冶運(yùn)濤，梁犁麗，曹 引，龔家國(guó)，蔣云鐘

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038）

梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)控的水動(dòng)力水質(zhì)仿真模擬技術(shù)

冶運(yùn)濤，梁犁麗，曹 引，龔家國(guó)，蔣云鐘

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038）

梯級(jí)水庫(kù)群形成的巨系統(tǒng)的復(fù)雜性給運(yùn)行管理和調(diào)控決策帶來不確定性，保障水庫(kù)群效益的發(fā)揮亟需先進(jìn)的信息技術(shù)和水利專業(yè)模型提供支撐。以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、模型計(jì)算和在線監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，以水流水質(zhì)的可視化表達(dá)為核心，系統(tǒng)分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與數(shù)值模擬的結(jié)合方式，研究梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)控虛擬環(huán)境建模方法、三維虛擬流域環(huán)境平臺(tái)研發(fā)、模型和監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)的水動(dòng)力水質(zhì)虛擬仿真技術(shù)。初步以三峽工程為例，驗(yàn)證研發(fā)技術(shù)的可行性，為梯級(jí)水庫(kù)群智能化管理和調(diào)度提供新的思路。

數(shù)字流域；梯級(jí)水庫(kù)群；調(diào)控；水動(dòng)力；水質(zhì)；虛擬仿真；仿真建模

0 引言

梯級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)過程引發(fā)的水動(dòng)力效應(yīng)可能導(dǎo)致的崩岸、上游淤積、下游沖刷、污染物累積、航線優(yōu)選等問題出現(xiàn)，已引起政府和社會(huì)的高度關(guān)注。國(guó)內(nèi)已較為系統(tǒng)地研究了梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度[1]、河道沖淤變化[2]、污染物遷移轉(zhuǎn)化[3]等帶來的水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)，積累了豐富成果，但是仍缺乏有效方法將梯級(jí)水庫(kù)群動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)帶來的水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)通過更加科學(xué)直觀的方式研究和展示，不利于科學(xué)決策和高效管理，尤其梯級(jí)水庫(kù)群的調(diào)控決策非結(jié)構(gòu)化程度更高[4]，需要更多的人機(jī)動(dòng)態(tài)交互和分布式協(xié)同工作，因此對(duì)支撐調(diào)度決策的系統(tǒng)時(shí)效性和直觀性要求更高，為推動(dòng)流域管理向智慧流域[5]方向邁進(jìn)提供技術(shù)支持。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)可視化仿真在水領(lǐng)域應(yīng)用展開研究。Lai 等[6]利用已有試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果生成了大尺度洪水減災(zāi)工程的三維虛擬環(huán)境。Chien 等[7]把Google Earth 作為可視化工具，實(shí)現(xiàn)了二維水動(dòng)力模型計(jì)算結(jié)果在數(shù)字地球上的展示。Zhang 等[8]提出了利用數(shù)值模型和虛擬環(huán)境進(jìn)行流域決策的實(shí)時(shí)交互仿真框架。Zhang 等[9]在建立的虛擬航道環(huán)境中可視化仿真水流過程。葉松等[10]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)萬州段污染物遷移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，展現(xiàn)了水污染擴(kuò)散推進(jìn)三維效果。Ye 等[11]在虛擬流域環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了大尺度河道沖淤過程的三維可視化。冶運(yùn)濤等[12]集成二維潰壩水流模型和在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，形象直觀地展現(xiàn)了堰塞湖的蓄水過程和洪水演進(jìn)的三維效果。高陽等[13]在水污染事件的與空間的數(shù)據(jù)集成基礎(chǔ)上，匯集數(shù)字地球所提供的地形地貌數(shù)據(jù)，直觀地表現(xiàn)了水污染運(yùn)移過程。

可視化仿真技術(shù)能夠直觀展現(xiàn)梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)控水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)的時(shí)空過程，能有效地輔助工程人員的科學(xué)決策，有很強(qiáng)的實(shí)用性。但是傳統(tǒng)的水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度計(jì)算與決策模擬，都是以二維圖表或報(bào)表展示調(diào)度結(jié)果和運(yùn)算過程，整個(gè)過程不直觀[14]1，缺乏沉浸感和交互性，且很少考慮由于水庫(kù)調(diào)度造成的水力邊界調(diào)整引發(fā)的水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)的表達(dá)；水庫(kù)的運(yùn)行管理基本上還是在二維平面上或者是采用攝像頭進(jìn)行監(jiān)視，三維地理信息系統(tǒng)和虛擬仿真等三維可視化技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為水庫(kù)調(diào)度管理提供了全新的技術(shù)平臺(tái)[14]1。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性和多感知性等特點(diǎn)，并已在許多領(lǐng)域得到了研究和應(yīng)用，在水利水電行業(yè)也有學(xué)者進(jìn)行了一定的研究。因此，本文將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用到梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)控水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)的建模及仿真中，開發(fā)梯級(jí)水庫(kù)群水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)虛擬仿真系統(tǒng)，使工程決策人員真正地融入到仿真過程中，實(shí)現(xiàn)“人在回路中的仿真”[15]，極大地提高梯級(jí)水庫(kù)群管理的現(xiàn)代化水平。

1 水動(dòng)力水質(zhì)虛擬仿真系統(tǒng)分析

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)值模擬結(jié)合

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（或稱為虛擬仿真技術(shù)）為流域綜合管理的立體可視化管理提供了一種途徑。它將以水循環(huán)為紐帶的多源的水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等信息高度融合，將真實(shí)流域空間“搬入”計(jì)算機(jī)生成虛擬流域環(huán)境，使用戶在虛擬空間中對(duì)流域進(jìn)行交互觀察和控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流域的協(xié)同高效管理。

