周學(xué)龍，呂華新，謝延?xùn)|

(1.奉化市測繪院，浙江奉化 315500； 2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079)

亭下水庫潰壩預(yù)演分析三維演示系統(tǒng)開發(fā)研究

周學(xué)龍1，2?，呂華新1，謝延?xùn)|1

(1.奉化市測繪院，浙江奉化 315500； 2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079)

水庫潰壩分析是一個非常復(fù)雜的過程。本文借助測量、遙測、遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)等手段采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建亭下水庫的三維模擬環(huán)境，將預(yù)設(shè)的大壩潰口條件下的洪水淹沒走勢、某時刻的淹沒范圍和各點的淹沒高程以三維形式，形象生動的表現(xiàn)出來，為水庫淹沒損失評估、洪水應(yīng)急預(yù)案、人口疏散路線制定等工作提供及時的、形象的、強有力的輔助依據(jù)。

水庫；潰壩分析；三維演示；GIS

1 引 言

亭下水庫壩址位于著名的首批國家4A級旅游區(qū)浙江省奉化市溪口鎮(zhèn)上游7 km處，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、供水、養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。根據(jù)水利部的要求，亭下水庫要做好大壩的潰壩分析評估預(yù)案。潰壩風(fēng)險分析是利用已有信息和合適的方法、措施、手段確認(rèn)大壩的堤防工程的運行狀況，辨識與評估潛在風(fēng)險因素，明晰風(fēng)險的狀況、計算潰壩所產(chǎn)生的后果等。

潰壩分析的主要意義在于，通過對水庫大壩的潰壩計算和洪水演進(jìn)模擬，對其水情信息進(jìn)行分析，以便合理地確定大壩和堤防的防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)警措施，保障下游居民人身財產(chǎn)安全和生活生產(chǎn)。同時，可以評估可能經(jīng)濟損失、生命損失、社會和環(huán)境影響及水庫大壩的綜合風(fēng)險，為大壩維護(hù)管理提供提供參考，為下游人員及經(jīng)濟規(guī)劃提供指導(dǎo)。

2 系統(tǒng)建設(shè)的內(nèi)容

“亭下水庫潰壩分析三維演示系統(tǒng)”的建設(shè)目標(biāo)是在硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)奉化市亭下水庫管理局在防洪工作的業(yè)務(wù)需求，確定以GIS(地理信息系統(tǒng))、RS(遙感)、VR(虛擬現(xiàn)實)[1]、DBMS (數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))等先進(jìn)技術(shù)為手段，在已經(jīng)建立的亭下水庫三維防洪調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將預(yù)設(shè)的大壩潰口條件下的洪水淹沒走勢、某時刻的淹沒范圍和各點的淹沒高程以三維形式，形象生動的表現(xiàn)出來，為水庫淹沒損失評估、洪水應(yīng)急預(yù)案、人口疏散路線制定等工作提供及時的、形象的、強有力的輔助依據(jù)。系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容為以下幾個方面:

(1)利用水庫潰壩洪水預(yù)期影響區(qū)域內(nèi)數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型建立預(yù)計淹沒區(qū)三維地形；

(2)利用1∶1萬地形圖對潰壩各時刻淹沒范圍進(jìn)行計算，計算內(nèi)容包括各點洪水破壞能力、洪水淹沒深度和流速、洪水波到達(dá)時間等；

(3)基于三維場景對潰壩計算結(jié)果進(jìn)行三維可視化；

(4)利用計算結(jié)果生成淹沒范圍圖、水深分布圖、流速分布圖、淹沒范圍圖等風(fēng)險圖。

3 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

亭下水庫潰壩分析三維演示平臺，以潰壩分析結(jié)果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，三維展示平臺為核心，為水庫管理者提供直觀、準(zhǔn)確的潰壩洪水形勢和預(yù)計結(jié)果。系統(tǒng)提供風(fēng)險圖繪制功能和水位信息查詢功能，風(fēng)險圖主要分為庫區(qū)洪水風(fēng)險圖和潰壩洪水風(fēng)險圖兩大塊。具體包括最大淹沒范圍圖、最大水深分布圖、最大流速分布圖、洪水到達(dá)時間分布圖、淹沒歷時分布圖、淹沒范圍圖、淹沒水深分布圖、流速分布圖。水位信息查詢功能，用戶可以查詢淹沒范圍內(nèi)任意點位的水深、流速等信息。系統(tǒng)整體功能架構(gòu)如圖1所示。

4 系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

4.1 三維地形的構(gòu)建

水庫潰壩分析三維演示系統(tǒng)使用的三維地形數(shù)據(jù)，采用Skyline軟件體系中的地形制作軟件TerraBuilder制作生成[2]。三維地形的生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

圖2 三維地形生產(chǎn)流程圖

4.2 平臺架構(gòu)

潰壩分析三維演示系統(tǒng)，采用.NET Framework 3.5框架為基礎(chǔ)，以Skyline為三維演示平臺。輕量級數(shù)據(jù)庫MySql為后臺數(shù)據(jù)庫支持。利用ADO.NET技術(shù)將數(shù)據(jù)庫與三維場景關(guān)聯(lián)。從而實現(xiàn)水庫實時的、用戶交互良好的、反映結(jié)果真實的潰壩分析三維演示平臺，平臺整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 平臺整體架構(gòu)圖

