基于3D GIS的水庫群聯(lián)合調度多尺度模擬仿真研究

劉 成 堃，馬 瑞，邱 鑫，柳 嘉，喻 杉

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.長江空間信息技術工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010； 3.湖北省水利信息感知與大數(shù)據(jù)工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

隨著防洪建設的不斷完善，長江中下游已基本形成了以堤防為基礎、三峽工程為骨干，其他干支流水庫、蓄滯洪區(qū)、河道整治工程及防洪非工程措施相配套的綜合防洪體系，防洪能力顯著提高[1]。然而，近年來極端或異常天氣不斷出現(xiàn)，洪澇災害出現(xiàn)頻次不斷增加，受災范圍不斷擴大，長江中下游河道安全泄量與長江洪水峰高量大的矛盾愈發(fā)突出[2-3]。為有效減少災害損失，充分發(fā)揮現(xiàn)有防洪工程的作用，亟需利用科學數(shù)據(jù)建立模型對洪水演進過程模擬，提前采取必要的防洪調度手段進行災情預防和控制。

要解決洪水災害模擬和防洪調度過程中的復雜問題，需整合多渠道、多途徑數(shù)據(jù)源及各類防洪信息，并利用多尺度、多維度、多層次的表達能力來建立洪災數(shù)字化模型，模擬推演洪災變化情況[4-6]。而地理信息系統(tǒng)(GIS)技術的出現(xiàn)為這些信息的集成和表達提供了新的途徑，GIS將可視化地圖與地理分析功能與數(shù)據(jù)庫操作集成在一起，支持空間查詢和空間分析，提供基于地理對象的新技術，在計算機軟、硬件支持下，對時空信息進行分析、管理和應用。

GIS技術在水利領域應用廣泛，其最初主要運用于水利工程的信息化管理，后逐漸開始與水文水資源管理、災害監(jiān)測、風險評估等業(yè)務相結合，提供技術支撐[7-9]。近年來，研究者逐漸開展GIS在防洪調度管理中的應用研究。對于單一防洪工程設施的調度過程數(shù)字化模擬，已有的研究大多建立局部區(qū)域的三維模型，利用傳統(tǒng)3D GIS、游戲引擎等技術開發(fā)調度模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)精細化仿真。例如，周學龍等[10]利用三維電子沙盤，開發(fā)了奉化亭下水庫三維防洪調度仿真系統(tǒng)；方衛(wèi)民等[11]針對北京市再生水灌區(qū)，基于商業(yè)3D GIS軟件開發(fā)了河道防洪模擬調度系統(tǒng)；王欣等[12]利用MIKE FLOOD模擬潰壩后蓄滯洪區(qū)的洪水演進情況。

隨著防洪調度范圍和尺度的擴大，特別是當涉及流域級別，以傳統(tǒng)3D GIS、游戲引擎等為代表的三維技術在數(shù)據(jù)量承載、多尺度切換、流暢顯示等方面遇到了一定的困難和瓶頸，研究者們大多采用2D GIS建立專題地圖，將防洪調度信息轉換為二維地圖符號進行可視化，并輔以統(tǒng)計圖表作為補充。劉云等[13]開發(fā)了可接入MIKE模型的洪水調度平臺，建立了洞庭湖洪水調度系統(tǒng)，為洪水調度決策提供參考；張俊等[14]基于2D GIS開發(fā)了漢江流域洪水預報調度系統(tǒng)；梁國華等[15]采用面向對象技術，設計并開發(fā)了基于Hibernate 4層結構的遼河流域防洪調度系統(tǒng)。現(xiàn)有的研究在流域尺度往往采用2D GIS技術以地圖符號描述宏觀調度信息；對于較小范圍的工程設施則廣泛使用3D GIS場景進行精細化動態(tài)模擬。而隨著近年來設備性能、空間信息采集能力、模擬仿真技術的提升，使3D GIS的數(shù)據(jù)承載能力不斷增強，對多尺度防洪調度信息的集成管理具有了更強的可行性，并可兼具宏觀展示和微觀模擬的優(yōu)勢。鑒于此，本文基于3D GIS的聯(lián)合調度多尺度模擬仿真方法，提出對水庫群、庫區(qū)、中下游河道、蓄滯洪區(qū)等要素進行多尺度模擬仿真的具體手段，并基于開源三維圖形學引擎，針對防洪調度模擬的特點開發(fā)形成了一套3D GIS集成框架，對1954年典型洪水過程進行宏觀、中觀、微觀相結合的多尺度模擬仿真。