流域數(shù)值模擬是首先通過對(duì)流域中的研究對(duì)象概化，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，建立用數(shù)學(xué)語言模擬現(xiàn)實(shí)的模型；再者，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助數(shù)學(xué)模型求解過程，從而根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)或過程的特征，按照一定的數(shù)學(xué)規(guī)律用計(jì)算機(jī)程序語言模擬實(shí)際運(yùn)行狀況，預(yù)測(cè)未來發(fā)展情景，對(duì)研究對(duì)象定量分析，并提供對(duì)象的最優(yōu)決策或控制[16]24-26。如梯級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)改變水流運(yùn)動(dòng)邊界造成的水動(dòng)力模擬，以及伴隨水動(dòng)力特性變化導(dǎo)致的水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化、泥沙懸浮及沉降的轉(zhuǎn)化、水庫(kù)淹沒范圍的模擬等。

流域仿真模擬是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與流域數(shù)值模擬相結(jié)合而形成的支撐流域綜合管理的新型手段和方法。虛擬現(xiàn)實(shí)可以為用戶提供身臨其境般的交互式仿真環(huán)境，比一般可視化仿真有更優(yōu)越的沉浸感和交互性；而數(shù)值模擬主要關(guān)心流域水循環(huán)過程及其調(diào)控耦合系統(tǒng)的模擬預(yù)測(cè)，更具有專業(yè)特色，是流域仿真模擬的核心引擎，可以為流域管理輔助決策提供依據(jù)。因此，可將虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)值模擬技術(shù)兩者結(jié)合起來，以利用它們各自的特點(diǎn)。通過兩者的結(jié)合，開發(fā)梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)控水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)虛擬仿真系統(tǒng)，服務(wù)于水庫(kù)群運(yùn)行管理。

1.2 系統(tǒng)的功能分析

1）具有自適應(yīng)調(diào)整視點(diǎn)的虛擬環(huán)境漫游。系統(tǒng)提供通過鼠標(biāo)和鍵盤改變視點(diǎn)視角和位置的手動(dòng)漫游控制方式，還可以預(yù)定制漫游路徑實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航。自適應(yīng)調(diào)整是在視點(diǎn)接近地形地物表面時(shí)，啟動(dòng)碰撞檢測(cè)功能避免視點(diǎn)穿越物體而有“違和”感。漫游和碰撞檢測(cè)功能的結(jié)合增強(qiáng)了用戶在虛擬環(huán)境中真實(shí)沉浸感。

2）水利工程實(shí)體模型信息的交互動(dòng)態(tài)查詢。在虛擬環(huán)境中漫游瀏覽時(shí)，鼠標(biāo)移動(dòng)到待選三維模型，雙擊左鍵就可以以對(duì)話框方式顯示該模型的屬性信息。如通過構(gòu)建屬性數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)實(shí)體模型信息，鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)體后即可實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的查詢，增強(qiáng)用戶和實(shí)體模型之間的實(shí)時(shí)交互性。

3）閘壩控制的仿真。水庫(kù)的調(diào)節(jié)通過閘門的控制實(shí)現(xiàn)。通過圖形建模方式對(duì)水庫(kù)和閘門進(jìn)行精細(xì)建模，構(gòu)造其運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的自由度，利用鼠標(biāo)操縱實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉，或者基于遠(yuǎn)程自動(dòng)化調(diào)度指令信息實(shí)現(xiàn)閘門的自動(dòng)啟閉。

4）泄流形態(tài)的模擬。根據(jù)大壩表孔、中孔、底孔的閘門開閉變化，動(dòng)態(tài)演示出流流量的大小變化和影響范圍。

5）水庫(kù)淹沒過程的模擬。建立地形網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系并獲取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)高程值；給定水位后，按照基于無向圖的洪水淹沒過程算法搜索出洪水淹沒區(qū)。當(dāng)給定系列水位值后，在計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景中，動(dòng)態(tài)模擬庫(kù)區(qū)洪水淹沒過程，給人一目了然的感覺。

6）河道水流可視化模擬。仿真系統(tǒng)水流模擬不僅滿足視覺需要，而且能夠模擬各種來水情況下的真實(shí)水流形態(tài)，為摸清水流、泥沙或污染物的相互作用機(jī)理提供直觀的可視化手段。

7）水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化三維可視化?；谒|(zhì)模型計(jì)算結(jié)果或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過標(biāo)量場(chǎng)的可視化表達(dá)方式。根據(jù)模擬或監(jiān)測(cè)結(jié)果以不同顏色梯度變化映射不同的水質(zhì)濃度，在三維虛擬環(huán)境中，直觀展現(xiàn)河道水質(zhì)濃度的沿程變化過程。

8）工程方案論證。以往的工程方案基于二維可視化平臺(tái)規(guī)劃設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線、面所表達(dá)的工程方案不夠清晰直觀，難于理解和多方案比選。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的三維場(chǎng)景具有真實(shí)的立體感、高度的沉浸感和良好的交互特性。在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，根據(jù)規(guī)則模型的實(shí)際尺寸建模，然后與場(chǎng)景融合，對(duì)比多種方案的空間布置和模擬不同方案的效果，確定最終方案。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)流程及總體框架

系統(tǒng)所用地形建模軟件為 Terra Vista，地物建模軟件為 Multigen Creator，三維模型采用 OpenFlight格式文件存儲(chǔ)，三維場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)采用 Open Scene Graph（OSG）和 OpenGL2.0 共同完成，系統(tǒng)開發(fā)采用Visual Studio 2008。Terra Vista，Creator 和 OpenGVS三者分別發(fā)揮不同的作用，大范圍地形生成采用Terra Vista，具體地物如橋梁、閘門、建筑物建模用Multigen Creator，場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)及功能開發(fā)采用 OSG，動(dòng)態(tài)水流模擬采用 OpenGL 基本圖元函數(shù)繪制。系統(tǒng)總體框架如圖 1 所示。

2 流域虛擬環(huán)境建模方法

2.1 地形建模

梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)控主要關(guān)注河道及壩區(qū)環(huán)境，因此采用分區(qū)建模降低渲染負(fù)擔(dān)。河道外的地形地貌采用較粗分辨率的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和遙感影像，將其導(dǎo)入到地形建模軟件 Terra Vista 生成大范圍多分辨率地形環(huán)境[16]12-13；河道內(nèi)地形（含消落帶區(qū)）及壩區(qū)地形采用高精度DEM 和航拍圖片生成精細(xì)分辨率的地形場(chǎng)景，并與河道外地形形成嵌套建模結(jié)構(gòu)[16]13-15。

