基于3D GIS的水庫群聯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據工程技術研究中心，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、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，洪澇災害出現頻次不斷增加，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突出[2-3]。為有效減少災害損失，充分發揮現有防洪工程的作用，亟需利用科學數據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、多途徑數據源及各類防洪信息，并利用多尺度、多維度、多層次的表達能力來建立洪災數字化模型，模擬推演洪災變化情況[4-6]。而地理信息系統(GIS)技術的出現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據庫操作集成在一起，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、災害監測、風險評估等業務相結合，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字化模擬，已有的研究大多建立局部區域的三維模型，利用傳統3D GIS、游戲引擎等技術開發調度模擬系統，實現精細化仿真。例如，周學龍等[10]利用三維電子沙盤，開發了奉化亭下水庫三維防洪調度仿真系統；方衛民等[11]針對北京市再生水灌區，基于商業3D GIS軟件開發了河道防洪模擬調度系統；王欣等[12]利用MIKE FLOOD模擬潰壩后蓄滯洪區的洪水演進情況。

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3D GIS、游戲引擎等為代表的三維技術在數據量承載、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，并輔以統計圖表作為補充。劉云等[13]開發了可接入MIKE模型的洪水調度平臺，建立了洞庭湖洪水調度系統，為洪水調度決策提供參考；張俊等[14]基于2D GIS開發了漢江流域洪水預報調度系統；梁國華等[15]采用面向對象技術，設計并開發了基于Hibernate 4層結構的遼河流域防洪調度系統。現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的數據承載能力不斷增強，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勢。鑒于此，本文基于3D GIS的聯合調度多尺度模擬仿真方法，提出對水庫群、庫區、中下游河道、蓄滯洪區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 水庫群聯合調度多尺度模擬表達方法

1.1 聯合調度工程要素及其傳統表達方法

防洪調度工程主要為水庫和蓄滯洪區，而隨著防汛抗旱綜合體系日趨完善，排澇泵站、排洪涵閘數量和體量越來越大，對干流流量的影響已經不容忽視。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。

傳統的防洪調度可視化手段主要以2D GIS結合統計圖表為主，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，則只能通過統計圖表進行補充，如通過監測水位、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變化來體現聯合調度的成效。傳統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能利用多源數據融合技術，集成多類數據源，構建統一的虛擬場景，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的優勢，聯合調度工程要素可在虛擬場景中從多尺度以更加動態直觀的方式展現。

表1列出了3D GIS場景中水庫群聯合調度工程要素的內容、所依賴的時序數據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、庫區淹沒、河道洪水演進、蓄滯洪區分洪這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概況；在中觀尺度下主要關注特定區域的工程設施組合，如庫區或河段斷面組、蓄滯洪區群等，以分級設色、閃爍預警等方式體現風險級別和損失；在微觀尺度下主要關注局部區域細節，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、數據和尺度說明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，確保系統的性能；

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

(3) 直觀性要求場景在多尺度切換時，根據場景范圍和視點內的設施情況，智能加載相應的業務統計圖表，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，集成的數據具有較高精度，使河道水位、土地淹沒等指標能以真實的三維效果呈現，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，文章后續部分將對系統構建、數據集成、模擬分析等內容進行闡述。

2 基于3D GIS的水庫群聯合調度系統

2.1 3D GIS選型與基礎場景構建

隨著3D GIS技術的快速發展，市場上出現了大量商業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包Open Scene Graph(OSG)進行聯合調度模擬的設計與開發。OSG面向虛擬現實、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，把開發者從實現和優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、優化，開發了數據預處理工具、數據存儲管理工具、數據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，對多源數據進行處理和集成可形成多尺度3D GIS場景，支撐水庫群聯合調度的模擬仿真應用。

構建3D GIS場景的多源數據集成配置過程如圖1所示。為兼顧數據量和模擬仿真效果，針對宏觀尺度選取了低精度DEM和影像作為基礎底圖，針對局部微觀細節增補高精度DEM和影像、水庫和建筑三維模型、重點區域傾斜攝影等，并集成多層級專題矢量以豐富信息展示。對多源數據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、地形夸張等配置優化，最終形成可以用于聯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 水庫群聯合調度模擬系統關鍵技術