1 水庫群聯(lián)合調度多尺度模擬表達方法

1.1 聯(lián)合調度工程要素及其傳統(tǒng)表達方法

防洪調度工程主要為水庫和蓄滯洪區(qū)，而隨著防汛抗旱綜合體系日趨完善，排澇泵站、排洪涵閘數(shù)量和體量越來越大，對干流流量的影響已經(jīng)不容忽視。近年來，具備報汛條件和相關措施的大型重點泵站、涵閘、引調水工程也被納入到綜合調度中。

傳統(tǒng)的防洪調度可視化手段主要以2D GIS結合統(tǒng)計圖表為主，在宏觀尺度使用專題地圖標注描述防洪調度概況；對于微觀細節(jié)，則只能通過統(tǒng)計圖表進行補充，如通過監(jiān)測水位、流量、攔蓄洪量等指標變化來反映工程設施的運用情況，通過重點河段、重要控制性水文站的水位調節(jié)變化來體現(xiàn)聯(lián)合調度的成效。傳統(tǒng)方法在觀察特定設施的調度結果時，難以形成對全局防洪形勢的認知，過于抽象且不夠直觀，因此需要研究更加高效的可視化方法。

1.2 3D GIS場景下的多尺度表達方法

3D GIS能利用多源數(shù)據(jù)融合技術，集成多類數(shù)據(jù)源，構建統(tǒng)一的虛擬場景，無縫地在宏觀、中觀和微觀尺度間進行漫游和切換。借助3D GIS的優(yōu)勢，聯(lián)合調度工程要素可在虛擬場景中從多尺度以更加動態(tài)直觀的方式展現(xiàn)。

表1列出了3D GIS場景中水庫群聯(lián)合調度工程要素的內容、所依賴的時序數(shù)據(jù)和具體的多尺度模擬仿真方法，主要以降雨和洪水組成、水庫攔蓄、庫區(qū)淹沒、河道洪水演進、蓄滯洪區(qū)分洪這5類事件為例，提出了多尺度的可視化方法。

由表1可知：在宏觀尺度下主要關注降雨、洪水組成、重要水庫和測站信息等，以圖標閃爍、要素高亮、重點信息標注等形式呈現(xiàn)概況；在中觀尺度下主要關注特定區(qū)域的工程設施組合，如庫區(qū)或河段斷面組、蓄滯洪區(qū)群等，以分級設色、閃爍預警等方式體現(xiàn)風險級別和損失；在微觀尺度下主要關注局部區(qū)域細節(jié)，以水體擴散、水位漲落、要素疊加等三維效果來展示淹沒情況。

表1 3D GIS場景下水庫調度模擬仿真內容、數(shù)據(jù)和尺度說明Tab.1 Description on reservoir flood regulation simulation based on 3D GIS：content，data and scale

1.3 多尺度模擬效果的評判標準

為保證3D GIS場景下防洪調度多尺度模擬的效果，本文總結歸納了調度模擬的4個評判標準：流暢性、專業(yè)性、直觀性、真實準確性。

(1) 流暢性要求建立的3D GIS場景能在多層級間無縫切換和快速加載，確保系統(tǒng)的性能；

(2) 專業(yè)性要求集成的各類要素符合防洪調度專業(yè)準則，且地圖的符號化兼容傳統(tǒng)2D GIS的顯示規(guī)范，使決策分析人員快速適應新的系統(tǒng)環(huán)境；

