梧州至思贤滘三维虚拟仿真平台的设计与应用

从平台构成的角度阐述了三维虚拟仿真平台的框架设计,重点介绍了场景模型的分开载入、洪水淹没过程模拟、溃堤分洪过程模拟、污染物输移扩散模拟和粒子流场动态模拟等关键技术环节的实现方法,并基于三维图形引擎OpenSceneGraph构建了集计算机、数据库、三维虚拟仿真、水动力数学模型等多种技术于一体的三维仿真平台,平台在珠江流域西江梧州至思贤滘河段中得到应用。     

淮阴竹络坝灌区三维虚拟地理场景构建关键技术研究

针对灌区三维虚拟场景构建的多源异构数据,提出了支持灌区水工建筑物三维模型(BIM)与三维虚拟地理场景模型(3D GIS)构建数据采集总体技术路线与技术方法;从宏观尺度灌区地理场景与微观尺度水利设施内部场景可视化2个方面研究了三维虚拟地理场景构建方法;对涉及的基于Cesium的地理场景高效渲染、三维地形模型与水利工程模型无缝融合、水系线性要素空间建模、闸口等点状物建模、水文要素的动态渲染、多尺度模型加载关键技术问题提出了解决方案.根据淮阴竹络坝灌区的特点,采用了"GIS+BIM"融合模式构建了灌区三维虚拟地理场景,为数字灌区建设奠定了基础.     

基于遥感与GIS的堰塞湖库区淹没分析与灾害评估

介绍了以遥感与GIS作为数据获取与分析处理的技术手段,研究堰塞湖的库区淹没分析与灾害评估方法。利用遥感获取堰塞湖库区淹没影响区域的城镇居民地等土地利用信息,并动态获取堰塞湖库区的淹没状况;结合高精度DEM数据,在三维GIS平台上分析堰塞湖上游汇水流域范围。利用实时降雨等数据和库区回水计算模型,动态计算堰塞湖库区的库容、回水范围、库区的淹没状况;在GIS平台上评估淹没区的灾害状况。用"5.12"地震唐家山堰塞湖的库区淹没分析和灾害评估为例实证了本文提出的技术方法。     

面向虚拟地球系统的多尺度影像瓦片数据实时创建技术

针对传统虚拟地球系统对多分辨率影像预先切片构建瓦片金字塔,导致的数据通用性差、数据更新效率低等问题,提出了一种实时创建多尺度影像瓦片数据的改进技术。设计并构建多尺度影像金字塔模型,对影像进行逻辑上的裁剪和接边处理,并将多尺度影像金字塔工程发布为数据服务,基于多核处理器设计影像切片并行算法实现用户实时响应请求。采用World Wind虚拟地球系统选择广东及海南区域的多源影像进行试验,试验结果证明该技术能够方便地管理影像数据,满足虚拟地球系统的并发访问需求,并能极大地提高数据更新效率。     

基于多源异构数据的少资料尾矿库溃坝三维模型重建

对偏远、闭库或缺少管理的少资料地区尾矿库进行溃坝前后的数值模拟和三维虚拟仿真，需要根据已有的低精度、少序列、多源异构数据重建三维模型。提出一种基于多源异构数据的少资料尾矿库溃坝前后三维模型快速重建方法，通过总结尾矿库溃坝前后特征，融合分析尾矿库的无人机、卫星、GNSS测量、图纸、洪痕等多源数据，利用样条函数插值方法，实现溃决尾矿库的坝体、库区和下游淹没影响区部分三维模型精细化重建，并以2008年山西襄汾尾矿库溃决事件为例，重建了襄汾尾矿库溃坝前后的地形、坝体、库区和下游影响区的三维模型。结果表明：该方法所建模型精度满足数值计算的需求，可为后续的分析计算和可视化仿真应用提供三维模型基础。     

碾压混凝土坝施工三维动态可视化仿真系统研究

从系统仿真和可视化的角度，对碾压混凝土坝的施工过程进行仿真研究，开发出碾压混凝土坝施工三维动态可视化仿真系统．该系统以VC^ 为开发平台，结合数据库技术，针对碾压混凝土坝特有的混凝土分区、动态合仓等问题，提出相应的模拟假设后，实现了碾压混凝土坝施工过程的仿真计算，并通过三维建模，借助地理信息系统平台来演示大坝浇筑的三维动态上升过程．系统在某工程实例中进行了具体应用。为该工程的施工和管理提供了决策依据．     