圖 1 系統(tǒng)總體框架

2.2 地物建模

根據(jù)地物模型是否具有行為特性將其分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型 2 類。靜態(tài)模型只進(jìn)行幾何和形象建模 2 個(gè)過程，其中幾何建模指的是構(gòu)造與真實(shí)世界物體形狀相同或相似的模型，而形象建模是為增強(qiáng)模型真實(shí)感，將圖片以紋理映射的方式添加到幾何模型上，并施以光照陰影等處理。若規(guī)則地物模型的系列特征參數(shù)之間具有明確的幾何關(guān)系，可以利用參數(shù)化方法建模。不規(guī)則地物模型則用 Multigen Creator 等軟件依據(jù)物體的外形輪廓由基本的點(diǎn)、線、多邊形構(gòu)建。場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)模型具有行為特性，則需要按照節(jié)點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)的連接關(guān)系動(dòng)態(tài)建模，這不僅展示生動(dòng)豐富的三維場(chǎng)景，還能逼真顯示水利工程的調(diào)控過程，如升船機(jī)升降運(yùn)動(dòng)、閘門的開閉、水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)、航船運(yùn)動(dòng)等動(dòng)態(tài)模型，需要精細(xì)描述實(shí)體結(jié)構(gòu)的幾何數(shù)據(jù)按其具體尺寸和連接結(jié)構(gòu)建模。

2.3 粒子系統(tǒng)建模

粒子系統(tǒng)是由 Reeves 于 1983 年首次提出[17]的一種不規(guī)則模糊物體建模及其圖像生成的最為成功方法，在水、云、森林等自然景觀的模擬方面已取得很好的效果[18]。本系統(tǒng)中用粒子系統(tǒng)模擬泄洪及水流流場(chǎng)。粒子模擬技術(shù)可以比較生動(dòng)地表現(xiàn)水流運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)，不但在視覺上有獨(dú)特的表現(xiàn)力，而且可以與物體的受力運(yùn)動(dòng)等物理機(jī)制相結(jié)合，模擬出高逼真的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但是越精細(xì)的模擬需要越多的存儲(chǔ)空間和越高的渲染能力，不能大范圍使用，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況處理。

2.4 數(shù)據(jù)組織及存儲(chǔ)

系統(tǒng)建設(shè)中包括空間和屬性數(shù)據(jù)2 種?？臻g數(shù)據(jù)采用 OpenFlight 格式組織存儲(chǔ)，應(yīng)用 Extern 外部引用節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和管理地物模型空間位置信息，并以唯一 ID 標(biāo)識(shí)。屬性數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)于 SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)?？臻g與屬性數(shù)據(jù)的雙向連接查詢通過 ID 關(guān)聯(lián)，其他專業(yè)數(shù)據(jù)的獲取則通過直接搜索數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

3 三維虛擬仿真平臺(tái)

三維虛擬仿真平臺(tái)采用開源視景軟件包 OSG 開發(fā)。OSG 包含了一系列的開源圖形庫(kù)，主要為圖形圖像應(yīng)用程序的開發(fā)提供場(chǎng)景管理和圖形渲染優(yōu)化的功能，采用 ANSI 標(biāo)準(zhǔn)C++ 和標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)（STL）編寫，使用底層 OpenGL底層渲染 API，具有良好的跨平臺(tái)性。它采用自頂向下樹狀結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景圖管理和組織空間數(shù)據(jù)集。場(chǎng)景圖具有大量定義的節(jié)點(diǎn)類型及其內(nèi)部的空間組織結(jié)構(gòu)能力，提高了渲染的效率，被廣泛應(yīng)用于 GIS，CAD，DCC，數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)，虛擬現(xiàn)實(shí)，動(dòng)畫和游戲等領(lǐng)域。OSG 的運(yùn)行體系如圖 2 所示。

圖 2 OpenSceneGraph 體系結(jié)構(gòu)

三維虛擬仿真平臺(tái)利用主線程和輔助線程統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)系統(tǒng)的操作和渲染工作。系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)初始化、場(chǎng)景渲染和系統(tǒng)退出，如圖 3 所示。系統(tǒng)初始化主要是設(shè)置渲染窗口、攝像機(jī)初始位置、光照霧化參數(shù)初始化、載入地形地物模型等。場(chǎng)景渲染實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)幾何體更新、揀選、排序和高效渲染，主要完成更新、揀選和繪制 3 種遍歷操作。更新遍歷是允許程序修改場(chǎng)景圖形，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，主要由程序或者場(chǎng)景圖形中節(jié)點(diǎn)的回調(diào)函數(shù)完成，如修改攝像機(jī)觀察參數(shù)、光照霧化參數(shù)、動(dòng)態(tài)水體模擬、閘門的啟閉等動(dòng)態(tài)實(shí)體模擬。揀選遍歷是檢測(cè)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)的邊界包圍盒，判斷是否在當(dāng)前視野內(nèi)，將在視野內(nèi)的節(jié)點(diǎn)加入渲染列表繪制。繪制遍歷是調(diào)用底層 API 對(duì)揀選遍歷產(chǎn)生的幾何體列表渲染。程序退出是卸載指針對(duì)象占用的內(nèi)存空間，智能指針能夠自動(dòng)釋放。

4 水動(dòng)力水質(zhì)仿真虛擬技術(shù)

圖 3 程序框架示意圖

4.1 基于碰撞檢測(cè)的多模式漫游控制技術(shù)