(3) 直觀性要求場景在多尺度切換時，根據(jù)場景范圍和視點內的設施情況，智能加載相應的業(yè)務統(tǒng)計圖表，使決策者快速直觀了解所需信息；

(4) 真實準確性要求在3D GIS微觀視角下，集成的數(shù)據(jù)具有較高精度，使河道水位、土地淹沒等指標能以真實的三維效果呈現(xiàn)，準確模擬洪水風險情況。

為滿足上述防洪調度模擬標準，構建基于3D GIS的調度模擬系統(tǒng)，文章后續(xù)部分將對系統(tǒng)構建、數(shù)據(jù)集成、模擬分析等內容進行闡述。

2 基于3D GIS的水庫群聯(lián)合調度系統(tǒng)

2.1 3D GIS選型與基礎場景構建

隨著3D GIS技術的快速發(fā)展，市場上出現(xiàn)了大量商業(yè)3D GIS平臺，但受接口限制，難以靈活對防洪調度過程進行表達。因此，本文擬選用開源圖形開發(fā)包Open Scene Graph(OSG)進行聯(lián)合調度模擬的設計與開發(fā)。OSG面向虛擬現(xiàn)實、科學計算可視化等高性能圖形應用，基于場景圖的概念，提供一個在OpenGL之上的面向對象框架，把開發(fā)者從實現(xiàn)和優(yōu)化底層圖形的調用中解脫出來。

通過對OSG的研究和進一步封裝、優(yōu)化，開發(fā)了數(shù)據(jù)預處理工具、數(shù)據(jù)存儲管理工具、數(shù)據(jù)集成瀏覽工具等一系列工具軟件。利用這套完整的工具軟件，對多源數(shù)據(jù)進行處理和集成可形成多尺度3D GIS場景，支撐水庫群聯(lián)合調度的模擬仿真應用。

構建3D GIS場景的多源數(shù)據(jù)集成配置過程如圖1所示。為兼顧數(shù)據(jù)量和模擬仿真效果，針對宏觀尺度選取了低精度DEM和影像作為基礎底圖，針對局部微觀細節(jié)增補高精度DEM和影像、水庫和建筑三維模型、重點區(qū)域傾斜攝影等，并集成多層級專題矢量以豐富信息展示。對多源數(shù)據(jù)分別利用地形切片工具、模型輕量化工具、傾斜攝影瓦片處理工具、符號化配置發(fā)布工具進行預處理，處理成果存儲入庫后，即可在集成配置程序中進行坐標偏移、水面特效添加、地形夸張等配置優(yōu)化，最終形成可以用于聯(lián)合調度模擬的多尺度3D GIS場景。

圖1 面向水庫群調度的3D GIS場景構建Fig.1 3D scene construction for resevoir groups regulateion

2.2 水庫群聯(lián)合調度模擬系統(tǒng)關鍵技術

1.2節(jié)論述了水庫群聯(lián)合調度的多尺度模擬仿真方法，而為了在系統(tǒng)中將這些零散的調度內容串聯(lián)起來，還需要解決統(tǒng)一的過程驅動和信息智能關聯(lián)兩項關鍵技術。

(1) 時間軸驅動的聯(lián)合調度過程統(tǒng)一化。在調度成果數(shù)據(jù)的集成時，由于洪水組成、水庫攔蓄、庫區(qū)淹沒、河道演進、蓄滯洪區(qū)分洪等聯(lián)合調度計算的時間區(qū)間和步長存在差異，因此需要對時序計算成果進行歸一化和同步處理，形成統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)成果，并最終以時間軸驅動數(shù)據(jù)的加載和控制，從而直觀呈現(xiàn)調度過程。