土石围堰溃堰洪水三维动态风险分析系统建模研究

基于三维动态可视化仿真技术，耦合土石溃堰洪水数值模拟和溃堰动态仿真模型，建立施工洪水演进水力要素、洪水演进过程和河槽空间位置等信息耦合的土石溃堰洪水演进动态仿真架构，在三维可视化信息平台的基础上，将数值模拟数据及三维动态仿真数据与相应的图元对象建立映射关联，通过动态更新洪水水位、围堰及河道等图元变量和属性变量，直观的表现了土石溃堰洪水演进的时空分布特征，为探求溃堰发生发展机理及防洪减灾决策分析提供了交互式可视化平台。     

大区域含水层中局部复杂水流过程的多尺度模拟

精细刻画带有小尺度特征的局部复杂水流运动过程,是大区域地下水流运动数值模拟的重要议题。本文建立了一种能进行多时空尺度数值离散的三维地下水流运动耦合模型,用以获取全区域大尺度解及多子域小尺度高精度解。模型采用基于达西定律的三维水头插值算法,以实现多空间尺度模型耦合;同时,针对局部复杂水流条件,进行小尺度模型边界水头二阶时间曲线拟合及自适应时间步长插值,以实现多时间尺度模型耦合;此外,在局部问题的求解上支持任意边界形状及空间范围内的多个自由加密子网格离散,从而充分节省计算成本并保证计算精度。本文以通用地下水模型求解软件MODFLOW在高密度时空网格上的解作为参照解,对比分析了模型在多时空尺度、非匹配自由网格问题中的求解精度。相比传统局部加密或全局加密模型方法,本文模型能大幅度减小矩阵规模和求解工作量;相比传统局部加密多网格耦合模型,本文模型能更精确地刻画局部尺度的复杂水流运动过程。本文模型耦合方案可作为大区域含水层中精细刻画小尺度复杂水流过程的高效数值工具。     

土石围堰溃堰洪水三维动态仿真模型

为增强土石围堰溃堰洪水演进计算数据及结果的直观性与处理的同步性,耦合土石围堰溃堰洪水数值模拟模型和溃堰动态仿真模型构建了土石围堰溃堰洪水演进动态仿真架构,其中考虑了洪水演进水力要素、洪水演进过程和河槽空间位置等特征信息。建立了数值模拟数据及三维动态仿真数据与相应图元对象的映射关联,通过动态更新水位、围堰及河道等图元变量和属性变量,直观地表现了土石围堰溃堰洪水演进的时空分布特征,为防洪减灾的决策分析提供了交互式可视化平台。     

全国水循环通量解析及其演进研究

通过对流域水循环通量的全方位解析,摸清水资源家底,是落实水资源作为最大刚性约束的重要基础和前提。针对全国尺度的超大时空范围、复杂地貌类型、多气候类型等特点,创新研发了流域出口断面自动识别、多阈值虚拟河网融合等技术,强化高海拔区域垂向过程模拟,构建了全国分布式水循环模型WEP-CN,绘制了水循环两向水流图,对全国"自然-社会"二元水循环过程进行了多尺度分析和多元化呈现,同时基于对全国粮食和能源虚拟水的研究,实现了全国水循环实体水和虚拟水通量的解析,为全国、流域及区域等不同层面的水资源承载力评价和水资源战略配置提供基础信息,支撑水资源可持续利用。     

3DGIS支持下的洪水风险三维动态推演

为提升MIKE FLOOD模型洪水风险展示中淹没区域细节的认知,动态反映发生溃口等险情时的洪水扩散过程,总结了洪水风险的现有表达手段,研究了洪水过程在3DGIS场景中的融合和表达方法,形成了一套可用于洪水风险三维动态推演的程序框架。以雄安新区内的主要河流南拒马河为例,基于MIKE11和MIKE21模型计算溃堤后的洪水过程,并以Open Scene Graph技术搭建三维GIS环境,在真实的三维地形地貌环境下进行洪水过程的动态推演分析。试验结果表明该方法相较于传统二维风险图方法具有细节表达和动态模拟上的优势,可以在宏观、中观和微观多个尺度对淹没过程进行模拟和表达,更加直观高效地反映洪水动态过程和淹没损失情况。     

地下水数值模拟与可视化建模系统框架研究

针对现有孔隙地下水有限元数值模拟在三维可视化与空间分析等方面存在的不足,以有限元数值计算方法和3D GIS平台为基础,结合GIS空间分析算法和计算机图形学理论,提出了孔隙地下水有限元分析过程的概念模型的构建、含水层介质的空间离散、水文地质参数提取与赋值等关键步骤,给出了孔隙地下水有限元数值模拟过程在3D GIS下的实现方法和技术框架。该技术框架旨在简化有限元分析流程、优化模型计算效率、实现地下水有限元数值模拟过程及计算结果的三维可视化。结果表明:基于3D GIS构建的三维水文地质模型,可充分反映地下水系统在3D空间上的分布特征,形成合理的水文地质概念模型,所提出的自适应格网动态生成机制,能够有效改进有限元数值模拟精度和效率。     