虛擬環(huán)境的多模式漫游控制通過鍵盤、鼠標(biāo)等基本的輸入設(shè)備控制視點(diǎn)（或攝像機(jī)）的空間位置及旋轉(zhuǎn)變化，實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景中飛行或行走，比如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上升、下降、俯看、仰視等。這不僅增強(qiáng)用戶的沉浸感及方便用于檢驗(yàn)場(chǎng)景模型正確性，而且能夠自由觀看水庫(kù)群調(diào)度變化引起的水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)的時(shí)空演變情況，以此檢驗(yàn)調(diào)度方案的合理性及水流變化模擬預(yù)測(cè)的正確性，更為決策者制定可操作方案提供基礎(chǔ)。場(chǎng)景漫游包括固定路徑、視點(diǎn)聚焦、手動(dòng)等 3 種漫游模式，并利用碰撞檢測(cè)技術(shù)防止漫游中不合理地“穿越”地形或物體。碰撞檢測(cè)限制了漫游視點(diǎn)與物體之間的幾何位置關(guān)系，若系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)視點(diǎn)與物體的距離小于某給定值即判定有碰撞，自動(dòng)調(diào)整視點(diǎn)向后退移。包圍體方法是一個(gè)常用的碰撞檢測(cè)方法。為提高碰撞檢測(cè)效率，利用多個(gè)多邊形將物體包裹起來表示包圍體，并利用這些多邊形進(jìn)行碰撞檢測(cè)，其精確度取決于多邊形劃分的細(xì)致程度。

4.2 基于虛擬環(huán)境的可視化信息查詢與分析技術(shù)

可視化信息查詢與分析包括雙向和條件查詢、熱鏈接等，以及水位水質(zhì)變化趨勢(shì)和水質(zhì)多斷面評(píng)價(jià)分析，并用直觀的圖表顯示出來；信息查詢包括某時(shí)刻的水位、水質(zhì)、水利工程實(shí)體等信息的查詢。

雙向查詢實(shí)現(xiàn)方法如下：打開并激活要查詢的對(duì)應(yīng)實(shí)體，用鼠標(biāo)拾取該實(shí)體上任意一點(diǎn)，則可彈出與之相應(yīng)的信息。由于系統(tǒng)中屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，當(dāng)鼠標(biāo)激活實(shí)體模型某一點(diǎn)時(shí)，則激活了與該實(shí)體相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)表記錄，那么將用戶感興趣記錄中有關(guān)字段內(nèi)容以對(duì)話框形式顯示在屏幕上。與此相反，選中實(shí)體模型對(duì)象對(duì)應(yīng)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)表某條記錄，被選中實(shí)體的顏色在虛擬環(huán)境中變得鮮亮或閃爍，視點(diǎn)同步定位到該實(shí)體。條件查詢是在對(duì)話框中輸入邏輯表達(dá)式，將其作為查詢條件，就可查詢符合條件的信息狀況。對(duì)于按時(shí)間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)查詢，使用條件查詢尤為方便。熱鏈接就是把某一實(shí)體和另外的圖形、文本文件、數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用模型、視頻等對(duì)象連接起來。當(dāng)啟動(dòng)熱鏈接，用鼠標(biāo)點(diǎn)中該實(shí)體時(shí)，能立刻顯示出與該實(shí)體相連接的對(duì)象。比如查詢水利工程建筑物設(shè)計(jì) CAD 詳圖就可以通過熱鏈接實(shí)現(xiàn)。水利工程建筑物在虛擬環(huán)境中以適當(dāng)簡(jiǎn)化的三維立體模型表達(dá)，若查看其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)部或詳細(xì)圖件，可以用與該實(shí)體模型相關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)表記錄的某字段字符型數(shù)據(jù)為公共項(xiàng)建立熱鏈接，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖處理成視圖文件，并把公共項(xiàng)數(shù)據(jù)名稱作為圖件名稱保存在系統(tǒng)文件中，從而確立實(shí)體模型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖件的熱鍵連接關(guān)系。在虛擬環(huán)境中查詢時(shí)，激活該實(shí)體模型并點(diǎn)擊菜單中的熱鏈接按鈕，以鼠標(biāo)選中待查詢的物體，那么就可以將與其相連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖顯示在窗口中。

4.3 基于遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的閘門反饋動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)

在水庫(kù)實(shí)際調(diào)度過程中，大壩孔口閘啟閉、船閘啟閉，以及水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)的控制，通過傳感器設(shè)備將采集的閘門開度或水輪機(jī)轉(zhuǎn)速信息傳遞到三維虛擬仿真平臺(tái)中，驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境中相應(yīng)實(shí)體形態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和虛擬實(shí)體的雙向通信，有助于管理者掌控工程運(yùn)行。若對(duì)虛擬環(huán)境中實(shí)體進(jìn)行可視化與動(dòng)態(tài)模擬，僅靠紋理圖像配以簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)難以描述和操控實(shí)體模型細(xì)部結(jié)構(gòu)，則需要按這些物體的實(shí)際尺寸詳細(xì)建模，并按照層次結(jié)構(gòu)組織，通過設(shè)置運(yùn)動(dòng)鏈和局部坐標(biāo)對(duì)其靈活操控和實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)。Multigen Creator建模軟件平臺(tái)中提供了較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)鏈分析功能[19]。它在具有層次關(guān)系的模型結(jié)構(gòu)樹中，明確實(shí)體部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，建立不同的運(yùn)動(dòng)自由度（DOF）子節(jié)點(diǎn)，并將需要運(yùn)動(dòng)的實(shí)體部件置于其下，然后可以控制 DOF 子節(jié)點(diǎn)模擬部件的運(yùn)動(dòng)。如三峽升船機(jī)、大壩孔口閘門等可通過此種方式完成建模。其關(guān)鍵步驟如下：1）在實(shí)體模型組節(jié)點(diǎn)下創(chuàng)建 DOF 父節(jié)點(diǎn)，將設(shè)置自由度的模型都移動(dòng)到該節(jié)點(diǎn)下，成為 DOF 節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)；2）使用“Local-DOF/Position DOF”功能模塊創(chuàng)建局部坐標(biāo)系，受運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)體部件相對(duì)于局部坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)；3）利用“Local-DOF/Set DOF Limits”功能模塊設(shè)置該 DOF 節(jié)點(diǎn)相對(duì)局部坐標(biāo)系的自由度屬性；4）在程序中對(duì) DOF 節(jié)點(diǎn)調(diào)用，便可模擬相對(duì)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)。

4.4 基于物理模型的大壩泄流可視化仿真技術(shù)

