南水北调中线工程三维仿真系统开发.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第5卷 第2期 2007年4月 南 水 北 调 与 水 利 科 技 South2to2North Water Transfers and Water Science b.水利系,北京100084 摘要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Terra Vista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。 关键词南水北调;三维仿真;地形建模;动态载入 中图分类号TP391. 9 ;TV68 文献标识码A 文章编号16722168320070220031204 32D Simulation System of the Middle Route of South2to2North Water Transfer Project ZHANG Shang2hong1, ZHAO Gang2, SONGBo2, WANG Xing2kui2 a. Department of Thermal Engineering ; b. Department ofHydraulic Engineering , Tsinghua University , Beijing100084, China Abstract A 32D simulation system of the middle route of South2To2North Water transfer project is developed. This system displayed all terrain and buildings in this area. Terra Vista software and Creator software are used to modeling the terrain and buildings. In order to solve the prob2 lems aroused by huge data of terrain model , this system dynamically imports terrain models with two kind of precision and three kind of texture. 22D navigation , ination query , channel flow simulation are realized in this system. Key words South2to2North Water Transfer ; 32D simulation; terrain modeling; dynamic importing 1 引 言 南水北调中线工程纵横一千多公里,所经过区域地质环 境复杂多变,总干渠上有各类交叉建筑物1 750座,是一个复 杂的大型跨流域调水工程。与国内外现已建成的调水工程相 比,其线路最长,流量最大,涉及问题复杂,是一个十分复杂的 系统工程,影响供水可靠性的因素众多。过去对可靠度的研 究还基本停留在单个点和构件的水平上,而南水北调中线工 程是一个由众多建筑物构成的综合系统,要解决以上问题就 必须进行系统整体可靠度的研究。三维仿真系统作为中线调 水工程研究的基础平台,为工程运行的可靠度研究和工程管 理提供直观的模拟显示。 虚拟仿真是计算机图形处理和图像生成技术、 立体影像 和信息合成技术、 显示技术等诸多高新技术的综合体,它有利 于缩短试验和研制周期,提高研制质量,节省试验经费。随着 数字流域概念及虚拟现实技术的发展,仿真系统作为一种新 的管理方法和技术手段在流域的综合管理中发挥着越来越重 要的作用。国际上发达国家对虚拟现实技术的研究和应用起 步较早,并已在实际工程和管理中发挥了重要的作用;国内在 流域方面的应用研究也随着 “数字黄河”“数字清江”“数字都 江堰”“数字长江” 等项目的启动而不断发展。本文就是将虚 拟仿真技术应用于南水北调中线工程仿真系统的开发,构建 了整个南水北调中线工程上千公里的三维场景,为南水北调 中线工程管理和决策提供辅助。 