河道的防洪预警模拟及其三维地形可视化.pdf

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1、第 2 6卷第 5期 2 0 0 6年 9月 海 洋测 绘 H Y DR O GR AP HI C S UR V E YI NG A ND C HA】坠 V0 1 2 6 No 5 S e p，2 0 0 6 河道的防洪预警模拟及其三维地形可视化 霍风霖 ，贾艾晨(1 黄河水利科学研究院，河南 郑州4 5 0 0 0 3；2 大连理工大学土木水利学院，辽宁 大连1 1 6 0 2 4)摘要：运用数字高程模型(D E M)数据格式中的三角网格模型，以 O p e n G L提供的光照、材质、纹理映射和反走 样等技术实现河道地形的三维可视化；利用V c+及 O p e n G L中的平移、旋转和缩

2、放等功能，实现河道流场三维显 示的效果。在读取相关洪水数据的情况下，实现了流场可视化及河道堤坝防洪预警等相关查询功能，为防洪决策 提供了相关的参考。关键词：数字高程模型；O p e n G L；河道地形；可视化 中图分类号：P 2 0 8 文献标识码：B 文章编号：1 6 7 1-3 0 4 4(2 0 0 6)0 5-0 0 5 4-04 近年来，地形三维可视化技 术越来越广泛 的运 用于 G I S、数字流域仿真、防洪决策系统、虚拟环境 仿真等领域。随着科学技术的发展，可视化技术逐 渐成为当前对河道、湖泊和港 口码头等进行防洪预 测、河床演变分析及泥沙冲淤研究 的前沿及 主要手 段，同时也

3、是快速、及时再现地形三维信息及分析的 有效手段。本文在开发河道防洪预警可视化系统工 作中，借助于 O p e n G L 三维图形函数库，利用规则网 格构建三角形网格显示河道三维地形，在读取多种 工况洪水数据后，实现了河道流场可视化及其堤坝 预警等相关功能。2 河道地形三维模型 河道地形的真实感显示是流场模拟及其防洪 预警的基础，数字高程模型(D E M)是当前地形三 维可视化的主要形式。D E M大体上分为三种：等 高线模型、不规则三角网(T I N)模型和正方形格网 模型。由于等高线模型 自身存在着真实感不强、包含信息量小等缺点，应用相对比较少。后两种 是当前应用最为广泛的连续表面数字表示

4、的高程 模型。2 1 T I N模 型 及 正方形 格 网模 型 在所有可能的三角网中，狄洛尼(D e l a u n a y)三 角网在地形构造拟合方面表现最为出色，因此常被 用于 T I N的生成。T I N具有许 多 明显 的优点 和缺 点，其最主要的优点就是可变分辨率，当表面粗糙或 变化剧烈时，T I N能包含大量的特征数据点，能真实 地反映地形的起伏变化；T I N还具有考虑重要表面 数据点的能力，这就导致了基于 T I N的数据存储与 操作非常复杂。正方形格网数据结构为典型的栅格数据结构，每个格网点与其他相邻格网点之间的拓扑关系都已 经隐藏在阵列的行列号中，节点为高程值。其优点 在

5、于数据结构简单，数据存储量很小，操作方便；非 常适合于大规模的使用和管理。缺点是对于复杂地 形地貌，难以确定合适的网格大小，在地形简单地区 容易产生大量的冗余数据，在地形起伏比较复杂的 地 区难以表示微起伏特征。2 2河道地 形数 据 为实现河道地形的三维可视化，首先要对 D E M 的数据进行组织，由于本文采用的D E M数据量大及 网格间距大的特点，使用了现有图数字化法。利用 插值计算方法，得到了河道地形的正方形格网数据。由于三角形具有准确确定其平面法线的特征，解决 了平面法向量二义性的问题，提高了显示效率。结 合两种数据格式的特点，在基于河道地形整体起伏 不大，局部有落差的情况下，数据分

6、解为三角网格构 造了三角网格结构。规则数据生成三角网格一般有 两种方法：一种是根据一定 的法则，选择重要的点来 建立三角形；另一种是直接将网格进行分解进行组 合得到三角形。本文采用了直接将规则网格分解分 解为三角形 的方法。D E M数据的读取有两种方法：建立数据库读 取和直接调用相关函数读取。考虑到建立数据库 收稿日期：2 0 0 6 0 2-2 8；修回日期：2 0 0 6-0 7-2 0 作者简介：霍风霖(1 9 7 8 一)，男，硕士，主要从事图形学研究及数据场可视化研究。维普资讯 http:/ 第5 期 霍风霖，等河道的防洪预警模拟及其三维地形可视化 缺乏移植性的特点，采用 了直接调

