防汛多尺度预演可视化技术研究与应用.pdf
《防汛多尺度预演可视化技术研究与应用.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《防汛多尺度预演可视化技术研究与应用.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第4期2023年8 月D0I:10.19364/j.1674-9405.2023.04.007水利信息化Water Resources Informatization防汛多尺度预演可视化技术研究与应用NO.4Aug.2023田茂春12,杨跃2 3,范光伟12,赖杭(1.水利部粤港澳大湾区水安全保障重点实验室,广东广州510 6 11;2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东广州510 6 11;3.水利部珠江河口治理与保护重点实验室,广东广州510 6 11)摘要:针对当前防汛预演中存在的场景加载慢、表达不直观等问题,研究并实现防汛多尺度预演可视化技术。由于洪水防御需要考虑洪水量级、影响范围
2、、保护对象等众多因素,将预演按照空间分为流域宏观、河段中观、城镇/水工程3个尺度;基于GPUShader、粒子系统、BIM、缓存加载等技术,研究实现不同尺度下的洪水传播、淹没模拟、工程调度等业务场景的预演可视化呈现和场景快速加载技术;以流域一张图为数据支撑,结合预报、调度、淹没等模型的计算结果,构建流域宏观、河段中观、城镇/水工程等多尺度的可视化预演场景,实现洪水流量过程、水工程调度、洪水淹没等的快速直观及动态仿真模拟。防汛多尺度预演可视化技术在珠江水旱灾害防御“四预”平台的应用表明:该技术可改善不同尺度下的防汛预演效果,提高预演效率,为流域防汛调度会商决策提供强力支撑。关键词:防汛;多尺度预
3、演;三维可视化技术;可视化场景中图分类号:P228;P42 6.6 160引言我国是世界上水旱灾害最频繁、最严重、防御难度最大的国家之一。中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2 0 35年远景目标纲要中明确提出“构建智慧水利体系,以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”。智慧水利是水利高质量发展的显著标志,要建立物理水利及其影响区域的数字化映射,实现预报、预警、预演、预案“四预”功能,预演是关键,即在数字李生流域中对水利工程调度方案进行精准预演,以及时发现问题,选迭代优化方案,科学制定防范措施。为提升预演效果,推进数字李生流域、防汛“四预”的建设,大量学者开展了研究。朱祖乐!使用
4、Three.js开源库构建三维场景,实现基于3D绘图协议WebGL 的内涝淹没过程的三维动态模拟。赵忠琛2 运用Unitiy3D三维模拟驱动引擎和内涝相关模型,模拟城区内涝发生和发展的过程,可自主设定模型参数快速生成科学、逼真的城区内涝灾害三维虚拟场景。房晓亮等3 在三维地形场景的基础上,集成相关水文要素,开发实现基于三维软件平台Skyline的洪水风险图三维可视化系统。刘昌军等提出数字李生淮河收稿日期:2 0 2 2-10-13基金项目:水利部重大科技项目(SKS-2022143);广州市基础与应用基础研究项目(2 0 2 2 0 10 112 18)作者简介:田茂春(19 8 8 一),男
5、,贵州遵义人,硕士,工程师,主要从事计算机图形学、水利信息化等研究工作。E-mail:346 38 0 533 q q.c o m文献标识码:A文章编号:16 7 4-9 40 5(2 0 2 3)0 4-0 0 41-0 5流域智慧防洪试点建设方案,探索了数字李生淮河流域智慧防洪“四预”新模式。黄艳5 深入探讨了流域数字李生的概念与意义,梳理了现阶段流域数字李生发展需求。陈月华等 应用数字李生技术展现数字流场的概念和视觉效果,直观反映王家坝洪水态势及蒙洼蓄洪区分洪过程。数字李生黄河、数字李生珠江以构建数字李生流域,开展智慧化模拟,支撑精准化决策为实施路径,其中数字李生技术是技术支撑7-8 。
6、李琛亮9 在海河流域防洪“四预”试点中,通过智能感知、三维建模、三维仿真等技术实现数字流域和物理流域数字映射,形成流域调度的实时写真、虚实互动。本研究从流域洪水防御角度出发,对流域、河段、城镇/水工程等宏观微观相互结合下的防汛多尺度可视化场景相关技术进行研究,以改善当前流域防汛预演的效果。1技术路线防汛多尺度预演以流域一张图为数据支撑,对流域水系、河湖、水库及地形等进行三维可视化煊染,建立全流域数字化场景;运用WebGL和LOD(多层次细节)等三维技术,实现多尺度信息模型数据的大规模加载与煊染,以GPUShader(图形处理器着色器)技42术作为三维特效染手段,对洪水预报、调度模型、洪水淹没模
7、型等结果数据进行仿真可视化分析,实现多尺度下的防汛预演,具体架构如图1所示。三维可视化平台为各个应用系统提供可视化场景支撑服务,流域一张图为三维可视化平台、应用系统层或其他平台系统提供地图和模型数据服务,模型管理服务平台提供模型计算、结果服务,应用系统层包含数字李生流域需建设的“2+N”应用,三维可视化平台为应用系统层提供“四预”过程的模拟仿真场景。算据、算法和算力方面的具体分析如下:1)算据。珠江水利委员会(以下简称珠江委)经过多年的建设,形成了包含雨水情感知、空间遥感影像、重点防洪城镇三维模型、重点水工程BIM等数据的L1L2,L3级数据底板,本研究将利用底板数据进行数字化场景建设。2)算