2 研究区域介绍 南水北调中线工程从丹江口水库陶岔闸引水,经长江流 域与淮河流域的分水岭方城哑口,沿唐白河流域和黄淮海平 原西部边缘开挖渠道,在郑州以西孤柏嘴处用隧洞穿过黄河, 沿京广铁路西侧北上,自流到北京、 天津。 输水总干渠自陶岔渠首至北京团城湖全长约1 277 km。天 津干渠段自西黑山分水闸引出,至天津外环河出口长约155 km。 沿线经过河南、 河北、 北京、 天津等二省二市,总长1 432 km。 输水 总干线穿越大小河流686条,全线有交叉建筑物1 750座。 3 软件平台与开发工具 本文研究中所用地形建模软件为Terra Vista 3. 0 ,地物 建模软件为Multigen Creator 2. 5 ,三维模型采用OpenFlight 13 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 数 字 水 利 格式的文件存储,三维场景驱动采用OpenGVS 4. 5和Open2 GL 2. 0共同完成,整个系统开发采用Visual C 6. 0。Terra Vista/ Creator/ OpenGVS三者分别发挥不同的作用,大范围 地形生成采用Terra Vista ,具体地物如节制闸、 桥梁、 涵洞的 建模用Creator ,场景驱动及功能开发采用OpenGVS。 3. 1 Terra Vista Terra Vista是地形三维建模中应用最广泛的软件工具 之一,是基于Windows平台的实时三维地形数据库生成软 件,适合大数据量的地形生成,用户可通过软件的用户界面或 API接口来操作数据源调整数据库生成的进程,其接口与界 面都是开放的[1]。西部欧洲和整个美国的地形三维建模曾用 该软件完成。 Terra Vista采用工程方式管理地形生成的相关参数和 进程,主要包括数据源的组织DEM数据、 文化特征矢量数 据、 实时影像数据、3D模型、 地理特征影像如航片、 卫片及其 它纹理 , 进程的控制和参数的设置,完成数据库的输出方式 等。在输入各种相关的数据源并设置好数据库参数后,Terra Vista能自动将所需的各种数据元素合成并生成内容丰富的 三维地形数据库,输出的地形数据能直接为用户使用,大大降 低了手工劳动强度,提高了建模的速度。 3. 2 Creator Creator是Multigen公司开发的用于对可视化系统数据 库进行创建和编辑的交互工具,它是一套高逼真度、 最佳优化 的三维实时系统建模工具,该软件将多边形建模矢量建模和 地形生成集成在一起,不仅能够完美地构建飞机、 地面交通工 具、 建筑物等单一模型,还可以结合高程数据和影像数据生成 区域三维地形。另外Creator提供了API接口函数,可以通 过程序实现软件定制与自动建模操作。 3. 3 OpenGVS OpenGVS是Quantum3D公司提供的三维视景管理软件 开发包,是基于底层渲染软件OpenGL或Direct3D开发的实 时3D视景管理软件。OpenGVS提供了大量的三维视景开 发函数,将底层渲染的代码进行了封装,使开发者应用很少的 代码量就可以实现交互式三维环境。同时,OpenGVS提供了 与OpenGL结合编程的接口,使编程的可扩展性大大增强。 4 地形地物建模 南水北调中线范围广阔,地表内容丰富,场景主要包括上千 公里的调水渠道、 工程沿线的城市、 水系、 公路、 铁路、 绿化带及节 制闸、 虹吸、 渡槽、 分水口、 桥梁等工程建筑物。地形建模采用 125万DEM数据作为工程外围山体地形,中线渠道工程和丹江 口大坝枢纽及各种相关闸坝建筑物均采用施工设计图进行三维 建模。纹理处理方面,地形部分采用遥感影像作为地形纹理,建 筑物则根据实景图片或设计效果图进行三维视景设计。 4. 1 地形建模 地形建模过程主要包括数据转换、 参数设置、 矢量赋值与 修正、 地形生成四个步骤[2]。 4. 1. 1 数据转换 南水北调中线工程仿真地形采用1 25万 DEM数据,地形生成范围约700 km940 km。为地形处理 方便并适合Terra Vista载入地形数据,需要将地形等高线数 据转换为ArcGIS的网格文本. grd格式,转换过程如图1。 图1 DEM数据转换流程 为逼真模拟地形综合信息,仅靠DEM进行结构建模是 不够的,大量的信息需要通过遥感影像提供,如地表植被、 河 流形态等,另外遥感影像也可以为细部的矢量线建模提供平 面校准信息。