7、用相关函数读 取的方法。根据采用 的 D E M数据格式，调用 函数 I m p o r t()读取数据并且过滤掉冗余信息。循环读 到用于存放相关数据的二维数组中，由于数据量 大，为减少内存使用空间，本文使用了动态分配内 存空间的方法，节省了系统相关开销，大大提高效 率。为便于实现堤坝周边显示，河道边界数据读 取后赋值给不同的数组，便于独立提取相关地形 信息。3 河道三维地形可视化 O p e n G L作为一种三维图形工具软件包，具有 开放性并且独立于窗 口系统和操作系统，在交互式 三维图形建模能力和编程方面具有无可比拟的优越 性。O p e n G L由大量功能强大的图形函数组成，它 集成

8、了相关复杂的计算机图形学算法。以O p e n G L 为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种操作 平台间移植。在利用 O p e n G L绘制河道 三维地形模型之前，需要设置相关的景观参数。首先对图形描述表(R C)及像素格式进行了创建和设置；其次要对光源 性质、光源方位、明暗处理方式、颜色模式及纹理 映 射方式等进行正确的设置；同时也要设定好视点位 置及视点方向。O p e n G L提供了相关参数可以对这 些参数进行设置。视 口是计算机屏幕中用来绘图的一个矩形区 域，在缺省情况下和窗口一样大，用窗口坐标来度 量，反映了屏幕上的像素位置，视口原点相对于窗口 的左下角。视口变换就是将视景

9、体内的三维空间坐 标映射为屏幕上的二维平面坐标。视口变换调用函 数 g l V i e w p o r t(0，0，c x，c y)实现，默认情况下视口高 宽比等于视景体内的高宽比，否则显示在屏幕上的 图形将会发生变形。O p e n G L处理的基本几何对象 都是围绕顶点来建立，g l V e r t e x ()提供了相应的顶 点坐标信息。本文采用的以三角形面片为基本模型 构造单元。由于河道 无桥 地形 与有 桥地 形 的网格不 同，为便于整体构造三角网格，在绘制堤坝时，河道两 岸堤坝数据 的生成 也要相应 做 一定 的变化，本 文 有桥地形网格在桥址进行了加密处理。在基于对 话框读取相关

10、地形及流场数据中，利用程序参数 化读取相关数据库文件，不必把每个数据文件 同 时读到内存中，从而节约了系统内存开销，提高了 显示运行速度。由于河道地形 的高程相对 于河道 长宽较小，以原始高程值显示河道地形时，就会造 成立体感不强的效果，本文在显示河道地形的同 时考虑到河道地形的真实感显示，为避免高程差 过大而失 真；采 用 了把 河 道 高 程放 大 3 O倍 的方 法，原始河道显示进行了对 比后，取得了很好的显 示效果，放大 3 O倍高程后的河道三角网格地形显 示如 图 1所示 图 1 高程加倍后的河道局部显示 网格地形显示 以后，必须 正确地设 置法 向量，O p e n G L本身并未

11、提供计算法向量的相关函数，计 算法向量的工作必须自己完成。三维视图中，每个 面都有两个方向，计算三角形法向量时必须按照相 同的顺序从三角形取两条有向边，计算叉积并将叉 积单位化，得到三角形 的法 向量。顶点 的法 向量可 以通过计算顶点周边六个三角形 的法向量的平均值 即可，O p e n G L默认 的可见 面就是 以逆时针方 向绘 制的图形，通过调 整 O p e n G L的相关参数设定 不同 的可见面(前可见、后可见、前后可见)。本文以逆 时针方向绘制图形，设定前可见。O p e n G L利用其 深度检测技术实现了这一功能，调用 g l E n a b l e(G L DEP THT

12、 E S T)达 到这一 目的。大大提 高了图形显 示的运行速度，增强了显示效果。为使显示的河道地形有立体的效果，设置一定 的光照是至关重要的。光照射到物体的表面时，一 部分被物体吸收，而另一部分被物体表面反射，对于 透明物体还有一部分光穿过透明体，形成透射光，进 入人眼产生视觉效果的光只有反射光和透射光。光 强决定了物体的显示亮度，而光的波长决定了物体 表面的颜色。通过 函数 g l L i g h t f v()来设置光源，光 源设置完以后调用 g l E n a b l e(G L L I G H T I N G)来启动 光源。合理设置光照和正确计算三角形法向量是立 体感显示的关键操作。

13、为实现交互式控制，本文建立了旋转类、平移类 及放缩类，定义了两个 B O O L型全局变量，在构造函 数中设为假，添加相关鼠标控制功能，利用鼠标左键 实现平移，滚轴实现图形的放大与缩小，右键实现了 图形 的平 移，在 O n M o u s e Mo v e(U I N T n F l a g s，C P o i n t p o i n t)函数 中判断左右键点击，以实现相关 的鼠标 维普资讯 http:/ 海 洋测 绘 操作，其源代码如下：v 0 i d C T z h V i e w：O n Mo u s e Mo v e(U I N T C P o i n t p o i n t)i f