(2) 多尺度下的信息關聯(lián)和智能調用。在調度模擬仿真過程中，對不同尺度關注的重點信息存在較大差異，隨著系統(tǒng)集成的各類數(shù)據(jù)增加，用戶查找所需數(shù)據(jù)將變得十分復雜。為提高信息獲取效率，可在3D GIS場景中，將各類防洪調度工程設施按坐標范圍和顯示尺度劃分，與相應的業(yè)務數(shù)據(jù)建立空間關聯(lián)，并基于用戶在場景中視點范圍自動加載和顯示對應的空間數(shù)據(jù)和業(yè)務信息。例如：當用戶將視口移動至流域尺度，顯示各主要支流來水情況，以高亮矢量線進行洪水預警；當用戶定位至三峽水庫，自動顯示剩余防洪庫容、水位流量過程線等；當用戶切換至蓄滯洪區(qū)，自動顯示運用參數(shù)、人口經(jīng)濟指標等。

2.3 系統(tǒng)框架設計與開發(fā)

基于上述3D GIS基礎場景構建、防洪調度信息集成、多尺度模擬方法，并考慮聯(lián)合調度模擬仿真涉及的兩項關鍵技術問題，使用Visual Studio 2015開發(fā)環(huán)境，基于Open Scene Graph 3.4.0框架進行聯(lián)合調度多尺度模擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、服務層和推演應用層3個部分，如圖2所示。其中數(shù)據(jù)層選用開源PostgreSQL數(shù)據(jù)庫存儲屬性信息，包括調度過程數(shù)據(jù)、淹沒損失數(shù)據(jù)、水動力學推演數(shù)據(jù)，并采用PostGIS空間數(shù)據(jù)擴展以兼容地形數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、專題矢量數(shù)據(jù)；服務層一方面構建數(shù)據(jù)和地圖服務，為應用層提供數(shù)據(jù)和地圖訪問接口；另一方面提供聯(lián)合調度過程的數(shù)據(jù)解算、格網(wǎng)信息動態(tài)構建等算法服務，為應用層提供可供可視化仿真的結果；調度模擬應用層除了提供數(shù)據(jù)漫游、數(shù)據(jù)查詢定位、空間量算等3D GIS基礎功能外，重點解決聯(lián)合調度涉及的降雨和洪水組成、水庫攔蓄、庫區(qū)淹沒、河道演進、蓄滯洪區(qū)分洪的多尺度表達效果。

圖2 聯(lián)合調度多尺度模擬仿真系統(tǒng)體系結構Fig.2 Multi-scale simulation system architecture of reservoir combined regulation

開發(fā)形成的系統(tǒng)界面如圖3所示。其中主視圖為3D GIS場景展示窗口，用戶可交互式瀏覽宏觀、中觀和微觀尺度的模擬仿真過程；下方時間軸提供時間控制與洪水場次劃分功能，驅動防洪調度過程的時序模擬；上方勾選框為聯(lián)合調度涉及的展示要素功能入口，包括洪水組成、水庫攔蓄、蓄滯洪區(qū)運用、庫區(qū)淹沒等，提供相關統(tǒng)計圖表作為3D GIS場景的補充。后文將針對典型洪水聯(lián)合調度過程在系統(tǒng)中進行模擬和分析。

圖3 水庫群聯(lián)合調度多尺度模擬系統(tǒng)界面Fig.3 The flood regulation simulation system interface

3 模擬與分析

以長江流域為例，模擬1954年典型洪水在現(xiàn)有以三峽水庫為核心的水庫群防洪工況下的聯(lián)合調度過程。聯(lián)合調度計算的時間為1954年6月25日至9月7日，針對期間發(fā)生的4場洪水，計算得到了洪水組成、水庫攔蓄、庫區(qū)淹沒、河道洪水演進、蓄滯洪區(qū)分洪等時序數(shù)據(jù)成果，具體的數(shù)據(jù)成果如表2所列。