南水北调中线仿真系统中,纹理数据采用ETM 遥感影像数据,分辨率为15 m , ETM影像覆盖了整个研究 区。范围界于东经11030′ ～11730′ 、 北纬3230′ ～4030′ 之 间。为比较细致的模拟工程与城市的地理位置关系,对南水 北调中线工程途经的几个大型的城市,如丹江口市、 郑州、 北 京、 天津等,采用了高精度的遥感影像资料和航拍资料。 4. 1. 2 地形参数设置 在Terra Vista中新建项目,导入上 面转换的基础数据,将投影方式统一为高斯 克力格投影;为 生成适合硬件渲染能力的地形模型,需要在Terra Vista中设 置地形生成参数,主要包括多重细节LOD的数量、 可视距 离、 网格的大小和每个网格中的三角网密度。整个南水北调 中线工程地形分块为47行35列,网格大小为20 km20 km ,分两种精度输出。 4. 1. 3 矢量赋值与修正 将中线渠道、 水系、 道路、 标志性建 筑等矢量数据转换为GIS型文件格式. shp ,导入Terra Vista工程。为在三维场景下将这些矢量数据表现为实际的 三维实体,需要进行实例化操作,将这些矢量数据赋予特定的 信息。南水北调仿真建模中对这些矢量数据按用途和表现进 行赋值,如将道路矢量线赋值为道路标识,并设定道路宽度、 路面纹理;将河道、 湖泊等设置标识、 水面纹理等。对中线渠 道,则用Terra Vista提供的Complex River/ Stream生成工 具,设置好渠道断面边坡、 尺寸,由矢量线生成具有特定断面 形态的三维渠道。由于数据资料有时候不容易匹配,矢量数 据的更新速度往往没有影像速度快,因此,对一些平面位置与 地形和影像存在偏差的矢量线,需要在编辑器中以遥感图为 底图进行手动修正处理,以保证位置的准确性。 4. 1. 4 生成地形 选定所要生成的目标区域,设定输出纹理 图片的格式与分辨率,确定输出模型文件的格式,就可以按划 分的地形网格逐块生成地形和纹理了。地形纹理的分辨率表 现了纹理重采样的精度,在生成地形时应该考虑纹理的细致性 与渲染量两方面的因素。根据以下所用到的动态载入方法,南 水北调仿真建模将生成粗、 细两种精度的地形模型,同时生成 512512、256256、6464三种不同精度的纹理图片。 由于地形参数的设置都停留在数字上,最终的模型效果 只有模型生成完才能测试,因此在生成大范围地形时,可预先 生成一小块地形观察该设置下的三角网疏密、 纹理及矢量生 23 第5卷 总第29期 南水北调与水利科技 2007年第2期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 数 字 水 利 成情况,等调整好合适的参数后再生成整块地形,生成的地形 以划分网格为单元存储在模型文件中,文件名以前缀加行列 号确定,有利于索引查找。生成的局部地形如图2。 图2 南水北调中线方城区域地形 4. 2 地物建模 地物建模分普通实体建模和典型实体建模,普通实体建 模如绿化带树木、 城市随机建筑物、 标识牌等,这些实体的建 模通过Terra Vista中点、 线、 面矢量赋值完成。如绿化带树 木建模,就是在Terra Vista中勾画出绿化带的平面位置面 状矢量 , 设置树木的平均密度,地形生成时就可以根据该设 置调用系统中的几种树木模型,按密度随机摆放在划定区域 内,城市建筑的摆放也是如此。 对典型建筑物,如丹江口大坝工程、 陶岔引水口、 工程沿 线的节制闸、 分水闸、 退水闸、 桥梁、 涵洞、 虹吸、 渡槽等标志性 建筑物则用Creator软件以建筑结构图和实景照片为基础进 行建模,建成后根据坐标定位到地形模型的相应位置。 4. 3 视景数据库存储 如上所述,地形模型根据不同的行列编号分块存储于单 个文件中,并通过文件名标识,两种不同精度的模型和三种不 同精度的纹理分不同文件夹存储。对单个模型文件,Open2 Flight格式的文件按几何结构存储三维空间数据模型,模型 结构树按组 Group、 体Object、 面face进行分级组织,从 基础的三角形面组合为局部结构,最后构造为完整形体,通过 节点三维坐标和形体拓扑关系存储模型的几何信息。Open2 Flight模型可以同时存储与实体显示相关的属性信息,如模 型纹理映射、 材质、 色彩、 明暗阴影等。 