基于World Wind的鄱陽湖水位動態變化仿真系統研究

戚曉明，杜培軍，汪迎春，3，金菊良，徐善健

(1.蚌埠學院計算機科學與技術系，蚌埠 233000;2.中國礦業大學地理信息與遙感科學系，徐州 221116;3.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098;4.合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥 230009)

基于World Wind的鄱陽湖水位動態變化仿真系統研究

戚曉明1，2，杜培軍2，汪迎春2，3，金菊良4，徐善健1

(1.蚌埠學院計算機科學與技術系，蚌埠 233000;2.中國礦業大學地理信息與遙感科學系，徐州 221116;3.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098;4.合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥 230009)

World Wind是由美國宇航局(NASA)開發的三維地理信息系統，也是一款可提供豐富數據的數字地球平臺，如何將多源數據實現緊密型二三維耦合是基于World Wind開發專業系統需要解決的重要問題。在.NET開發環境下，以World Wind為仿真內核，開發了水位仿真系統，研究了二三維數據耦合技術，實現了環鄱陽湖生態經濟開發區的湖區與航道淹沒分析和三維漫游。結果表明，仿真系統流暢地實現了任意點地形高程、水位、水深和航道級別等信息的實時查詢，仿真了不同控制水位條件下的鄱陽湖區淹沒范圍，仿真結果能夠服務于鄱陽湖水利樞紐的水位調控決策;該仿真系統在湖泊干旱特征水位等確定中也具有重要的應用價值。

湖泊水位仿真系統;控制水位;淹沒范圍;鄱陽湖;World Wind;GIS

0 引言

地形三維可視化技術研究的關鍵問題是三維地形模型的管理、調度與實時渲染，以提高地形實時顯示速度并達到視覺效果的最佳平衡。國內外學者對大地形建模和仿真技術做了大量的研究，綜合運用了地形多分辨率表示法、層次細節載入LOD(level of detail)控制和地形生成算法等［1－2］。近年來出現的Google Earth和World Wind等數字地球平臺都以大量的空間數據服務為支撐，實現了多維數據在地球模型中的可視化。World Wind是一款由NASA開發的三維地理信息系統，該系統利用Landsat 7，SRTM，MODIS等多種衛星遙感數據，將衛星圖像與SRTM數字高程模型疊加在一起，實現三維地球仿真［3－4］。World Wind 是采用 C#語言編寫的開源軟件，研究人員能夠自由修改源代碼，擴展其功能和樣式，在科學、教育和政府等行業應用中都有非常大的潛力［5］。

湖泊的水文過程決定了湖泊生態系統的結構和功能，水位變動是影響湖泊生態系統狀態長期變化的最主要因素［5］。鄱陽湖是中國最大的淡水湖，是國際重要濕地和長江干流重要的調蓄性湖泊。本文針對鄱陽湖水利樞紐不同控制水位淹沒范圍、對港口吞吐量和候鳥棲息地影響等問題，基于World Wind軟件開發了鄱陽湖水位動態變化仿真系統，這有利于鄱陽湖水利樞紐水位調控的決策需求。

1 研究區概況

鄱陽湖位于江西省的北部、長江中下游南岸，是中國最大的淡水湖泊。鄱陽湖承納贛江、撫河、信江、饒河、修河5大江河及清豐山溪、博陽河、漳田河、潼津河等區間來水，經調蓄后由湖口注入長江，是一個過水性、吞吐型的湖泊，鄱陽湖水系流域面積16.22萬km2，最大豐水期面積約5 100 km2。鄱陽湖為季節性湖泊，年內水位變幅巨大，形成了大量的灘地、沼澤和沙洲，是我國重要的濕地生態系統。水位高時以湖泊為主體，水位低時以沼澤為主體，呈現水陸相交替出現的生態景觀。夏季的7月與冬季的1月水位相差多年平均為12 m左右。水位和水域面積的變化造成鄱陽湖天然濕地各類型之間的動態變化［9］。南昌是江西省的省會，而南昌港則是江西省的樞紐港，在全省處于航運中心的地位［10－11］，鄱陽湖水利樞紐工程對南昌港港口岸線資源影響主要取決于鄱陽湖區水位的控制情況，鄱陽湖地區的水系及城鎮分布情況如圖1所示。