8、法。从防汛角度出发,通过模型管理服务平台对现有的新安江、马斯京根、库群联合调度、洪水淹没模拟等水利模型进行标准化集成和统一管理,为防汛提供高效、准确的算法支撑。3)算力。利用珠江委现有的私有化云平台进行应用系统、可视化平台、模型管理服务平台集群化部署,针对洪水淹没模型对计算资源的要求,补充扩展GPU高性能工作站,达到快速、安全、可靠的算力水平。2关键技术2.1GPU Shader技术计算机图形的染从数据形式到屏幕上的染结果需要在GPU上进行一系列流水线操作,流程图如图2 所示。图中虚线表示可在染管线自定义的流程,实线表示不可干预的流程。同时,显卡厂商提供了灵活的顶点及片元2 种着色器,基于着色
9、器,可对各种图形数据进行专业处理,编程实现各种酷炫效果的染。防汛多尺度预演可视化效果基于着色器进行建设。2.2基于GPUShader+GIS的流域洪水传播可视化技术利用GPUShader和GIS等技术,结合洪水预报水利信息化流域一张图应用系统层防洪抗旱水资源管理遥感影像“四预”系统服务矢量地图服务三维数据服务地形数据服务地理标注服务2023(4)珠江模型管理服务平台其他业务系统系统三维可视化平台城镇(水利流域防洪区域(河段)宏观预演防洪中观预场景演场景图1际防汛多尺度预演架构图顶点顶点数组/缓冲对象顶点顶点顶点着色器基本API处理装载纹理纹理片元剪裁着色器片元测试顿缓冲区抖动图2 GPU渣染管
10、线流程图数据,在地图的河流水系矢量上叠加不同线宽和颜色代表不同洪水,利用线宽直观反映洪水量级,实现流域级洪水传播的预演,从整个流域场景上直观、动态地展示各个河段洪峰的出现和传播过程。结合各河道控制点的警戒水位、堤防防洪等级等基础数据,判断洪水传播过程中通过某一河段或者某一测站的来水是否超警,根据超警等级用红黄蓝等不同颜色染相应河段,直观反映每个河段的危险程度。2.3淹没模拟分析技术接入洪水演进方案水动力模型计算结果,运用三维技术,进行洪水淹没效果演示,结合土地利用类型、人口分布等防灾底板数据,对洪水计算淹没范围内的淹没人口、耕地等进行社会经济损失统计。叠加灾害调查数据,在淹没区同步进行避险转移
11、方案的分析展示,避险转移方案包括淹没范围内需转移人口数量、安置点位置、转移路径等内容。2.4基于BIM+GIS的仿真场景构建技术基于流域三维数字化场景,结合倾斜摄影模型,模型管理模型服务模型装配模型运营工程)防洪其他微观预演场景场景图元装配纹理:片元纹理内存深度及模板测试颜色缓冲混合模型计算管理光栅化第4期田茂春等:防汛多尺度预演可视化技术研究与应用43直观展示城镇街道建筑,搭建区域基础仿真场景;根据数字李生工程建设需要,接入数据底板中的水闸三维模型数据,如BIM可视化模型数据,对水闸闸门及各部件进行单独查询和平移、旋转等控制,结合模型动画、粒子系统,实现物理水利工程的数字空间映射。2.5三维
12、模型分级建模及缓存加载技术根据预演所涉及的各类要素对模型精度及人机交互的不同需求,参考数字李生流域数据底板分级方法,制定三维模型分级建模策略:通过DEM(数字高程模型)拉伸、无人机倾斜摄影快速构建大范围三维数字化场景;利用BIM模型或手工对象化建模,实现重点部位轻量化建模,有效改善三维模拟仿真效果并提高建模效率。为解决网络不稳定、三维场景数据量大、加载时间长等问题,建立二级缓存自适应加载机制:利用IndexedDB非关系型数据库,在浏览器端构建无上限且永久的本地缓存,实现大型三维场景数据的本地化快速加载;后台服务端运用分布式文件数据库进行三维模型的存储和管理,提高管理效率及访问速度。3多尺度预
13、演可视化场景构建基于关键技术,根据不同尺度所关注的洪水特征,建设流域防汛宏观、河段防洪中观、城镇/水利工程防洪微观等多尺度可视化场景,实现洪水传播、淹没模拟、水工程调度等的快速直观表达。3.1流域防汛宏观场景立足流域统一调度管理,统筹考虑流域上下游、干支流、左右岸、水库群关系,动态分析洪水来源、洪水组成、洪峰传播、错峰和水库拦蓄等过程,初步研判可能出现超警的防洪风险点、风险段和风险区。流域大尺度的预演主要关注全流域洪水演进情况,实现“降雨一产流一汇流”动态演示,直观展示重要控制断面洪水上涨过程,主要展示要素包括:调度后水库最高水位、最大出库流量、削峰率、拦蓄洪量、距防洪高水位库容,调度后河道站
14、洪峰流量及变幅、洪水量级,调度后淹没区域减少最大淹没面积、减少影响市县及人口。建设流程分析如下:1)建立河流水系可视化拓扑关系。首先,根据重要控制节点,从流域河流水系矢量中选取关注的干支流矢量。其次,根据控制站点、河道的分叉点和汇合点将河流水系矢量分割成不同的河段。然后根据上下游关系建立相应的拓扑关系,即在相应的矢量属性字段中标记每个河段及上游河段的编号。通过河段编号建立河段间上下游的拓扑关系。最后,将河段上的控制点关联到相应的河段上,建立控制点到河段及河段上下游间的关联关系,为洪水演进的预演提供展示的数据基础。2)计算河段洪水染所需数据。洪水演进预演开始时,接入水情预报部门提供的洪水预报数据
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 防汛 尺度 预演 可视化 技术研究 应用
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。