用計(jì)算機(jī)逼真模擬高壩泄洪霧化現(xiàn)象，對(duì)于直觀分析霧化影響范圍及程度、方便決策、防范危害、確保工程安全具有現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)有關(guān)于泄洪霧化的研究主要集中在理論計(jì)算、物理模型或原型觀測(cè)方面，很少涉及泄洪霧化現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬和可視化，尤其是基于一定物理機(jī)理、實(shí)現(xiàn)不規(guī)則泄洪水流運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的虛擬，更是一個(gè)新的研究課題。大壩泄流過程可視化仿真是在泄流時(shí)的水流運(yùn)動(dòng)軌跡方程控制下，利用粒子系統(tǒng)可視化模擬水滴粒子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)直至消亡等全部過程。具體步驟如下：1）結(jié)合大壩泄洪水流物理機(jī)制，建立構(gòu)成泄洪水流的粒子系統(tǒng)中不同水滴粒子軌跡的運(yùn)動(dòng)控制方程；2）在大壩孔洞出口斷面生成一定數(shù)量的具有空間位置、運(yùn)動(dòng)速度、加速度、大小、形狀及生命周期等初始屬性的水滴粒子，新生成的水滴粒子數(shù)目可由圍繞均值變化的正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)控制；3）在每一幀中，由步驟 1）運(yùn)動(dòng)軌跡方程計(jì)算所有存活的水滴粒子的空間位置，并賦予其新的屬性；4）水滴粒子的消亡可以認(rèn)為當(dāng)水滴粒子跌入大壩下游水流即可消失；5）繪制所有泄洪水流粒子系統(tǒng)中存活的水滴粒子，將其顯示在屏幕上。系統(tǒng)循環(huán)推進(jìn)每一幀，通過重復(fù)步驟 2）～5），就可以動(dòng)態(tài)模擬大壩泄洪整個(gè)過程。

4.5 基于水動(dòng)力模型的流場(chǎng)可視化仿真技術(shù)

數(shù)學(xué)模型計(jì)算與物理實(shí)驗(yàn)、原型觀測(cè)并列為流域研究的三大手段，已在工程建設(shè)各階段發(fā)揮了重要作用[20]。數(shù)學(xué)模型計(jì)算往往會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)本身并不能直觀形象地揭示現(xiàn)象本質(zhì)特征。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)和科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)，將科學(xué)計(jì)算中產(chǎn)生的水利專業(yè)數(shù)據(jù)映射為直觀的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖形圖像，有助于對(duì)隨時(shí)空變化的物理量和現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，尋找水利專業(yè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)以便進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和科學(xué)推理。

運(yùn)用河道水流模型或水沙模型計(jì)算時(shí)，1）將研究區(qū)域離散化為網(wǎng)格單元，一般為四邊形、三角形或混合網(wǎng)格；2）在網(wǎng)格單元上離散水流模型或水沙模型的控制方程，形成數(shù)值方程組；3）選擇數(shù)值算法求解數(shù)值方程，獲得某一時(shí)刻計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的流速、水位、流量、泥沙量等信息；4）按照一定時(shí)間步長(zhǎng)輸出模型計(jì)算結(jié)果。在進(jìn)行流場(chǎng)可視化仿真時(shí)，需要將用歐拉場(chǎng)表示的模型計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為拉格朗日?qǐng)?，用于追蹤水體粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。在流場(chǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)，視可視化效果選定時(shí)間步長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)水體粒子運(yùn)動(dòng)以平滑仿真水體粒子運(yùn)動(dòng)。若模型計(jì)算結(jié)果輸出時(shí)間步長(zhǎng)過大時(shí)，可以通過縮小模型計(jì)算輸出時(shí)間步長(zhǎng)，或?qū)⑾噜彆r(shí)刻的輸出模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性插值。

將水體視為水體粒子的集合，可以用粒子系統(tǒng)表示[21]。流場(chǎng)可視化仿真可以通過粒子系統(tǒng)中粒子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)、死亡，繪制表達(dá)整個(gè)水流狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化情況。粒子產(chǎn)生是基于模型計(jì)算網(wǎng)格控制空間分布情況，并規(guī)定每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)粒子數(shù)目閾值；由于粒子運(yùn)動(dòng)可能造成單元內(nèi)粒子數(shù)目超過規(guī)定閾值，則將粒子置于“死亡”狀態(tài)進(jìn)行刪減，若小于給定閾值，就“出生”新的粒子；粒子“出生”時(shí)的屬性根據(jù)所在網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)的水流特性值插值計(jì)算得到。粒子運(yùn)動(dòng)由流速、時(shí)間和位置組成的常微分方程控制，采用自適應(yīng) Runge-Kutta 方法積分常微分方程得到粒子新位置，同時(shí)通過掃描數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格，根據(jù)所在網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)的屬性值插值計(jì)算粒子屬性。粒子死亡滿足以下 2 個(gè)條件之一：1）網(wǎng)格單元內(nèi)粒子數(shù)目超過規(guī)定閾值；2）粒子運(yùn)動(dòng)到河道外。粒子繪制是對(duì)整個(gè)研究區(qū)域存在粒子進(jìn)行繪制顯示，粒子形狀設(shè)計(jì)為一定粗細(xì)的三維實(shí)體箭頭，實(shí)體箭頭長(zhǎng)度表示流速大小，箭頭指向表示流速方向，實(shí)體厚度表示水深或水位的高低，實(shí)體箭頭顏色表示泥沙濃度大小，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)、矢量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)；根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)需要，也可以對(duì)粒子繪制為線性箭頭，線段長(zhǎng)度和指向分別表示流速大小和方向，顏色可以表示泥沙量、水深或水位值，設(shè)置按鈕進(jìn)行切換，用不同顏色顯示標(biāo)量信息時(shí)空分布。

在場(chǎng)景控制漫游過程中，視點(diǎn)可能距離關(guān)注河道較遠(yuǎn)，可以自動(dòng)關(guān)閉流場(chǎng)顯示，以河道紋理代替顯示河道水面，或者削減總數(shù)調(diào)整粒子空間分布；若部分河道流場(chǎng)位于視點(diǎn)范圍內(nèi)，對(duì)位于視點(diǎn)范圍外的河道流場(chǎng)自動(dòng)消隱不予繪制。上述處理方式的目的是降低系統(tǒng)渲染數(shù)據(jù)量，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。