圖1 鄱陽湖地區水系分布圖Fig.1 Distribution of river system of Poyang lake

2 湖泊水位仿真系統的研制與實現

2.1 功能設計

鄱陽湖水位動態變化仿真系統是收集、存儲、管理、綜合分析和處理空間信息的軟件系統，重點強調和突出以下功能:

1)人機交互。仿真系統簡單直觀，方便用戶操作，具有較好的交互性和處理效率。如Shape文件圖層的加載、圖像文件的疊加、局部地形詳細查看、淹沒區水位、流量數據的加載與動態修改和點、面、線信息的編輯等功能。

2)科學計算及可視化。河道、湖區水位、流量和河道等級數據的演示以及實時顯現河道與湖區的中任意點的水位、高程、通航能力等信息。

3)虛擬環境模擬?？蓪崿F基于三維模型的高分辨率圖像瀏覽，遙感圖像分辨率最高可達到15 cm，DEM數據分辨率湖區為25 m，湖區外為90 m;實現分類信息圖層表達，包括自定義的河網編碼、水位淹沒線、地名標注等圖層;鄱陽湖區的全景、河道視點控制等功能。

2.2 地形處理

World Wind衛星數據可自動更新，低分辨率的Blue marble數據也包含在內，當用戶放大特定區域到一定比例尺時，附加的高分辨率數據將會自動從NASA服務器上下載，遙感影像與SRTM高程疊加生成三維地形。SRTM高程數據的分辨率在中國范圍內是90 m，不能滿足鄱陽湖水位動態變化仿真的要求，必須將已有鄱陽湖區的高分辨率地形數據處理成World Wind地球模型能夠識別的數據格式。

1)處理SRTM數據，生成數字高程模型(DEM)，利用ENVI軟件將鄱陽湖區的SRTM數據進行鑲嵌、裁剪及調整分辨率(25 m)后，導出為TXT格式的DEM數據文件。

2)利用ArcMap軟件，將鄱陽湖湖區及河道的高精度Shape格式等高線數據(重點地段加密測量)轉換成柵格DEM數據(水平分辨率25 m)。將湖區和河道外部高程低于60 m的網格數據的高程值修改為60 m，使得在設置動態淹沒水位時水不會外流到湖區外或河道外部，確保淹沒面積計算正確。

3)將鄱陽湖區的DEM數據、河道DEM數據與SRTM 數據同步同化［7－8］，將同步同化后的研究區DEM數據轉換成帶有地理投影的TIF格式圖像文件。

4)將地形數據進行瓦片切割。在鄱陽湖湖泊水位仿真中，當視野集中在某一地區時，動態加載該地區的地形數據，而不是一次性將所有地形數據加載，這就實現了不同數據來源的遙感影像、高程數據在地球模型中流暢的顯示和信息提取。高程數據同紋理數據一樣分層存儲，數據存放在“CacheEarthImagesNASA Landsat ImageryNLT Landsat7(Visible Color)”目錄。從服務器下載的圖像為JPG格式，512像元×512像元，下載完畢后轉換為DDS格式，DTX3壓縮，下載的臨時文件后綴為jpg.tmp。World Wind的分層技術以地球360°經度和180°緯度為標準，第一層以36°劃分，分為(360/36)×(180/36)=50層，第二層以18°劃分，第三層以9°劃分，依次類推［4］，如圖 2、圖 3 所示。

圖2 多分辨率分層原理圖Fig.2 Multiresolution layered principle

圖3 World Wind分層結構圖Fig.3 World Wind’s layered structure

針對鄱陽湖區地形數據，主要采用瓦片切割工具FWTools和Dstile將地形TIF格式文件切割成分級的多分辨率圖像分層文件集合。創建瓦片的通用命令行格式為:dstile.exe－－tile－－lztsd tile_size－－wwcache－－overviews output_directory georeferenced_image_file(s)。其中參數如下:tile_size為圖層瓦片大小，十進制數，能被180整除(最好為180/2n);output_directory為瓦片金字塔的輸出路徑;georeferenced_image_file(s)為影像數據的完整路徑，一系列的多重影像可以自動組合成單一的瓦片金字塔。命令說明:①－－tile，作用是Dstile將要創建瓦片金字塔;②－－wwcache，作用是Dstile按World Wind的內部格式組織和命名創建的瓦片;③－－overviews，作用是Dstile去創建所有可以創建的瓦片圖層。

