来源：第三维度    作者：王浩,俞科慧    单位：浙江省水文局        浙江水利水电工程审价中心
    摘 要：基于河道洪水模拟与预报的三维仿真是了解当前和未来洪水运动过程和洪水风险程度的重要手段，采用 TOPKAPI 分布式水文模型和水力学河道洪水演进方法预报沿程各断面水位过程，综合运用 RS、GIS 技术建立三维地形图，以 Unity3D 为平台搭建三维场景模型，运用广度搜索算法搜索不同水位下的河道边界、三维种子填充算法对洪水淹没区域进行填充，综合模拟洪水运动过程，通过在浙江省钱塘江流域上的应用，验证了系统的可靠性和科学性。
    有效的防汛决策调度，首先依赖于洪水预报的准确性和及时性。国内传统的洪水预报主要体现在单点预报的洪峰出现时间和数值，更具体的有图表格式的过程输出，但是与流域地形、堤岸以及水利工程的关系并不能直观地反映出来，这对决策者的空间分析能力提出了很高的要求。近年来，水文对于防汛决策的支持主要体现在两个方面：一是水文预报技术，逐步从经验或者概念性水文模型的单点预报过程输出向全分布式物理模型和水力学河道洪水演进的全河网密集型输出发展；二是表现形式，随着计算机技术、3G 技术和三维可视化技术的迅速发展，防汛决策支持体系逐渐向基于 3G 技术、三维可视化技术的空间多层次、立体模式发展，实现数字流域和水利空间信息展示从二维到三维的转变。两方面技术的发展，使基于全分布式水文预报模型和水力学河道洪水演进方法的三维防汛决策支持系统的研制成为可能。
    目前，以河道洪水演进为基础的三维仿真技术大都是基于上边界采用实测入流进行的河道洪水演算，如此形成的系统往往局限于洪水的情景再现，如果在此基础上，耦合流域水文模型，使河道洪水演进三维仿真系统具有一定预见期，可以更好地为防汛决策调度提供支持。
    1.1 设计目标和思路
    洪水演进三维仿真系统的设计目标，是要耦合水文专 业 技 术 、计 算 机 网 络 技 术 、3 维 建 模 技 术 、3S（GIS,GPS,RS）技术、空间数据库技术等多种技术，实现实时雨水情、气象预报、洪水预报等信息的多维展示，使洪水预报和演进具有真实的可视化效果，使流域洪水预报对防汛防台风的支持从图表到图像、从静态到动态，推动防汛指挥体系的自动化及信息化进程。因此需要展现的信息包括：（1）洪水在时间、空间上的变化过程；（2）洪水的时空变化和堤防、水利工程的关系；（3）洪水漫堤造成的影响范围；（4）水利工程的调度对于洪水时空变化的影响；（5）气象预报成果对洪水时空变化及可能产生影响的形势分析和展现。围绕这些内容的实现，首先应基于水文水力学模型的计算成果，其次需要综合采用数字流域、三维可视化等技术实现复杂数据在空间上、视觉上的直观展示。
    1.2 系统功能设计
    从展示内容上，实现如下功能 :
    （1）根据高精度数字高程模型（DEM）和遥感数据，结合水域内重要水文和水利设施三维建模，快速生成三维流域景观图；
    （2）根据相关水文数据，能够在三维流域景观图上叠加水体，提供流域中洪水运动的动态三维模拟仿真，演示水位上涨过程及仿真淹没的区域；
    （3）提供水利工程调度所产生的 洪 水 效 果 以 及 可 能 漫 堤 所 影 响 的 区 域 立 体 影 像 ；
    （4）提供流域及洪水演进在空间不同角度和不同方位上的立体仿真，能够自由旋转，让用户从各个角度观察洪水行为及可能淹没的区域；
    （5）显示实时和未来可能达到的洪水状态。系统功能设计如图 1 所示。

图 1 系统功能设计图
    1.3 系统结构设计
    系统架构在 WebGIS 的底层 ArcGIS Server 上，相应的地图操作以 ArcGIS API 为依托。系统采用 3 层体系结构，以数据库为基础，采用中间件和组件技术，实现数据管理、区划成果分析等应用。系统采用 B/S 架构开发，以 B/S 模式实现数据的入库、数据的组织维护、图件与报表的组织生成、数据信息输出等功能。洪水演进三维仿真系统结构如图 2 所示。

