淮河流域三维可视化构想和虚拟技术应用

摘要:本文主要介绍了如何将虚拟现实技术应用到流域管理工作中,实现淮河全流域的可视化,着重探讨可视化构想的途径和可行性,采用多种建模软件Geomo3D、TerraVista、3DMax建造地质、地形和建筑物模型,置入VR驱动软件生成淮河流域的虚拟场景系统,并结合流域实际情况开发相应的数据库和外部应用平台,从而实现对流域的科学规划、行蓄洪调度、水情监测和预报等。

关键词:建模技术;虚拟现实技术;平台;淮河流域 

 

淮河流域三维可视化就是对淮河干流、主要支流、行蓄洪区及控制性工程进行三维建模。虚拟技术就是结合淮河洪水干支流交互影响、河道地形变化特点,在洪水来临之前或行蓄洪时,利用布置在各主要控制节点上的监控监测设备,动态地、实时地、准确地描述因河水流量变大、水库水位暴涨引起淹没时的三维场景和水流的三维计算。利用人机交互技术漫游淮河流域和监测淮河水情,可以为有关部门进行洪水预报及调度提供技术工具。

进入二十一世纪以来,虚拟现实技术的发展越来越受到重视,国家科委、国防科工委都已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目。国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用,并取得了一些不错的研究成果。虚拟现实技术建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成,严格遵循工程项目设计的标准和要求,属于科学仿真系统。运用虚拟现实系统,可以对数字模型进行修改,改变水工建筑物高度,改变建筑物所有面的材质、颜色,改变绿化密度,所看即所得,只要修改系统中的参数即可,而不需要象传统三维动画那样,每做一次修改都需要对场景进行一次渲染。这样不同的方案、不同的规划设计意图通过VR技术实时的反映出来,用户可以做出很全面的对比,并且虚拟现实系统可以很快捷、方便的随着方案的变化而作出调整,辅助用户作出决定。从而大大加快了方案设计的速度和质量,提高了方案设计和修正的效率,也节省了大量的资金。

用计算机网络技术、遥感技术与3D GIS技术、IDL交互式数据语言、虚拟现实技术和海量数据管理系统建设三维的可视化淮河流域,为流域规划和管理提供最直观的三维形式,为全局掌控流域内情况提供一个重要的平台,也为前期技术论证提供了一个演示的舞台。

 

1 全流域可视化的可行性分析

 

计算机硬件技术、网络技术以及多媒体技术融合与高速发展,虚拟现实技术获得长足的发展,应用前景非常广阔。利用虚拟现实技术制造出一个逼真“虚拟淮河流域”,为流域的规划、调度、监测及科研做出贡献,可设计一个“模拟抗洪救灾现场”进行大规模抗洪救灾演习,既可以节省大量费用,又使人员得到了锻炼。

 遥感技术遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线结目标进行探测和识别的技术。主要包括信息的获取、传输、存储和信息处理。利用遥感技术可以获得淮河流域地形地貌的纹理图片。3DGIS技术是对三维空间信息获取,可以对淮河流域的一切地理信息进行管理,包含地形、地貌、水情等信息,为三维可视化建模和对模型进行分析提供统一的数据与反馈平台。利用ArcGIS相关地形建模工具建立三维地形空间模型, 进行三维空间数据管理与分析以及三维空间数据显示和可视化表达。把遥感和3DGIS相关技术结合生成虚拟场景中的地形地貌,实现查询和分析功能。

丰富的虚拟现实软件和语言如:VRML、Java3D、X3D、OpenGL、Java、IDL、Multigen-Creator以及3DMAX等工具,为虚拟现实技术的发展提供有力的技术支持。

虚拟现实硬件和软件投入少而获益大,监控监测设备也是相当成熟的技术。虚拟现实技术软件技术以计算机为依托,以虚拟现实软件为基础,构造出淮河流域的三维虚拟场景。通过人机交互技术,可以满足个方面工作人员对流域的自由监察和漫游,并对由监测设备传导过来的数据进行分析整理,输出为三维的立体场景。