5)配置Earth.xml地球加載文件，使得地球模型運行時自動加載研究區的高分辨率DEM數據。在config文件夾下找到 Earth.xml，在 ＜TerrainAccessor＞標簽下添加“＜Higher Resolution Subset＞地形數據名稱，＜/Higher Resolution Subset＞”標簽。名字和數據集名字要與上面自定義的文件夾名稱相同。

2.3 水位仿真插件開發

World Wind提供兩種擴展系統功能的方法:Plug－in(插件)機制和Add－on(附加)技術。插件機制支持多種語言的插件形式，具有較高的運行效率。水位仿真插件是借鑒World Wind 1.4版本中的插件機制開發的，主要設計思路如下:

1)選取一個矩形范圍的左上角和右下角經緯度，作為水位演示區域，即為Rect1。

2)計算當前的取景視野矩形范圍，即為Rect2;計算Rect1和Rect2兩個矩形的交集，即為Rect3。本步驟中采用了動態計算Rect2的方法，Rect2的mesh網格大小是128×128。因此，當視野距離研究區較遠時，看到的淹沒范圍分辨率較低;當放大到一定倍數時，即視野離研究地點越近時，看到的淹沒范圍分辨率越高。這樣做的優點是進行動態渲染時圖像非常流暢，其缺點是計算機的CPU占用率較高。

3)對Rect3矩形區域作行數和列數為128的雙層循環，以(地球半徑+水位×垂直夸張系數)為半徑構建一個網格mesh，并可以動態設置mesh的顏色和水位，這樣當某一點的水位高于該點的高程時，該點就被mesh網格覆蓋，呈現了湖水淹沒范圍特效。反之，當某一點的水位低于該點的高程時，該點就覆蓋了mesh網格，呈現陸地或高山景象的特效。

4)對Rect3矩形區域作行數和列數為128的雙層循環，計算每一個小單元的水位值減去當前高程值，然后以標簽的形式輸出當前點的經度、緯度、高程、水位、水深和航道級別信息。

2.4 地理空間數據擴展

1)矢量數據。World Wind可將本地的Shape文件作為圖層加載到World Wind地球模型上，能將地理要素對應到正確的地理位置上，并能自動顯示出World Wind中的屬性信息。鄱陽湖仿真系統中需要1∶25萬水系圖(河流、湖泊)、地標(詳細到村鎮)、公路、鐵路、省界及河網編號等點、線和面的Shape文件格式數據。

2)柵格數據。開發柵格圖像疊加的功能插件，將本機的柵格數據疊加到World Wind三維地球模型上，并且可以調整柵格圖像的透明度，方便用戶進行深入的觀察分析。將不同時期的Landsat鄱陽湖地形處理成TIF格式的圖片，對高程數據及TM/ETM+衛星圖像作前期處理時可以用使用Global Mapper軟件處理，配準加載到World Wind中實現地形變遷分析。

3)3D模型數據。鄱陽湖的一些水工建筑物3D模型，可以運用XML文件以靜態方式加載到仿真系統中，動態管理各個模型。使用AutoCAD建模軟件，建立水閘、船舶等三維模型，導出為*.x格式三維模型文件，編寫XML配置文件加載本地3D模型數據到World Wind平臺上顯示。

3 湖泊水位仿真系統應用

3.1 鄱陽湖淹沒范圍仿真

鄱陽湖水位仿真系統可有效地模擬不同控制水位下的湖區及河道的淹沒情況，如圖4所示。圖5是在12～19 m的控制水位條件下的湖水淹沒情況。

圖4 控制水位淹沒范圍的疊加顯示Fig.4 Superposition display of control water level and submerged range

圖5 控制水位下的淹沒范圍Fig.5 Submerged range under different water level

選取柵格步長100 m的鄱陽湖區的柵格覆蓋，總柵格子數為1 490 890個(1 537行×970列)，其中無數據總柵格數為967 368個，有數據總柵格數為523 522個。表1是鄱陽湖區在不同控制水位狀態下的水深面積的統計表;圖6是在一定的水位條件下，不同水深的統計曲線圖;圖7是淹沒面積與水位關系曲線;圖8是未淹沒面積與水位關系曲線圖。

表1 鄱陽湖區不同水位下不同湖區內水深水域面積Tab.1 Poyang Lake under different water submerged depth statistics

圖6 水深2 m以下的淹沒面積曲線Fig.6 Submerged area curve(depth of 2 m)