5 仿真系统实现 三维数字仿真平台需要在计算机屏幕上逼真显示实际的 三维场景和地形地物,进行交互式的控制操作,并将各种信息 资源综合直观地加以表现。这种实时交互的三维仿真有别于 一般的动画播放,对计算机软硬件都提出了很高的要求。 三维仿真平台的控制程序设计分三个部分程序初始化、 图形处理循环和程序退出。初始化是对场景三维可视化所涉 及的各种实体进行初始化赋值并载入的过程,如定义投影视 图体大小,载入南水北调中线地形地物模型,添加光照和雾化 效果,初始化视点位置等。实时系统的图形处理是按帧循环 的,每帧中都首先根据交互操作的要求进行实体状态更新,如 改变摄像机的位置视角、 各种地物的运动状态、 光照雾化的效 果参数等,然后按照更新后的实体状态绘制输出。其中对实 体更新变化过程的控制正是实现三维仿真模拟的接口,如场 景漫游就是通过更新摄像机位置和视角来实现的,中线渠道 水流的显示则通过对数学模型计算结果的调用而完成。下面 对系统开发中的几个关键环节进行讨论。 5. 1 分块载入 南水北调中线工程上千公里,仿真模拟范围达数十万平 方公里,地形地物数据众多,要对这样的大型场景进行实时渲 染,对硬件设备提出了极高的要求。为了节约硬件成本,需要 通过软件算法解决地形地物结构与纹理的载入问题,使系统 在现有硬件条件下CPU P4 3. 0 ,内存1G,显存256M能够 流畅显示。本文基于多层LOD技术和地形地物与纹理动态 载入的方法解决了这一问题。 地形结构与纹理动态载入的基本思路是将整个模拟区 域的地形和纹理进行分块,以每个地形块中心与视点观察 者之间的距离为判据,分不同等级载入不同精度的地形与纹 理;离视点较近的载入高精度地形与纹理,离视点较远的则载 入低精度地形与纹理[324]。随着视点的移动,更新计算地形距 视点距离,将距离变小的单元替换为高精度模型,同时,将距 离变大到一定值的单元删除,显示低精度模型。 由于上述过程是场景随视点移动而动态载入与变化的过 程,因此在系统运行时存在硬盘与内存、 显存间大量的数据交 换;另外,实时交互系统中视点的运动无规律可循,可以随意 运动,视野范围有可能很大。以上情况延伸出两方面问题一 是数据载入量可能过大,造成系统帧频降低;二是视野较大 时,由于距视点距离较远,部分区域可能未载入模型,出现漏 空。因此在模型载入过程中采用两级地形、 三级纹理的处理 方法。两级地形是指地形的精度三角形面数分两级,低精 度的总三角形面数少,初次载入时就全部载入,漫游过程中也 不删除,只是通过设定其可见状态进行切换调节,从而减少了 漫游过程中的载入时间;高精度地形块三角形面数多,就只载 入视点周围的部分,以减少内存占用量。由于仿真中地形多 边形的限制,场景的真实感很大程度上由纹理来表现,高分辨 率纹理能很好地表现流域的各种重要特征。因此除上述两级 地形外,采用低、 中、 高三级纹理动态调度解决内存、 显存与实 时显示频率间的矛盾,对外围低精度地形黏贴低精度纹理,对 高精度地形又划分为两个区域,距视点较近的贴高精度纹理, 其余部分贴中精度纹理。整个地形和纹理的布局如图3所示。 图3 地形与纹理调度布局示意图 33 张尚弘等 南水北调中线工程三维仿真系统开发 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 数 字 水 利 两级地形三级纹理的调度模式在调度算法上比较简单, 低精度模型和纹理的一次性载入使内存与硬盘间数据交换量 减少,提高了系统实时性,同时在大视野下能显示全局信息。 高精度纹理与地形的调度使视点附近的场景逼真度大大加 强,同时从总体上解决了大范围地形载入时的硬件限制问题。 5. 2 二维导航漫游 南水北调仿真系统采用MFC和OpenGVS驱动整个场 景,通过实时获取和设定摄像机的六个运动自由度参数x ,y , z ,rot_x ,rot_y ,rot_z ,实现系统漫游功能[5]。系统提供了三 种不同的漫游方式飞行漫游、 旋转浏览和平移浏览。飞行漫 游状态下通过鼠标和键盘操作控制视点位置与视角大小,可 以自动调节视角和漫游速度,也可以自由定义和调整漫游速 度与视角,观察特定视角下的场景画面。旋转浏览状态下通 过按下左键时鼠标的移动实现视角的调整,按下右键时鼠标 的移动实现视点的拉近和远离。平移浏览则通过按下左键时 鼠标的移动完成视点的水平移动。