表2 1954年典型洪水在現(xiàn)工況下調度數(shù)據(jù)成果Tab.2 Reservoir regulation data of typical flood in 1954

各類防洪調度計算成果的時間粒度存在差別，因此在將結果導入系統(tǒng)框架前，將計算結果以天為單位進行統(tǒng)一化處理，同時針對蓄滯洪區(qū)分洪演進等在局部時間區(qū)間發(fā)生的事件，提供以小時為單位的獨立控制欄進行補充。

數(shù)據(jù)導入后，可在3D GIS場景中以時間軸驅動水庫群聯(lián)合調度，并分別在宏觀、中觀、微觀視角下觀察調度過程，如圖4所示。

圖4(a)從宏觀尺度反映調度過程，使用烏云圖標覆蓋主要降雨區(qū)域，使用橙色高亮顯示主要來水支流，使用水庫圖標由藍色逐漸變?yōu)槌壬硎疽延梅篮閹烊荩褂盟畮靾D標閃爍表示當前正在進行攔蓄，并輔以統(tǒng)計圖表展示詳細指標；圖4(b)～(c)分別給出了中觀尺度下三峽庫區(qū)河道和長江中下游河道、蓄滯洪區(qū)的預警和工程運用情況，其中河道變紅表示水位超警，并用統(tǒng)計表格給出損失估計，蓄滯洪區(qū)變藍表示已啟用，并用顏色深淺表示蓄洪量的高低；圖4(d)～(f)給出了微觀尺度下水庫、庫區(qū)、蓄滯洪區(qū)的水位漲落、擴散和淹沒情況，使用透明水面效果與水電站、庫區(qū)高清三維地形、蓄滯洪區(qū)內房屋土地等要素疊加，直觀了解淹沒程度和損失。

圖4 三維環(huán)境下的1954年典型洪水聯(lián)合調度過程多尺度模擬仿真Fig.4 Multi-scale simulation of 1954 typical flood regulation process in 3D environment

除了通過不同尺度了解聯(lián)合調度的整體情況外，還可在系統(tǒng)中針對重點關注對象從多尺度進行觀察。

例如可通過圖4分別從宏觀、中觀和微觀角度觀察主要洪水組成梯級的淹沒模擬仿真，在不同尺度下自動關聯(lián)顯示的工程運用、預警、損失統(tǒng)計等信息，使3D GIS與相關統(tǒng)計指標的結合更具直觀性和針對性。

4 結論與展望

本文針對傳統(tǒng)2D GIS方法在防洪調度模擬中僅能呈現(xiàn)宏觀概況的局限性，開展了基于3D GIS的防洪調度要素多尺度模擬研究，形成了一套適用于聯(lián)合調度過程三維動態(tài)推演的程序框架。以1954年歷史洪水為例，在該框架下從宏觀、中觀、微觀尺度模擬了典型洪水在現(xiàn)有防洪工況下的調度過程。

與2D GIS方法相比，3D GIS拓寬了防洪調度模擬的空間尺度，提升了信息的承載能力，并可基于多尺度三維場景開展各類智能應用，為防洪調度會商提供更為全面的輔助支持。從2D GIS向3D GIS的轉換卻也存在一些技術難點和問題，尤其體現(xiàn)在對系統(tǒng)硬件性能、網(wǎng)絡傳輸速率、空間數(shù)據(jù)質量和精度、三維模型豐富度、調度成果數(shù)據(jù)規(guī)范化等方面的更高要求。

本文提出的水庫群聯(lián)合調度多尺度模擬仿真方法和系統(tǒng)框架是將3D GIS技術應用到調度模擬的一次嘗試，在后續(xù)研究中可進一步深入細化，豐富仿真手段和表達效果，嘗試從長江流域的水庫群聯(lián)合調度模擬擴展到全流域的水工程調度模擬，充分發(fā)揮3D GIS與防洪調度結合的優(yōu)勢和擴展性。