4.6 基于水質(zhì)模型的污染物運(yùn)移可視化仿真技術(shù)

與河道水流流場(chǎng)不同，水質(zhì)模型輸出的模擬結(jié)果屬于標(biāo)量場(chǎng)，其可視化方法包括顏色映射、云圖、等值面及體繪制等。顏色映射與云圖應(yīng)用于一、二維水質(zhì)模型模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的可視化；等值面與體繪制則用于三維水質(zhì)模型模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的可視化。

一維水質(zhì)模型模擬預(yù)測(cè)可視化仿真步驟如下：1）在模型計(jì)算斷面之間視情況增加用于演示的輔助斷面，順直河段處增加輔助斷面少，彎曲河段處增加輔助斷面多，計(jì)算斷面和輔助斷面構(gòu)成可視化仿真演示斷面集合；2）根據(jù)輔助斷面與上下游計(jì)算斷面的距離，線性插值出輔助斷面的水質(zhì)濃度，依次類推，可以得到演示斷面集合的濃度場(chǎng)；3）為了使?jié)舛葓?chǎng)時(shí)序變化更加符合實(shí)際情況，需要結(jié)合河道地形追蹤出每個(gè)斷面水位與地形相交的淹沒點(diǎn)，具體算法見文獻(xiàn) [22]；4）利用顏色的梯度變化表示斷面濃度值的大小，根據(jù)斷面的淹沒點(diǎn)構(gòu)成三角網(wǎng)格，形成濃度場(chǎng)序列[23]。

二維水質(zhì)模型通常基于規(guī)則或不規(guī)則網(wǎng)格輸出模型計(jì)算網(wǎng)格單元或網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)濃度值，若模型計(jì)算結(jié)果為網(wǎng)格單元的濃度值，則需要利用反距離權(quán)重插值方法計(jì)算出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)濃度值。對(duì)于規(guī)則格網(wǎng)，由于節(jié)點(diǎn)和單元之間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)明顯，很容易離散為三角形網(wǎng)格單元；對(duì)于不規(guī)則格網(wǎng)為三角形單元的網(wǎng)格，不予以處理；對(duì)于其他單元，如常用的四邊形網(wǎng)格，將其離散化為三角形網(wǎng)格。在三角形網(wǎng)格化的基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)濃度值，建立與其對(duì)應(yīng)的顏色映射列表，直接繪制濃度場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，追蹤濃度場(chǎng)的等值線并填充等值線形成表達(dá)濃度場(chǎng)的云圖。

三維水質(zhì)模型基于分層網(wǎng)格計(jì)算，分層網(wǎng)格構(gòu)成了水體的真三維數(shù)據(jù)。三維數(shù)據(jù)處理方法主要分為體繪制和等值面兩大類，其中等值面方法在實(shí)時(shí)生成圖像方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的移動(dòng)立方體方法（Marching Cube，MC）難以處理任意 8 節(jié)點(diǎn)六面體單元的結(jié)果數(shù)據(jù)，為避免該不足，利用單元節(jié)點(diǎn)相關(guān)性的等值面構(gòu)造算法實(shí)現(xiàn)三維模型計(jì)算結(jié)果的體可視化[24]。以某一水質(zhì)計(jì)算六面體單元為例，算法描述如下：1）利用給定的水質(zhì)濃度閾值 C，分別比較判斷與單元 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)濃度值的大小關(guān)系；2）若與當(dāng)前單元 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)水質(zhì)濃度值之差均為正值節(jié)點(diǎn)或負(fù)值節(jié)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)至 6）；3）以某正值節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，搜索與其相鄰的 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)；4）若相鄰節(jié)點(diǎn)為負(fù)值點(diǎn)，等值點(diǎn)坐標(biāo)可以通過線性插值方法計(jì)算；5）若相鄰節(jié)點(diǎn)為正值點(diǎn)，則以其為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)至 3）；6）以同樣方式循環(huán)判斷處理下一單元；7）將搜索的等值點(diǎn)連接為等值面片。

4.7 基于在線監(jiān)測(cè)的水庫(kù)調(diào)控可視化預(yù)警技術(shù)

可視化預(yù)警主要包括水位、水質(zhì)、設(shè)備運(yùn)行、大壩安全等預(yù)警。利用河道關(guān)鍵斷面、設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵部件及大壩關(guān)鍵部位等處布設(shè)的傳感器設(shè)備，實(shí)時(shí)采集河道的水位、水質(zhì)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、大壩形變等數(shù)據(jù)，以無線或有線的方式迅速傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，按給定的預(yù)警分級(jí)指標(biāo)，發(fā)出報(bào)警信息；還可以結(jié)合數(shù)值模型，預(yù)測(cè)水文和工程安全事件的演變趨勢(shì)，適時(shí)發(fā)出預(yù)警，并將這些報(bào)警或預(yù)警信息以不同的顏色動(dòng)態(tài)顯示在三維虛擬環(huán)境中，并配以聲音播放或解說。以水質(zhì)預(yù)警為例，對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面、入河排污口監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及入庫(kù)污染物的實(shí)時(shí)監(jiān)視，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過 GPRS、局域網(wǎng)等傳輸方式傳送到三維虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)，并通過人工選擇分析方法、標(biāo)準(zhǔn)和閾值實(shí)現(xiàn)分析報(bào)警。在此基礎(chǔ)上，利用水質(zhì)預(yù)警模型模擬污染物運(yùn)移變化過程，實(shí)現(xiàn)突發(fā)性污染事件預(yù)警。在應(yīng)急處理過程中，展示水情、水質(zhì)信息，包括重要常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)現(xiàn)狀及趨勢(shì)、實(shí)時(shí)水情水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)信息、水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)信息等展示。根據(jù)實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，顯示主要河道的水質(zhì)評(píng)價(jià)圖，在電子地圖上標(biāo)注常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面和自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的位置、最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀水質(zhì)類別；展示自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的最新監(jiān)測(cè)信息，以折線圖的形式展示監(jiān)測(cè)斷面的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮等監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)。