14、(m b L e f t M o u s e)旋转实现；I n v a l i d a t e(T R U E)；M0 u s e D0 wn P0 i n t=p o i n t；i f(n a b R i g h t Mo u s e)平移实现；I n v a l i d a t e(T R U E)；第2 6卷 b a s e，t o p，h e i g h t，s l i c e s，s t a c k s)。从 C A D地形文件里 F l g ，提取相关桥梁数据，精确定位。圆柱体绘制函数默 认在 O p e n G L坐标系里的坐标原点绘制圆柱体的底 面，即圆柱体的底面中心在(0，

15、0，0)处，由于在显示 地形的时候把高程加倍从而使桥墩高程也要加倍，这就会造成桥墩看上去过长。在 C A D原图上获取 数据，桥梁横断面上由四根桥墩组成，每跨都是相等 的距离，通过 O p e n G L提供相关平移函数有效地实 现了圆柱体的平移，做到了精确定位桥墩位置图形 显示，利用循环嵌套实现了所有 的桥墩显示。桥梁 顶部作了简化处理，利用多个长方体实现。Mo u s e Do wn Po i n t=p o i n t；C V i e w：O n Mo u s e Mo v e(n F l a g s，p o i n t)；本系统 同时能使用键盘按键进行相关平移、放 缩等功能的操作。为精

16、确实现相关交互式控制功 能，本文添加了相应的对话框控制函数，能精确地实 现河道地形的缩放、平移及旋转等功能，便于更好地 查询相关信息。4 河道防洪预警模拟 4 1 加 洪水数 据后 河道 流场 显 示 在实现河 道地 形 的三维 可视 化后，通 过导 入 河流水面高程数 据实现了河道流场 可视化。洪水 数据分为四个部分：5 0年洪水、1 0 0年洪水、5 0年 有桥洪水、1 0 0年有桥洪水。由于桥墩影响了河道 相关过流断面的面积，造成桥墩上游壅水，所以后 两个洪水数据高程值大，对于堤坝防洪只有很大 影响。其数据结构采用的是跟地形数据相同的数 据结构，构造三角 网格。利用 O p e n G

17、L提供 的深度 检测技术很好 的实现了河道地形与洪水的叠加，形成了一个基于 D E M 的三维流 场可视化系统，并 且取得了很好的显示效果。为更好地显示洪水在 河道淹没过程，对于洪水高程 比例进行了控制，定 制一个计时器，每经过一段时间触发系统，按一定 的要求绘制流场洪水数据，便能较为直观地观察 到洪水淹没 的河道，两种高程下的洪水淹没效果 如 图 2所示。河道桥梁 的建造缩小 了河道过流断面，造成了 上游壅水，桥墩的绘制采用了 O p e n G L提供的图形 函数库的 圆柱体绘制 函数 g l u C y li n d e r(q u a d O b j，图 2(a)高程一洪水数据显示 图

18、2(b)高程二洪水数据显示 4 2河道 防 洪预 警 本文对于河道堤坝防洪预警进行了相关工作，通过相关函数读取后，有同一数据文件的流场数据 与对应堤坝相关高程进行了对比，由于是同一数据 文件的数据对比，要使用双向循环条件的语句使得 流场数据与河道堤坝数据能够正确比较。在洪水数 据高程大于河道堤坝，高程利用红色动态线段来标 注，达到预警功能；利用 O p e n G L提供的双缓存技术 实现边界 红线动 画，增强警 报效果。合理设 置 S e t T i n a e r()函数的时间值，按一定的要求绘制边界 红色警戒线段，得到较为流畅的显示效果。鼠标相 关函数添加了相关查询功能，鼠标的移动能显示

19、相 维普资讯 http:/ 第5 期 霍风霖，等河道的防洪预警模拟及其三维地形可视化 关平面位置坐标，堤坝高程及洪水高程。在堤坝处 可以通过点击鼠标获得堤坝与洪水高程差信息，精 确判断洪水是否有漫过堤坝边界的可能。1 5 结束语 2 L-J 本文以 V i s u a l C+6 0为开发平 台，采用面 向 对象的程序设计方法，结合使用 O p e n G L所提供的 用于图形编程的图形函数库，实现了对 D E M数据文 件中不同工况下的洪水数据的可视化。实现了洪水。淹没河床过程显示，添加了利用鼠标控制平移、旋转 r 5 和缩放等交互式观察功能。所研究的可视化方法在 防洪预测评估等方面具有一定