通过上述三种方式的操 作,就可以方便地实现不同场合、 不同用途的场景漫游。 三维场景漫游虽然效果逼真,具有真实的三维立体感,但 由于局部漫游时视野范围较小,存在较强的迷失感,对当前视 点在总场景什么位置不清楚,因此有必要通过平面导航的方 式进行信息交互。在系统开发时,将南水北调中线平面图按 比例缩小作为导航图,显示于系统总界面上,如图4所示。系 统运行过程中,当鼠标驱动三维场景漫游时,系统实时得到摄 像机位置,在导航图上按相应的坐标位置绘制圆点进行位置 标识,这样就解决了三维场景漫游时迷失感强的问题,通过导 航图可以清晰地看到当前自己所处的位置。同时,通过点击 导航图上的相关区域,程序得到导航图上鼠标点击点位置坐 标,转换为三维场景中的空间坐标,将摄像机移动到该位置, 就可以完成从导航图到三维场景的快速导航。 图4 三维场景中的二维导航图 5. 3 信息查询 南水北调仿真系统采用OpenFlight三维空间数据格式 将空间数据储存在模型文件中,该数据模型将实体按照其几 何结构进行存储。从基础的三角形面组合为局部结构,最后 构造为完整形体,通过节点三维坐标和形体拓扑关系存储模 型的几何信息。由于该格式的空间数据模型由模型结构树组 织和管理,并通过实体ID唯一标识。因此要实现数据库信息 间的相互关联,则属性数据库中也同样应该以实体的标识ID 为关键字段。南水北调仿真平台属性数据库采用MySQL ,通 过鼠标操作,对三维虚拟场景中各个实体的信息进行随意查 询,该功能将虚拟场景中的三维实体与数据库中相应实体的 属性信息文本、 图片、 多媒体连接起来,以实现信息的广泛 集成与表现。作为VR虚拟场景与GIS信息查询功能相结合 的产物,三维动态查询功能的实现对虚拟环境下多种信息的 集成和互补有重要意义。 查询功能实现的关键在于虚拟场景中实体的探测选取以 及实体与数据库内容的关联,采用OpenGVS提供的两点连线 是否与实体相交的探测函数,通过检验视点与鼠标选择点之间 相交信息的方法,确定当前鼠标选中的是哪个实体。该函数返 回相交实体的标识名,如上所述,通过该标识名,就可以运用数 据库查询操作实现相应实体的各类信息查询,并通过对话框之 类的形式显示出来。由于该功能是在虚拟场景中直接操作,不 需要切换到其他的视角或静态画面,因此可以在场景漫游过程 中随意查询,不受画面限制,更具有自然交互的效果。 5. 4 渠道水流模拟 南水北调仿真平台建立的目的之一就是将数学模型计算 结果显示在三维场景中,为科学决策提供直观依据。对二维流 场显示而言,三维可视化平台通过读取水流数学模型的计算结 果,通过对前后两个计算时刻结果进行插值的方式提供显示数 据。流场显示沿用粒子系统的思想实现[6],在流场模拟中,粒 子需要表现流动特性,涉及空间位置、 矢量大小、 方向随时间的 变化过程,因此粒子形态采用箭头表示,箭头的长短代表流速 大小,箭头指向代表流速方向。粒子在渠道计算网格内运动,粒 子的 “出生和消亡” 通过扫描计算网格确定,当网格内粒子数为零 时生成新粒子,当网格内粒子数大于限定值或者粒子跑出整个模 拟区域之外时,粒子消亡。这样可以有效解决流速较高的区域粒 子数过少、 流速低的区域粒子密集的问题。粒子运动与更新的过 程是粒子随时间推移不断更新其速度大小和空间位置的过程,主 要包括速度的时间插值和空间插值两个方面的内容。系统采用 拉格朗日场方式表现粒子流场,显示场景如图5。 图5 南水北调中线渠道二维流场显示 6 结 论 南水北调中线工程是一个复杂的大型跨流域调水工程,其 线路长,流量大,涉及问题复杂,是一个十分复杂的系统工程, 对该工程进行研究需要从总体系统考虑。本文开发了南水北 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。系统开发中应用大范围DEM数据、 43 第5卷 总第29期 南水北调与水利科技 2007年第2期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第5卷 第2期 2007年4月 南 水 北 调 与 水 利 科 技 South2to2North Water Transfers and Water Science 2.