随着虚拟现实技术的高速发展,其应用领域不断拓宽。例如:三峡总公司在三峡工程二期混凝土大坝浇筑中开发了功能强大的计算机仿真系统,对技术措施进行定量分析,快速比较多种浇筑方案,对影响混凝土施工的各种因素作敏感性分析,对工程进度进行实时控制,还可对浇筑过程进行三维动态显示等。

 

2 淮河流域可视化技术路线分析

 

在掌握流域内节点(重要控制性的枢纽工程)的详细地形地质条件及水文水力等条件的基础上,虚拟出的流域将会对淮河流域防洪规划、防洪策略、防洪会商,防洪决策指挥、预测洪水风险等方面提供准确的水情信息和技术服务。具体开发构想如下所述:

 

2.1 虚拟流域的模型构造

淮河流域是非常庞大和复杂的场景,在不考虑各应用软件的前提下可以把所要建设的模型分为四类:地质模型、地形模型、建筑物模型和环境模型。由于数量可以称的上是海量,所以选择合适的高效的建模手段就显得异常重要。

2.1.1 地质模型

可以利用国内先进的软件GeoMo3D,该系统的基本功能由数据集成、三维建模、可视制图、统计分析、工程设计和数据共享服务共6大板块组成,GeoMo3D提供了基于GTP和基于多层DEM两种可选建模方式,提供了简单易学的断面构模与交互编辑功能,三维建模过程的可操作性强,可以方便地处理复杂地质情况。

2.1.2 地形模型

可以利用3DGIS技术TerraVista或ArcGIS等相关软件对流域内的环境进行地形建模,根据流域的地形特点,把总体划分为若干流域或区域,并确定每个流域上的枢纽工程及相关特征,同时利用遥感技术获得地貌纹理图片,并把图片赋予相应的三维模型。同时能自动将所需的各种数据元素合成生成三维地形数据库。

2.1.3 建筑物模型

首先要对流域中的主要水工建筑物进行划分并建立三维几何模型,同时根据漫游要求,逐步细化到每一个结构。在实际的建模过程中,可根据要建立模型的特点选择建模方法。如果要建立有规则的平面几何体,利用建模软件(如3DMAX、MultigenCreator等)来建立流域内重要建筑物的多边形几何模型;如果要建立有复杂曲面的几何体,则应使用面片或者NURBS法。为了提高场景的真实感,采用纹理拼贴,空间布光等方法。值得注意的是需要解决上万个多边形,甚至多达几百万个多边形和几百兆的高分辨率纹理数据怎么有效处理和实时显示的问题。因为系统不仅要对几何数据进行坐标变换与纹理加载等处理,还要在此基础上,为增进仿真效果,对场景进行光照处理、反走样处理等操作。此时系统负担会越来越重,从而导致绘制速度降低,实时仿真的目标将很难达到。通过增强计算机的配置可以在一定程度上解决此问题,然而光通过硬件手段略显不足,为了提高仿真速度,对复杂的模型采用LOD建模方法。

2.1.4 环境模型

是指建设水面、植物、桥梁、道路、流域管理辅助设施的模型。由于环境模型在建模手段上也不同。比如树木模型可以在3DMAX软件中使用镂空贴图的方法,以两个互相垂直的面并赋予带有Alpha通道贴图来生成。

2.1.5 纹理贴图

是建模中的重要环节。首先,要进行素材准备,为了表现现实场景,应该使用遥感或航拍采集流域的地形地貌纹理照片,接着对素材进行处理,采用Photoshop进行纹理处理,最后进行贴图,可以使用平面、棱体、球面和环境贴图等贴图工具。

2.1.6 VR驱动软件选择

优化各个流域的模型,并按照地形图所绘制的相关位置,依次连接成整体的虚拟模型。根据视点所见的物体细节要求以简单造型来代替复杂造型,删除视点不可见的面片并进行面片合并。

