變化值。通過該序列的格式化，可以更加方便地得出任意t時刻中，相較于上一時刻，t-1的網(wǎng)格變化情況，滿足對局部水深值進行更新的需要。
3、基于3DGIS的洪水過程推演
3.1 3DGIS依托技術(shù)選型
隨著GIS特別是三維GIS的快速發(fā)展，市場上出現(xiàn)了大量商業(yè)3DGIS平臺，但由于接口限制，難以靈活對洪水過程進行表達(dá)。因此，本文擬選用開源圖形(OpenSceneGraph, OSG)開發(fā)包進行洪水過程動態(tài)推演的設(shè)計與開發(fā)。OSG主要面向飛行器仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實、科學(xué)計算可視化等高性能圖形應(yīng)用，它基于場景圖的概念，提供一個在 OpenGL之上的面向?qū)ο罂蚣?，把開發(fā)者從實現(xiàn)和優(yōu)化底層圖形的調(diào)用中解脫出來，并為圖形應(yīng)用程序的快速開發(fā)提供了很多附加的實用工具。
OSG繪制圖形的基本單元是點、線和多邊形，但對于地形地貌的表達(dá)，其提供了三維地形生成插件Virtual Planet Builder，可以將數(shù)字地形和數(shù)字正射影像融合，在繪制地形時將灰度圖上的灰度信息插值轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵖臻g的三維地理坐標(biāo)。在三維地形渲染時，相鄰的3個點組成三角形，再將所有的三角形聯(lián)接成網(wǎng)狀，形成反映高低起伏變化的地形三角網(wǎng)，從而為洪水過程模擬和分析過程提供了詳實的地形依據(jù)。
3.2洪水風(fēng)險成果的三維表示方法
對于MIKE模型使用的洪水計算格網(wǎng)，將其轉(zhuǎn)換為Shapefile形文件并進一步讀取空間信息，構(gòu)建OSG支持的三角形對象加入到三維場景中，然后對其中的每一個格網(wǎng)進行編號，關(guān)聯(lián)到洪水計算的淹沒成果表。完成了格網(wǎng)數(shù)據(jù)的構(gòu)建和屬性關(guān)聯(lián)后，在三維場景中可以設(shè)置時間軸，對每一個時刻，根據(jù)格網(wǎng)的淹沒水深值對三角格網(wǎng)的顏色和相對高程進行動態(tài)更新，并對相鄰格網(wǎng)進行平滑過渡處理，從而實現(xiàn)洪水過程的三維動態(tài)推演。
為進一步提升場景的視覺效果，還可以通過設(shè)置環(huán)境光、鏡面反射光和漫反射光，增加地形明暗效果、光滑以及反混淆處理，為場景精化顏色材質(zhì)和紋理貼圖，加入天空、白云、霧效等來更真實地模擬自然世界。
3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與開發(fā)
基于上述地形構(gòu)建和洪水模擬推演方法，本文試驗使用Visual Studio 2015開發(fā)環(huán)境基于Open-SceneGraph 3.4.0進行洪水三維動態(tài)推演功能的開發(fā)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和推演應(yīng)用層3個部分，如下圖所示。
數(shù)據(jù)層將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分開存儲，將推演過程數(shù)據(jù)、淹沒損失數(shù)據(jù)、潰口情況數(shù)據(jù)存儲在MySQL屬性數(shù)據(jù)庫中，將三維地形、傾斜攝影、專題矢量數(shù)據(jù)等存儲在PostgreSQL擴展PostGIS的空間數(shù)據(jù)庫中;服務(wù)層一方面構(gòu)建數(shù)據(jù)和地圖服務(wù)，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)和地圖訪問接口，另一方面提供淹沒過程的數(shù)據(jù)解算、格網(wǎng)信息動態(tài)構(gòu)建等算法服務(wù)，為應(yīng)用層提供可供可視化仿真的結(jié)果;推演應(yīng)用層除了提供數(shù)據(jù)漫游、數(shù)據(jù)查詢定位、空間量算等三維GIS基礎(chǔ)功能外，重點解決洪水過程推演涉及的方案選擇、潰口標(biāo)識、損失統(tǒng)計、動態(tài)淹沒和設(shè)色等功能。