圖7 淹沒面積與水位關系曲線Fig.7 Submerged area and water level relation curves

圖8 未淹沒面積與水位關系曲線Fig.8 Unsubmerged area and water level relation curves

3.2 鄱陽湖水位的環境影響分析

1)對候鳥的影響。鄱陽湖為一過水性吞吐型湖泊，洪水季節水位在19.0 m左右;枯水季節(11月至次年3月)湖面萎縮，水位一般低于10.0 m。在冬季水位下落的過程中大片灘地出露，珍禽候鳥云集，冬季氣溫適合鳥類生存。從圖6中可以看出，當水位大于16 m時，水深為2 m以下的水域面積迅速減少。有關研究表明，湖區水深在2 m以內是有利于候鳥的棲息的［12］，可見，鄱陽湖水位和水深的變化對候鳥的棲息有一定的影響。

2)對航道的影響。當環鄱陽湖區枯水期調控水位到15～16 m時，對樞紐上游航道而言亦能形成真正意義上的環鄱陽湖千噸級(Ⅲ級)以上標準的高等級航道網。為水運發展的需要，建議鄱陽湖水利樞紐枯水期調控方案首選16 m，其次可采用15 m。

3)對港口的影響。南昌港是江西省的水運樞紐港，是由交通部定位的全國內河28個主要港口之一。環鄱陽湖區枯水期調控水位15 m以上時，將使南昌港的深水港口岸線條件有一個質的飛躍，與長江黃金水道枯水期維護性航道水深一致，可實現南昌港水運貨物的江海直達。綜合上述枯水期調控水位方案對環境影響來看，枯水期調控水位15 m及以上為可接受方案。

4 結論

1)基于GIS，World Wind和遙感技術，仿真了環鄱陽湖區枯水期不同調控水位對環鄱陽湖航道通航水位、港口、岸線的影響分析，仿真結果有利于鄱陽湖水利樞紐水位調控的決策需求。

2)系統仿真了環鄱陽湖區枯水期不同調控水位(吳淞高程分別為16 m，15 m，14 m和13 m)的情況，并綜合枯水期調控水位方案對航道影響，得出枯水期控制水位15 m是對該區域的生態和通航比較有利的方案。

3)目前的湖區地形數據采用了Dstile工具處理成World Wind所需要的金字塔式的瓦片圖像數據，這對于具有時間序列的地形數據進行時態的對比分析是不利的，需要進一步研究。

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［3］World Wind Central，Open Source Community Portal，http://www.worldwindcentral.com.

［4］Bluck J，NASA Computer Program is‘Hot Download’on the Internet.2004，http://www.nasa.gov/vision/earth/environment/World_Wind.html.

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Simulation Research on the Water Level of the Poyang Lake Based on World Wind Technology

QI Xiao － ming1，2，DU Pei－ jun2，WANG Ying － chun2，3，JIN Ju － liang4，XU Shan － jian1
(1.Computer Science and Technology Department of Bengbu College，Bengbu 233000，China;2.Department of Remote Sensing and Geographical Information Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;3.Hydrology and Water Resources and Hydraulic Engineering Laboratory，Hohai University，Nanjing 210098，China;4.School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

World Wind is an open source(released under the NASA license)virtual globe developed by NASA.The program provides a platform for digital earth and 3D GIS.The realization of the compacted 2－3D coupling of multi－source data is one of the problems in the process of developing professional system based on World Wind.In the .Net development environment，taking World Wind as the simulation kernel，the authors developed the water level simulation plug－in，studied the 2－3D coupling of data technology，and realized the lake＆ channels’flood inundation risk analysis and 3D roaming of the Poyang ecological economic development zone.The results show that the simulation system can realize smoothly the real－time information query at any point in such aspects as terrain elevation，water level and submerged depth，and navigation level.The submerged range of the Poyang Lake is also simulated under different water－control conditions.The results can serve the decision－making regulation of Poyang Lake water conservancy hub.

simulation of Poyang Lake’s water level;control water;submerged scope;Poyang Lake;World Wind;GIS

TP 751.1

A

1001－070X(2012)02－0105－05

戚曉明(1975－)，男，副教授，博士后，主要從事水文水資源和地理信息系統研究。E－mail:qixiaoming888@sina.com。

(責任編輯:李 瑜)

10.6046/gtzyyg.2012.02.19

2011－07－08;

2011－09－04

國家自然科學基金項目(編號:41001292)、水利部公益性行業科研專項經費項目(編號:201001043)及安徽省教育廳自然科學研究項目(編號:KJ2009B131)共同資助。