1.2節論述了水庫群聯合調度的多尺度模擬仿真方法，而為了在系統中將這些零散的調度內容串聯起來，還需要解決統一的過程驅動和信息智能關聯兩項關鍵技術。

(1) 時間軸驅動的聯合調度過程統一化。在調度成果數據的集成時，由于洪水組成、水庫攔蓄、庫區淹沒、河道演進、蓄滯洪區分洪等聯合調度計算的時間區間和步長存在差異，因此需要對時序計算成果進行歸一化和同步處理，形成統一化的數據成果，并最終以時間軸驅動數據的加載和控制，從而直觀呈現調度過程。

(2) 多尺度下的信息關聯和智能調用。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，隨著系統集成的各類數據增加，用戶查找所需數據將變得十分復雜。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，與相應的業務數據建立空間關聯，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據和業務信息。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，自動顯示運用參數、人口經濟指標等。

2.3 系統框架設計與開發

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開發環境，基于Open Scene Graph 3.4.0框架進行聯合調度多尺度模擬仿真系統的開發。

系統包括數據層、服務層和推演應用層3個部分，如圖2所示。其中數據層選用開源PostgreSQL數據庫存儲屬性信息，包括調度過程數據、淹沒損失數據、水動力學推演數據，并采用PostGIS空間數據擴展以兼容地形數據、模型數據、專題矢量數據；服務層一方面構建數據和地圖服務，為應用層提供數據和地圖訪問接口；另一方面提供聯合調度過程的數據解算、格網信息動態構建等算法服務，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據漫游、數據查詢定位、空間量算等3D GIS基礎功能外，重點解決聯合調度涉及的降雨和洪水組成、水庫攔蓄、庫區淹沒、河道演進、蓄滯洪區分洪的多尺度表達效果。

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

開發形成的系統界面如圖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、蓄滯洪區運用、庫區淹沒等，提供相關統計圖表作為3D GIS場景的補充。后文將針對典型洪水聯合調度過程在系統中進行模擬和分析。

圖3 水庫群聯合調度多尺度模擬系統界面Fig.3 The flood regulation simulation system interface

3 模擬與分析

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

表2 1954年典型洪水在現工況下調度數據成果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框架前，將計算結果以天為單位進行統一化處理，同時針對蓄滯洪區分洪演進等在局部時間區間發生的事件，提供以小時為單位的獨立控制欄進行補充。

數據導入后，可在3D GIS場景中以時間軸驅動水庫群聯合調度，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為橙色表示已用防洪庫容，使用水庫圖標閃爍表示當前正在進行攔蓄，并輔以統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河道和長江中下游河道、蓄滯洪區的預警和工程運用情況，其中河道變紅表示水位超警，并用統計表格給出損失估計，蓄滯洪區變藍表示已啟用，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、蓄滯洪區的水位漲落、擴散和淹沒情況，使用透明水面效果與水電站、庫區高清三維地形、蓄滯洪區內房屋土地等要素疊加，直觀了解淹沒程度和損失。

圖4 三維環境下的1954年典型洪水聯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合調度的整體情況外，還可在系統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顯示的工程運用、預警、損失統計等信息，使3D GIS與相關統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2D GIS方法在防洪調度模擬中僅能呈現宏觀概況的局限性，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合調度過程三維動態推演的程序框架。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，尤其體現在對系統硬件性能、網絡傳輸速率、空間數據質量和精度、三維模型豐富度、調度成果數據規范化等方面的更高要求。

本文提出的水庫群聯合調度多尺度模擬仿真方法和系統框架是將3D GIS技術應用到調度模擬的一次嘗試，在后續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合調度模擬擴展到全流域的水工程調度模擬，充分發揮3D GIS與防洪調度結合的優勢和擴展性。