4.3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

亭下水庫潰壩分析三維演示平臺采用輕量級數(shù)據(jù)庫MySql為數(shù)據(jù)庫支持，利用MySql數(shù)據(jù)庫對點位淹沒信息進(jìn)行綜合存儲管理。并對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢索引優(yōu)化，使得在對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行點位淹沒信息查詢構(gòu)面的響應(yīng)速度更快，結(jié)果更準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)庫組織表結(jié)構(gòu)如表1所示:

數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)圖 表1

5 關(guān)鍵技術(shù)

亭下水庫潰壩分析三維演示系統(tǒng)的核心功能即潰壩洪水演示，而潰壩洪水演示的核心技術(shù)為從數(shù)據(jù)庫中提取某時刻各點位的淹沒信息，將點位淹沒信息構(gòu)建成三維面在三維場景中顯示。點位淹沒信息構(gòu)面不同于等值線生成(水位相同的點構(gòu)線)，因為水位相同的點可能是不連通的。點位淹沒信息構(gòu)面的難度主要在于:

(1)獲取從數(shù)據(jù)庫中查詢出的某時刻點位淹沒信息的系列點位中的臨界點(即處于淹沒邊緣的點)，并將這些臨界點以“真實”的順序構(gòu)面。

(2)考慮洼地的影響，當(dāng)大壩崩潰達(dá)到一定時間后，淹沒水面可能存在不連通的情況，也就是說，要構(gòu)建的三維面可能存在多環(huán)的情況。如何正確識別多環(huán)并構(gòu)建正確的淹沒面，這是一個技術(shù)難點。

本系統(tǒng)采用底層算法，將查詢得到的點位逐個篩選構(gòu)面。算法的核心思想[3～6]可以用圖4表示。

圖4 點位篩選圖 圖5 四方向圖

圖4為假定某時刻下查詢出的點位淹沒信息，方格中的值為水位高程，0表示未淹沒。構(gòu)面的算法即為取某個點位(如B2)，先判斷該點水位是否為0，若是，則循環(huán)到下一個點；若不是，則取改點周圍的點的水位信息進(jìn)行判斷，若周圍的點中存在為0的水位高程，則該點為臨界點，將其取出進(jìn)行構(gòu)面[7]。周圍點位獲取的個數(shù)采用四方向法，即獲取點位上、下、左、右四個接點，如圖5所示，采用該算法也能構(gòu)建出三維面，達(dá)到預(yù)期效果。

6 潰壩分析三維演示模擬

三維潰壩洪水模擬是本系統(tǒng)的核心功能，潰壩洪水模擬的操作面板如下圖所示。在面板中預(yù)設(shè)了三種工況模式，用戶可以點擊進(jìn)行工況模式演進(jìn)的任意切換。當(dāng)用戶選擇了某一工況模式時，三維場景中自動播放該工況下的洪水演進(jìn)模擬效果。用戶可以點擊“開始”、“暫?！?、“結(jié)束”三個按鈕對洪水演進(jìn)模擬進(jìn)行控制。當(dāng)用戶正在播放洪水演進(jìn)效果時，面板中的進(jìn)度條會實時反映出洪水時刻信息，用戶也可以將進(jìn)度條拖動到任意的時刻，將該時刻的洪水信息調(diào)出來查看，系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 潰壩分析三維演示圖

7 結(jié) 語

水庫潰壩風(fēng)險評估分析對我國水庫大壩的安全管理，使水庫發(fā)揮最大的社會、經(jīng)濟效益，具有重大意義。亭下水庫潰壩分析三維演示系統(tǒng)的建成方便水庫管理局對水庫淹沒演進(jìn)信息的全面掌握，并提供決策輔助，系統(tǒng)的上線將為災(zāi)后分析、制定防洪預(yù)案、應(yīng)急方案和風(fēng)險管理提供必要的科學(xué)依據(jù)。

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[2] 彭國均，池天河，唐麗玉等.數(shù)字城市的三維圖形構(gòu)建技術(shù)[J].地球信息科學(xué)，2003，5(3):84～88.

[3] 童立新.新安江模型在東江水庫洪水預(yù)報中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟，2005(1):47～53.

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Study on Development of Three-dimensional Demonstration Preview System about Dam-break Analysis of Tinxa Reservoir

Zhou Xuelong1，2，Lv Huaxin1，Xie Yandong1
(1.Fenghua Institute of Surveying and Mapping，F(xiàn)enghua 315500，China；2.School of Resource and Environmental Sciences，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

Since reservoir Dam-break analysis is very complicated，acquiring basal reservoir data or flood data by full digital photography andmeasure technique，remotemonitoring，remote sensing，geographical information system，GPS，etc builds pavilion reservoir 3 d simulation environment.Will preset the dam under the condition of the dyke flood situation，amoment of submerged at various points in the submerged range and height in three dimensional form，vivid display，for reservoir flood damage assessment，flood emergency plan，population evacuation route work provide timely，such as image，powerful auxiliary basis.

reservoir；dam-break analysis；three-dimensional demonstration；GIS

1672-8262(2013)04-33-03

P208.2，TP391.9

A

2013—07—10

周學(xué)龍(1973—)，男，工程師，主要從事大地測量、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用等技術(shù)工作。

國家重大科技專項(2013ZX07105-005)