图2 洪水演进三维仿真系统结构图
    2 系统开发的主要技术
    2.1 全分布式流域水文模型
    本 文 采 用 TOPKAPI 作 为 流 域 预 报 的 计 算 模 型 。TOPKAPI 是由 Todini 于 1955 年提出的物理降雨径流模型，可适用于不同的空间尺度，范围从山坡到集水区域，模型的参数是反映下垫面特征的物理值。模型建立在运动学方法和流域地形学方法结合的理论基础上。流域地形学用 DEM 来描述，DEM 用正方形小方格将应用领域再划分，径流路线和坡度从 DEM 开始，然后以能量损失最小原则即最大高程差根据相关领域估计。采用非线性运动波融合形成 3 个“结构相似”的零维非线性水库方程式，第 1 个代表土壤排水，第 2 个代表在饱和土壤和不透水土壤中的地表径流，第 3 个代表河道径流。
    模型的参数如坡度、土壤渗透率、地形和地表糙率依赖尺度可从数字高程地图、地质图和植被、土壤利用率地图中获得。基本方程式的融合在 DEM 的每个单独单元格中实现。
    2.2 水力学河道洪水演算方法
    河道洪水演算方法采用一维水动力学模型。描述河道水流运动的一维圣维南方程组为：


    式中：q 为旁侧入流流速；Q 、A 、B 、Z 分别为河道断面流量、过水面积、河宽和水位；VX 为旁侧入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似为零；K 为流量模数，反映河道的实际过流能力；α 为动量校正系数，是反映河道断面流速分布均匀性的系数；g 为重力加速度。
    圣维南方程组属于一阶双曲线型线性偏微分方程组，本文采用四点线性隐式差分格式的有限差分法进行数值离散，并用追赶法进行求解。
    2.3 三维可视化仿真建模
    2.3.1 三维虚拟仿真技术
    三维建模技术是三维仿真实现的基础，主要分为两类：一种是基于面元，另一种是基于体元。基于面元的建模方法只描述物体的表面，从纹理特征出发对物体进行描述；而基于体元的建模方法主要是表达物体的立体特性，从三维空间的角度出发，进行建模和三维空间化的工作。DEM 的建模属于基于面元模型中的格网模型，其本身包括规则格网模型和不规则三角网模型两种。建筑物的建模属于基于体元建模，本文采用三维算法初步建模，Photoshop 进行贴图加工，3DMAX 进行图形的渲染，三位引擎 Unity3D 技术实现研究区三维场景建设。建 设 过 程 包 括 地 理 信 息 数 据 采 集 、三 维 算 法 建 模 、3DMAX 后期渲染以及三维引擎技术编程。
    2.3.2 河道边界搜索
    洪水演进仿真系统是对洪水在河道中的演进过程进行动态的仿真模拟。当洪水发生漫堤时，水域边界范围将扩展到河道外的沿河区域。因此，如何提取整个演进过程中的水域边界成为洪水演进仿真系统中首先要关注和解决的问题。
    河道边界自动搜索模型依据是根据水位信息计算出洪水淹没区域范围边界。算法将高程数据当作栅格像元上的一个属性，将三维地形转换成二维平面投影，由此可得到规则排列的像元阵，再根据水位高程信息进行判断。判断依据主要有：一是高程属性是否在水位线以下，即确定计算区域的三角形网格高程是否低于给定水位；二是该区域是否与淹没区域联通，即判断该网格是否与已淹没三角形网格相邻。其基本原理是采用广度优先搜索算法，从图中某顶点出发，先遍历该点的各个邻接点，然后依次分别从这些邻接点出发访问它们的邻接点，同一层上的第 1 个节点的邻接点访问完后就遍历同一层的下一个节点的邻接点，迭代重复，直到图中所有访问过的顶点的邻接点都被访问到。
    2.3.3 三维种子填充算法
    填充算法是计算机技术和图形学结合产生的一种算法，是一个将指定不规则区域内部像素填充为填充色的过程，在计算机辅助设计和图像处理等领域有广泛应用。填充算法有注入填充区域算法、种子填充算法、扫描线填充算法、边填充算法等。种子填充算法又称为边界填充算法，其基本思想是从多边形区域的一个内点开始，由内向外用给定的颜色画点直到边界为止，如果边界是以一种颜色指定的，则种子填充算法可逐个像素地处理直到遇到边界颜色为止。系统中通过河道边界自动搜索算法确定水体的边界，再通过种子填充算法逐一填充形成一个结合了河道边界的不规则水体。
    3 系统应用实例
    3.1 研究区域概况
    钱塘江为浙江省第一大河，跨浙、皖、闽、赣 4 省，流域地势西南高、东北低。钱塘江有南源（兰江）、北源（新安江）两源，均发源于安徽省休宁县，南北两源至建德梅城汇合，建德梅城以下至萧山闻堰（东江咀）河段称富春江，萧山闻堰（东江咀）以下至入海口（宁波镇海区外游山与上海市南汇芦 潮 港 连 线 ）为 钱 塘 江 。兰 江 流域 面 积 19 468 km2，河 长 302.5 km；新 安 江 流 域 面 积11 674 km2，河长 358.5 km。本文研究的区域在钱塘江南源兰江兰溪以上河段,研究区域水系示意图见图 3。