20、的应用价值，为相关 6 河道洪水预警提供了较为直观的分析手段。参考文献：(美)Da v e S h r e i n e r主编，O p e n G L参考手册 M 北 京：机械工业出版社，2 0 0 1 李志林，朱庆 数字高程模型 M 武汉：武汉大学 出版社 2 0 0 3 和平鸽工作室 O p e n G L高级编程与可视化系统开发 M 北京：中国水利水电出版社，2 0 0 3 向世明 O p e n G L编程与实例 M 北京：电子工业出 版社，1 9 9 9 贾艾晨，韩国城，魏小鹏 大坝地震反应数据场三维动 态可视方法 J 水利学报，2 0 0 3，4 1：1 0 6 1 1 0 Do

21、n a l d H e a r n等 计算机图形学(第三版)M E 京：电子工业出版社，2 0 0 5 S i mu l a t i o n o f R i v e r F l o o d P r e wa r n i n g S y s t e m a n d Th r e e d i me n s i o n a l T e r r a i n Vi s u a l i z a t i o n HUO F e n g l i n ，J I A Ai c h e n (1 I n s t i t u t e o f Hy d r a u l i c R e s e a r c h Ye l

22、l o w R i v e r，Z h e n g z h o u，He n a n，4 5 0 0 0 3；2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g，D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，D al i a n，L i a o n i n g，1 1 6 0 2 4)Ab s t r a c t：I n o r d e r t o r e a l i z e t h e ri v e r wa y flo o d fl o w，t h i s p a p e r f

23、 o c u s o n the t r i a n g u l ar me s h mo d e l i n the d i g i t a l e l e v a t i o n mo d e l(D E M)，u s i n g O p e n G L me t h o d o f i l l u m i n a t i o n，m a t e ri al，t e x t u r e ma p a n d a n t i a l i a s i n g t o r e a l i z e the mu l t i d i me n s i o n al v i s u ali z a t

24、 i o n o f riv e r wa y t e r r a i n Th e mo d e l i n g t r ans f o r ma t i o n o f r e mo v i n g，r o t a t e a n d s c a l i n g i n VC+an d Op e n GL are als o u s e d i n o r d e r t o r e ali z e the d y n a mi c d i s p l a y i n g e f f e c t S e arc h i n g f un c t i o n s r e l a t e d

25、t o v i s u ali z a t i o n an d riv e r b a n k fl o o d f o r e c a s t C an b e r e a l i z e d a f t e r a d d i n g flo o d i n g d a t a u n d e r v a r i O U S c o n di t i o n s Th e s e fun c t i o n s are f o r the r e f e r e n c e o f flo o d c o n tro l d e c i s i o n ma k i n g K e y

26、w o r d s：d i g i t a l e l e v a t i o n mo d e l(D E M)；O p e n G L；fi v e r t e rr ai n；v i s u al i z a t i o n ，E i 百 _ _ _ 田胡E 日 臣 瑚 j 日 品司 i 目 品品 j _ j 日 品曰E j _l 嗣口 刁 品 j 日j _l _ L J 品b 日日 _ l 一目 臣 日。_一 日 目 _ 曰 D 口 _。_ _ 口 _。_ _。_一 。_-。U 海洋测绘 诚征广告 8 In j 海 洋测 绘 是面向 全国测 绘和相关行业的 科技期刊，由 海军海洋测绘研

27、究所主办。是中国 期刊全 8 文数据库(C J F D)全文收录 期刊、中国 学术期刊 综合评价数据库(C A I C E D)统计源期刊海军优秀期刊。已 2 在万方数据 数字化期刊 群全文上网，被中国 核心期刊(遴选)数据库收录。8 8 海 洋 测 绘 分 发 至 全 军 和 武 警 部队 的 军 事 指 挥、军 事 交 通、军 事 测绘、水 文 气 象、勘察 设 计和 港 湾管 i 8 理 部 门，也 发 行 至 地 方 测 绘、海 洋 调 查、海 洋 地 质 勘 探、海 洋 运 输、港 V I航 道、水 利 水 电 勘 测 等 部 门，有 广 泛 的 读 者 群 体。i i 海洋测绘 承揽测绘、导航、海洋调查、信息技术等领域的 广告发布业务，内容可以 是产品信息技术 8 推广与服 务信息、机 构介绍等。8 8 国 内 刊 号 为 C N 12 134 3 P，国 际 刊 号 为 IS S N 16 7 1-3 04 4。双 月 刊，单 月 底 出 版，A 4 开 本。广 告 许 可 证 i i 号：1 2 0 1 0 3 4 0 0 0 4 3 9。8 地 址：天津市河西区友谊路4 0号 邮政编码：3 0 0 0 6 1 i 联系 电话：0 2 2-8 4 6 8 5 0 8 0 2 8 1 3 1 2 1 6 联 系人：王克平 维普资讯 http:/