4.8 基于虛擬環(huán)境的多方案優(yōu)選仿真技術(shù)

大型梯級(jí)水庫(kù)群承擔(dān)著防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水、生態(tài)等多項(xiàng)任務(wù)，為優(yōu)化水庫(kù)群調(diào)度，發(fā)揮綜合效益，在對(duì)水庫(kù)的實(shí)際管理中，可利用虛擬仿真平臺(tái)支撐各種工程或調(diào)度方案的優(yōu)化。三峽工程建成后，實(shí)行冬季蓄水夏季放水排沙的“蓄清排渾”的運(yùn)行方案，受水庫(kù)運(yùn)行調(diào)節(jié)及自然環(huán)境本底影響與控制，庫(kù)區(qū) 145～175 m 高程將全部成為周期性淹沒的消落區(qū)，現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生重大演變，很可能導(dǎo)致嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題，將破壞三峽水庫(kù)與庫(kù)岸景觀和旅游環(huán)境。為了綜合治理消落帶生態(tài)環(huán)境，可以根據(jù)不同調(diào)度時(shí)期的消落帶淹沒情況種植不同的作物，從而可以防治消落帶水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、美化旅游景觀，這種效果可以在三維虛擬仿真平臺(tái)中進(jìn)行模擬。長(zhǎng)江中上游大型水庫(kù)修建改善了航運(yùn)條件，但是由于河道地形復(fù)雜，出現(xiàn)了許多礙航河段，同時(shí)由于水庫(kù)調(diào)度造成的水動(dòng)力效應(yīng)，給航船運(yùn)行帶來了困難?？梢越Y(jié)合水動(dòng)力學(xué)、數(shù)字高程、水庫(kù)調(diào)度和優(yōu)化等模型，建立航線優(yōu)選模型，確定最優(yōu)航線，將最優(yōu)航線、礙航區(qū)域、水流流態(tài)不穩(wěn)定區(qū)域通過可視化方式與周圍環(huán)境相融合，仿真模擬航船的運(yùn)行調(diào)度過程。同樣，大壩的阻隔影響了水流的連續(xù)性和魚類的洄游通道，帶來的水流流態(tài)的變化會(huì)影響生物棲息地的變化，結(jié)合水沙、棲息地和水庫(kù)調(diào)度等模型識(shí)別出棲息地區(qū)域，通過三維虛擬仿真平臺(tái)將棲息地變化情況標(biāo)識(shí)在虛擬環(huán)境中，動(dòng)態(tài)仿真不同生物種群的棲息地區(qū)域變化。

4.9 基于水庫(kù)調(diào)度的庫(kù)容變化可視化仿真技術(shù)

水庫(kù)防洪作用的大小由防洪庫(kù)容決定。湖泊型水庫(kù)的水面比較開闊，水流坡降緩且流速很小，水面趨于水平，其淹沒區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化可以采用基于廣度優(yōu)先搜索數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的種子點(diǎn)蔓延算法[25]。顧及洪水淹沒的實(shí)際情況，本文方法的起始淹沒點(diǎn)位置一般選在壩前附近的網(wǎng)格單元內(nèi)，以此網(wǎng)格為種子點(diǎn)向周圍遍歷其相鄰網(wǎng)格單元，若相鄰網(wǎng)格單元被淹沒，則被計(jì)入淹沒緩沖區(qū)，并將這些新被淹沒的邊界網(wǎng)格單元作為新的種子點(diǎn)，繼續(xù)向外判斷進(jìn)行連通域搜索，直至淹沒連通域搜索完畢，即可得到整個(gè)淹沒區(qū)域。在淹沒區(qū)搜索過程中，對(duì)于淹沒區(qū)內(nèi)部網(wǎng)格單元，以新的水位為基礎(chǔ)計(jì)算更新該網(wǎng)格單元的水深信息。

河道型水庫(kù)庫(kù)面寬度較小，而回水范圍可能較長(zhǎng)，水面線坡降較大，不能用“水平面”的方法進(jìn)行模擬仿真，而采用考慮到水面線演進(jìn)和變化的動(dòng)庫(kù)容計(jì)算方法，按照不恒定的水動(dòng)力學(xué)理論和模型進(jìn)行分析和計(jì)算，河道型水庫(kù)庫(kù)區(qū)的水流演進(jìn)模擬需要的水動(dòng)力學(xué)方程可以用一維的河道水流運(yùn)動(dòng)圣維南方程組描述，方程采用四點(diǎn)線性隱式差分格式求解，在實(shí)際水庫(kù)計(jì)算時(shí)，需要將整個(gè)水庫(kù)庫(kù)區(qū)概化為分段河網(wǎng)計(jì)算。支流調(diào)節(jié)能力按靜庫(kù)容方法計(jì)算（出口水位按動(dòng)庫(kù)容計(jì)算），支流庫(kù)容根據(jù)實(shí)測(cè)地形資料分別建立庫(kù)容曲線；區(qū)間和支流水量根據(jù)實(shí)測(cè)資料和降雨徑流水文模型計(jì)算[26]。庫(kù)區(qū)淹沒動(dòng)態(tài)變化的可視化仿真是基于水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的斷面水位搜索河道的淹沒邊界、確定淹沒區(qū)域的網(wǎng)格單元集合，然后進(jìn)行渲染，即可在三維虛擬環(huán)境中演示河道型水庫(kù)庫(kù)容的動(dòng)態(tài)變化過程。