開發(fā)形成的系統(tǒng)界面如下圖所示。其中上方工具條為洪水淹沒推演、最終結(jié)果、淹沒損失等功能入口;左側(cè)區(qū)域為試驗區(qū)的水系、交通、標(biāo)注等矢量數(shù)據(jù)及高精度傾斜攝影數(shù)據(jù)的控制列表;中間主視圖則是試驗區(qū)的三維操作和洪水推演功能展示窗口。后文將對試驗區(qū)的淹沒過程在系統(tǒng)中進行模擬和分析。
4、試驗與分析
4.1試驗區(qū)建模與計算
本文選取雄安新區(qū)內(nèi)的主要河流南拒馬河，以其右岸作為試驗區(qū)，模型計算范圍由京廣鐵路、南拒馬河右堤，白溝引河右堤、白洋淀新安北堤、障水埝及瀑河堤防圍成，中心位置為東經(jīng)115°50'，北緯39°25'，模型計算區(qū)南北長34.2 km，東西長35.1 km,計算面積678 km2 。
本次剖分采用近期的1:10 000地形圖，剖分形式采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格。在MIKE中網(wǎng)格的剖分結(jié)果如下圖所示，共有13 757個網(wǎng)格單元。對剖分后的試驗區(qū)進行洪水分析建模時，使用了側(cè)向連接，使得河道水流從一維河道經(jīng)過側(cè)向連接進入了二維區(qū)域。
試驗以20 a一遇洪水產(chǎn)生條件為例，模擬潰口發(fā)生，采用MIKE11模型和MIKE21模型進行耦合計算后，得出了在共計780 h時間區(qū)間內(nèi)的網(wǎng)格水深變化情況。為了直觀反映最終的淹沒結(jié)果，從計算出的網(wǎng)格水深變化結(jié)果中抽取出了每個網(wǎng)格最終的水深值，使用ZTMAPGIS制作了淹沒水深二維結(jié)果，如下圖所示，圖中網(wǎng)格的藍(lán)色越深表示該網(wǎng)格淹沒水深值更大。后續(xù)部分將采用基于3DGIS的三維場景對淹沒過程進行動態(tài)推演表達(dá)。
4.2三維動態(tài)推演分析
雄安新區(qū)南拒馬河右岸的洪水三維動態(tài)推演過程如下圖所示，點擊推演功能后彈出的控制框可以進行淹沒區(qū)域、方案、顏色以及模擬步長的選擇。
本次推演根據(jù)淹沒計算情況，將推演過程的淹沒水深按照{0,0.5,1.0,2.0,3.0}區(qū)間設(shè)置為6個不同的等級，其中淹沒水深值≤0的設(shè)置為透明，其他水深值則根據(jù)深度相對三維地形進行三角網(wǎng)格的抬升，并根據(jù)值的大小進行著色，值越大顏色越深。
下圖的（a）,（b），（c），（d）分別對應(yīng)不同時刻的推演中間結(jié)果，并從不同角度來描述此次推演過程。（a）顯示了在t=60 h時刻，洪水剛開始從潰口處向外蔓延;（b）顯示了在t=120 h時刻，主要居民區(qū)暫時還未受到洪水過程的影響;（c）顯示了在t=180 h時刻，將地形透明后更加清楚地看到淹沒范圍逐漸擴大;（d）和（b）從同一視角顯示了t=240 h時主要居民區(qū)的建筑物受洪水影響的淹沒情況。
將下圖的三維動態(tài)推演結(jié)果與上圖的二維洪水風(fēng)險圖成果比較發(fā)現(xiàn)，3DGIS支持下的洪水風(fēng)險三維動態(tài)推演方法可以在宏觀、中觀和微觀多個尺度對淹沒過程進行模擬和表達(dá)，滿足不同研判人員對洪水災(zāi)情過程的需求。
5、結(jié)語
本文總結(jié)了洪水風(fēng)險的現(xiàn)有表達(dá)手段，研究了洪水過程在3DGIS場景中的融合和表達(dá)方法，形成了一套可用于洪水風(fēng)險三維動態(tài)推演的程序框架。以雄安新區(qū)內(nèi)的主要河流南拒馬河右岸為例，基于MIKE11和MIKE21模型計算潰壩后的洪水過程，應(yīng)用OSG技術(shù)為基礎(chǔ)搭建三維GIS環(huán)境，并通過洪水計算得出的網(wǎng)格淹沒水深變化情況，對三角網(wǎng)格的著色和高度變化進行動態(tài)表達(dá)，直觀反映潰口發(fā)生后的洪水過程。為了進一步提高對洪水推演過程中受影響的建筑、農(nóng)田等細(xì)節(jié)變化的認(rèn)知，本文將試驗區(qū)高精度傾斜攝影數(shù)據(jù)集成到三維場景中，通過洪水推演過程中淹沒面在三維場景中的高度變化，更加直觀高效地反映洪水動態(tài)過程和淹沒損失情況。
本文的洪水過程三維動態(tài)推演方法可為洪水風(fēng)險分析和決策提供輔助支持，后續(xù)進一步在三維GIS平臺上進行淹沒損失動態(tài)計算、應(yīng)急避險轉(zhuǎn)移等應(yīng)用研究，充分發(fā)揮三維GIS與洪水計算成果結(jié)合的優(yōu)勢和擴展性。
原文來自：http://www.nutritioncertificationboard.com/blog/index.php/article/191.html