图3 研究区域水系示意图
    3.2 钱塘江洪水演进三维仿真系统
    系统集成了 TOPKAPI 分布式水文模型和一维水动力学河道洪水演算方法的主要成果：通过 TOPKAPI 模型进行流域产汇流计算，结合气象预报接口延长预报预见期，采用一维水动力学模型进行河道洪水演算，充分考虑沿程河段水利工程及上游大型水库输出流量的影响，模拟和预报主要支流控制断面的流量和水位数据，计算研究区域沿程未来可能发生的水位过程，并实时提取流域内遥测水雨情信息，做到多类型数据的融合发布。通过高分辨率的 DEM 地图和遥感图片自动生成流域三维地图，综合运用多种三维建模技术建立各种水文设施和水利工程的三维立体图，通过河道边界搜索和种子填充方法仿真洪水的淹没范围，以此建立可以平移、旋转、漫游等多种方式多种角度查看的三维流域场景，并在三维的基础上进行平面二维化，采用颜色渲染和面积扩散的方式展示全流域洪水的运动过程，在各个输出节点上综合采用图、表和三维动画综合对比，做到有整体、有局部、有画面、有数据。最后用历史数据对系统的功能和效用进行了验证，采用 2011 年 6 月发生的 55 年钱塘江最大的梅雨洪水进行测试，测试结果表明，模型预报的精度较高，过程水位拟合较好，水位和堤防之间的关系和实际发生的情况基本接近，三维场景中洪水的运动过程基本上和实际情况吻合，总体淹没范围和历史实际情况相符度较高；在 2012 年春汛和梅雨季节的两次超警洪水中计算结果也具有较高的精度。
    由此可见，文中所采用的模型及理论方法，以及技术实现手段是科学的、可靠的。系统的部分截图如图 4 所示。

图4 洪水演进三维仿真系统
    4 结 论
    本文综合运用水文学模型、水力学模型、RS 技术、GIS 技术及三维可视化技术，以水文学、水力学的预报数据为基础，通过三维可视化技术生成三维流域场景，根据不同时刻水位的蔓延情况、流量情况等综合信息的集成来演示洪水演进行为在时空层面的变化和水体形态的变化，表达洪水在不同时刻淹没范围，使用户可以在虚拟的三维世界中对洪水演进的现象和规律进行模拟、观察和分析，并且可以改变相关的参数来模拟不同人为干预条件下洪水演进的效果，从而实现对洪水演进过程的科学引导和控制。
    本系统在实现过程中提出了采用颜色渲染和淹没范围扩散的动态方式展示平面洪水演进效果，以静态的流域三维场景建模结合动态的预报水位和水域扩散方式展示三维洪水演进场景，两者的结合实现了整体与局部的统一;而以分布式水文模型和水力学模型为基础，以预报成果作为展示对象，可为防汛工作的提前部署提供有力的支撑，具有创新性和实用性。
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