 

2.2 模型碰撞检测

在虚拟场景中,由于用户的交互和物体的运动,此时为保持场景的真实性,需要及时检测到这些碰撞,并计算相应的碰撞反应,更新图形绘制结果,否则物体会发生不真实的穿透现象,破坏虚拟场景的真实感和用户的沉浸感。目前应用最广泛的一种碰撞检测方法是层次包围盒法。其基本方法是用体积略大而几何特性简单的包围盒来近似描述复杂的几何对象,进而通过构造树状层次结构来逼近对象的几何模型,直到几乎完全获得对象的几何特性,从而只需对包围盒重叠的部分进行进一步的相交测试。层次包围盒最重要的特点是能够应用于任意形状的几何对象的物体的碰撞检测。距离场是一种基本的图形表示模型,表示距离物体表面的最小距离。距离场是矢量场,距离的正负可表示物体在外部或内部,用距离场表示表面封闭的物体不需要物体的拓扑信息和约束信息,能快速计算碰撞后的穿刺距离和法向量。另外还有距离场检测碰撞方法。距离场进行碰撞检测是逐点进行的,通过把一个物体的顶点逐个与另一个物体的距离场进行检测,确定是否发生碰撞。当然碰撞还存在边与边之间的相交,他们通过增加测试变形特征的每条边的中心来增加碰撞检测的精确度。建设淮河流域大规模虚拟场景我们必须选择最优碰撞检测方法。既能准确描述场景中的运动和交互情况又不因此造成计算机硬件巨大负担是必须研究和解决的问题。

 

2.3 在虚拟场景中实现高级的人机互动和信息管理

使用计算机语言设计编写程序,提高数据的安全传输和实时交互。由于流域内单位众多,在提供一个统一虚拟平台的基础上,按照每个单位具体职能设置不同的接口和权限,实现信息共享、及时反馈和汇总,是虚拟技术在淮河流域应用的关键。必然要求对平台进行二次开发。为了保证二次开发平台的正确性和高效性,必须建设支持平台运行的数据库系统。在这方面我们可以借鉴的有GEONOVA的DILAS是基于Oracle对象关系数据库的数据管理与存储;还有VRmap是具有基于组件的开放式系统架构和较完整的空间数据描述体系。

 

2.4 多用户网络登录系统

是开发共使用者浏览的系统,经过登录验证后能够进入漫游系统,在虚拟的流域场景中,用户可以借助人机交互设备随处浏览流域的每个工程,并可以与其他登录用户进行信息交流。在淮河流域虚拟场景中实现全民参与和共享建设成果的目标。

 

2.5 实现仪器设备和虚拟场景的交互

是利用在各控制节点的监测设备把流域内干支流的水情时时传递给数据库,再利用虚拟模型特点生成可视的三维水面,可以准确及时的描述监测地的水位及相应的淹没情况、水流流速、水流携沙量和主要闸门工作情况等等。

 

3 结语

三维可视化技术在流域管理部门具有广阔的应用前景,使决策部门在虚拟场景中能快速地做出规划方案的调整,设计部门在三维空间内可以准确完成结构的设计,为管理部门在项目决策和管理上提供直观、准确与动态的信息技术支撑。面向全流域的虚拟现实技术的研究、开发与应用必将极大的提高水利工程的信息现代化水平,为水利行业做出新的贡献。

[参考文献]

[1]夏云飞,赵伟,基于模拟退火遗传算法的凸多面体间碰撞检测算法研究,《长春工业大学学报:自然科学版》,2008, 29卷1期。

[2] 郝海森, 吴立新,基于强约束Delaunay-TIN的三维地学模拟与可视化。《地理与地理信息科学》, 2003年第19卷第2期。

[3] 王乘,周均清,李利军,编著Creator可视化仿真建模技术,华中科大出版,2008。


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