水利工程运行管理中虚拟仿真技术的应用

为实现对水利工程运行管理过程的虚拟仿真,必须基于各类水利工程信息的动态显示,以SRTM数据为基础构建水利工程虚拟仿真模型,并进行水域仿真、三维漫游和信息查询等,结果表明,该虚拟仿真技术可为水利工程运行管理提供技术和数据支撑,就具体应用领域而言,对于水利工程联合调度、水利工程运维管理、长距离输水工程管理等均较为适用,并能提升水利工程运行管理的科学性、有效性、及时性和准确性。     

三峡库区地质灾害体三维地层可视化实现

角点网格模型是实现不同区块不同尺度三峡库区滑坡体模拟的关键。从介绍角点网格模型的特点入手,介绍如何利用Open Inventor实现以角点网格模型表达的三维地层的可视化显示。重点介绍了如何利用角点网格模型来表达多尺度地质灾害体的三维地层构造格架。同时研究了用三维地层体数据中各角点网格体的属性信息进行可视化表达的方法,实现了基于角点网格模型的多尺度三维地层的空间信息和属性信息多重可视化。     

南水北调中线工程三维仿真系统开发

开发了南水北调中线工程三维仿真系统,将整个中线工程及周边地形地貌在计算机上进行了虚拟再现。应用地形自动建模软件TerraVista和地物建模软件Creator,完成了大范围地形地物数据的建模。采用两级地形三级纹理分块动态载入的方法解决大地形调度问题,同时实现了二维导航漫游、信息查询、渠道水流模拟等方面的功能,为南水北调中线工程的研究提供了三维可视化辅助平台。     

结合GIS技术的洪水调度及风险分析

利用地理信息系统（GIS）技术中的空间数据管理功能对流域栅格数据、矢量数据和属性数据等信息进行管理;利用遥感图像和数字高程模型（DEM）形成流域二维、三维虚拟实现;利用二次开发组件对流域雨水情数据进行多方式的浏览;利用GIS二维、三维技术对洪水调度结果及风险分析结果进行演示（二维平面淹没演示、三维库水位动态演示）。逼真的模拟过程有助于洪水调度会商决策，从而提高洪水调度水平和最大程度减免风险。     

水文多尺度仿真研究

阐述了水文多尺度仿真的概念、基本构成要素、研究方法与技术等问题，并以江西雨量站网实验研究区为研究对象，初步建立了一个多尺度仿真系统。结果表明：在水文多尺度系统仿真系统的科研平台下，可以很好地实现多模型族对雨量站网布设密度的优化、水文空间数据的展布、多模型洪水预报比较等功能，有效提高科研效率。     

融合GIS和BIM的流域环境保护三维数字化管理平台

传统环境保护管理系统存在数据管理方式落后、多源缺乏动态关联、可视化效果欠佳等缺陷。以实现流域生态环保工作的数字化管控为目标导向，在系统分析流域环保信息化管理面临问题的基础上，提出了流域环保数字化管理平台的设计思路。通过数据分类存储、多源数据清洗、统一数据编码等技术实现了数据的融合管理和动态关联；在此基础上结合物联网数据采集、数值模拟模型和统计分析算法，实现环保数字化管理的各项功能需求；最后依托三维GIS和BIM融合技术实现了对流域环保的三维数字化展示。该平台在雅砻江流域进行了实际应用，实现了流域环保三维数字化管理，其中通过对锦屏一级水电站分层取水设施运行期间相关数据和运行面貌的实时监控及三维场景查询，显著提升了该设施的运行效果，并有效降低了流域生态环境保护风险。研究结果对于类似管理平台的设计和研究均具有借鉴意义。     

分布式非点源有毒污染模型构建研究

在分布式水文模型ESSI基础上，以日为时间尺度，以DEM栅格单元为基本模拟单元，构建了区域尺度的长时期连续模拟的分布式非点源污染模型ESSI-2。模型具有完整的产流、汇流、产沙、汇沙、有毒污染物分解、输移及汇聚等完整的模拟过程。采用动态产流方案，即根据降雨特征和下垫面特征之间的动态对比关系动态选取产流方式。采用RUSLE模型计算泥沙剥蚀量，并根据产沙量与径流泥沙输移能力的对比计算泥沙输出量。模型充分描述了农药的降解、吸附、下渗、输移、汇聚等过程，因此可以对农药的输移过程进行模拟和时空分布分析。最后，以临沂流域为研究区，对模型进行了验证和应用。模拟结果表明，ESSI-2模型在临沂流域是适用的，能够应用于土壤侵蚀及农药输移过程研究。     

基于洪水模拟和预报的三维仿真系统设计

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。