5 工程實(shí)例應(yīng)用

三峽工程是治理和開發(fā)長(zhǎng)江的關(guān)鍵性骨干工程，是當(dāng)今世界最大的水利樞紐工程，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水及生態(tài)等綜合功能。三峽工程在帶來巨大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，出現(xiàn)了頻繁發(fā)生的庫(kù)區(qū)支流“水華”現(xiàn)象、水庫(kù)下游清水下泄導(dǎo)致河道崩岸及消落帶區(qū)域的生態(tài)環(huán)境問題，甚至水電站調(diào)節(jié)引發(fā)的非恒定過程對(duì)三峽與葛洲壩兩壩間通航條件造成了很大影響。這些問題歸結(jié)為梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)控水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)失衡造成的。眾多學(xué)者通過建設(shè)河道整治工程和水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度研究來改變水動(dòng)力條件，從而解決水庫(kù)上下游的生態(tài)環(huán)境、通航及崩岸問題。在這些生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中產(chǎn)生了由原型觀測(cè)、物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型[27]計(jì)算產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，這些海量數(shù)據(jù)是否有效得到合理解釋，如何從中提煉和挖掘潛在規(guī)律，并采用直觀方式表達(dá)，成為研究人員面臨的問題。通過構(gòu)建仿真系統(tǒng)，可以將這些數(shù)據(jù)的時(shí)空變化通過科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)展現(xiàn)于虛擬環(huán)境中，立體化表達(dá)各種規(guī)則數(shù)據(jù)的時(shí)空分布，提高海量數(shù)據(jù)綜合管理和挖掘效率，服務(wù)于梯級(jí)水庫(kù)調(diào)控。

利用以上技術(shù)，構(gòu)建了三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)調(diào)控水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)虛擬仿真平臺(tái)。三峽河道地形精度為 1∶5 000，河道外地形精度 1∶250 000，地表紋理通過對(duì)遙感影像合成生成，利用三維建模工具Terra Vista 對(duì)河道和周圍場(chǎng)景進(jìn)行自動(dòng)嵌套建模；三峽大壩、升船機(jī)及水輪機(jī)轉(zhuǎn)子根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)資料則利用 Multigen Creator 精細(xì)建模生成；其他相關(guān)屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 SQL Server 中。利用開源三維視景軟件包 OSG，導(dǎo)入地形地物模型，生成三維虛擬仿真平臺(tái)，通過研發(fā)的虛擬表達(dá)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景的漫游、信息可視化查詢分析、閘門控制的動(dòng)態(tài)反饋、泄流的可視化仿真、流場(chǎng)的可視化模擬、水質(zhì)的可視化預(yù)警、三峽消落帶方案的優(yōu)化和庫(kù)容變化可視化仿真等功能，列出部分三維效果，如圖 4～10 所示。

圖 4 裸露地面消落帶

圖 5 植被覆蓋消落帶

圖 6 三峽下游的渦流狀態(tài)

圖 7 流場(chǎng)信息的查詢

圖 8 水質(zhì)信息可視化

圖 9 河道斷面截取

圖 10 水淹模擬分析

5 結(jié)語

三維虛擬仿真能夠模擬預(yù)演水庫(kù)群調(diào)控重大實(shí)踐問題的決策，使決策者和管理者快速獲取和理解準(zhǔn)確直觀和全方位信息，并為他們提供立體逼真和協(xié)同綜合的會(huì)商環(huán)境。對(duì)梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)控的功能進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體框架，開發(fā)了梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)控綜合管理平臺(tái)，研究梯級(jí)水庫(kù)群虛擬環(huán)境建模方法和梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)控下水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)虛擬表達(dá)關(guān)鍵技術(shù)，包括基于碰撞檢測(cè)的多模式漫游控制、虛擬環(huán)境的可視化信息查詢與分析、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的閘門反饋動(dòng)態(tài)仿真、物理模型的大壩泄流過程可視化仿真、水動(dòng)力學(xué)模型的河道水流流場(chǎng)可視化仿真、水質(zhì)模型的污染物運(yùn)移可視化仿真、在線監(jiān)測(cè)的水庫(kù)調(diào)控可視化預(yù)警、虛擬環(huán)境的多方案優(yōu)選仿真和水庫(kù)調(diào)度的庫(kù)容變化可視化動(dòng)態(tài)仿真等技術(shù)。最后以三峽工程為例，構(gòu)建了三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)調(diào)控水動(dòng)力水質(zhì)效應(yīng)虛擬仿真平臺(tái)，具備了場(chǎng)景漫游、信息查詢、閘門啟閉、大壩泄流、流場(chǎng)可視化、水質(zhì)可視化、水質(zhì)預(yù)警、方案優(yōu)選、庫(kù)容可視化仿真等功能，可以為水庫(kù)群調(diào)控提供技術(shù)支撐，為其他水庫(kù)群調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)建提供借鑒。

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Simulation techniques of hydrodynamic and water quality caused by regulation and operation in cascade reservoirs group

YE Yuntao, LIANG Lili, CAO Yin, GONG Jiaguo, JIANG Yunzhong
(Department of Water Resources, China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038, China)

Complex giant system of cascade reservoirs formed by cascade reservoirs will bring great uncertainty to their running management and control decision-making. In order to guarantee benef i t development of reservoirs group,

it is an urgent need to provide advanced information technology and water conservancy professional model as support.Based on the technology of virtual reality, model calculation and online monitoring, and taking the visual expression of water quality and hydrodynamics as the core, the paper systematically analyzes the combination mode between the virtual reality technology and numerical simulation. And then it presents the modeling method of virtual environment for cascade reservoirs group, 3D virtual watershed environment platform development and key techniques of virtual simulation of water quality and fl ow characteristics driven by model and monitoring. The developed techniques are preliminary application in the Three Gorges Project and proved to be feasible, which provides a new train of thought on intelligent management and dispatching of cascade reservoirs group.

digital river basin; cascade reservoirs; regulation and operation; hydrodynamic; water equality; virtual reality; simulation modeling

TV697

A

1674-9405(2017)06-0023-10

10.19364/j.1674-9405.2017.06.005

2017-03-09

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2017YFC0405804，2017YFC0405801）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51309254）；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院“十三五”重點(diǎn)科研專項(xiàng)（資基本科研KY1701）；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金（IWHR-SKL-201517）

冶運(yùn)濤（1983-），男，河南許昌人，高級(jí)工程師，主要從事水信息學(xué)與智慧流域、流域水循環(huán)模擬及水資源遙感方面的研究。