河北省水利科学研究院,石家庄050057 摘要山东省南水北调电子沙盘系统综合利用地理信息系统等高新技术,利用不同比例尺的地形数据以及不同分辨率 的遥感数据,建立三维场景,实现对流域、 水系、 调水工程的展示、 查询,实现调水信息管理的三维化,该系统是规划中 的信息管理系统的一部分,将为南水北调的建设运行管理提供决策支持。 关键词南水北调;电子沙盘;GIS 中图分类号TV68 ;TP391. 9 文献标识码A 文章编号16722168320070120035203 Study on Electronic Sand Table System of the East Route of the South2to2North Water Diversion J IN Hong2chang1, WANG Tie2qiang2, ZHU Qing2li1 1. The Research Center of Engineering Technology of Water Diversion , Ji’nan250013, China; 2. Hebei Provincial Academy of Water Resources , Shijiazhuang050057, China Abstract This paper discusses the construction of electronic sand table system of the East Route of the South2to2North Water Diversion Project. It will build 3D scenes using various scale elevation and image data , it enables effective visualization and analysis of surface data. The system ena2 bles management run2time ination in 3D environment. It can provide some references for the decision2makers in construction electronic sand table ; GIS 1 电子沙盘系统的建设意义 南水北调东线工程从调水源头扬州附近的三江营到鲁北 和胶东,地跨淮河、 黄河、 海河多个流域,受水区包括山东16 个市地,受水区点多面广,涉及工程众多。东线调水工程与许 多洪水控制工程、 排涝工程、 水资源控制工程、 污水处理工程、 航运工程交错分布,调水线路复杂,泵站众多,因此迫切需要 一种直观的手段来体现、 展示调水工程三维全貌。随着计算 机技术的发展,调度运行信息的管理由二维系统向三维系统 转化已经变为现实,由于三维场景可以清楚地展示流域地形 地貌、 工程体系,对目标地域的水情、 工情进行综合分析,有利 于提高决策的科学化、 规范化的水平。 随着计算机软件和硬件技术的发展,基于三维GIS的电子 沙盘已从实验室逐步走向实际应用,国家防总 “三维电子江河” 等一些电子沙盘系统已经发挥了积极作用,与传统沙盘模型相 比,它的应用领域更广泛,具有快速、 简便、 精确的特点,而且 可以动态演示并便于参数修订以获取更加丰富的演示效果。 山东省南水北调电子沙盘综合利用了地理信息系统 GIS、 收稿日期2006210224 修回日期2006210231 作者简介靳宏昌19722 , 男,山东菏泽人,硕士,高级工程师,主要从事水利工程规划及水利GIS应用研究。 遥感影像数据、 航拍数据和渠道、 河流、 道路等矢量数据及实 景照片资料,采用地形自动建模软件Terra Vista和地物建模 软件Creator ,完成了大范围地形地物的建模。场景驱动时采 用两级地形三级纹理分块动态载入的方法,用较简单的调度 规则解决了大地形调度问题,系统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。 参考文献 [1] Terrain Experts , Inc. Terra Vista Getting Started Guide V3. 0 [M]. Tucson Terrain Experts , Inc. 2001. 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