孫黎明,魏迎奇,吳帥峰,肖建章,嚴(yán) 俊
(中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100084)
我國是堰塞湖類型最多、分布最廣的國家,近年來發(fā)生多起由堰塞湖潰決引發(fā)的主河超常洪水災(zāi)害,造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失[1-3]。堰塞湖是由地震、強(qiáng)降雨、火山噴發(fā)等引發(fā)的從高位滑下的滑坡體、泥石流、火山噴發(fā)物、冰磧堆積體等橫向阻塞河道形成的湖泊。由堰塞湖潰決引發(fā)的洪水災(zāi)害相比普通水工建筑物的損毀事故具有危害大、時(shí)間短、應(yīng)急搶險(xiǎn)挑戰(zhàn)性強(qiáng)等特點(diǎn)。為提高堰塞湖應(yīng)急搶險(xiǎn)的決策效率和效果,需要對(duì)通過衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、激光雷達(dá)(LiDAR)、干涉雷達(dá)(InSAR)、地面測(cè)量等多種感知方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理[4-5]。然而,傳統(tǒng)堰塞湖信息化平臺(tái)的創(chuàng)建大都是針對(duì)單一感知方法、單一數(shù)據(jù)種類以及三維可視化等基本功能[6-8],無法滿足多部門數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新、多尺度三維模型快速構(gòu)建的需要,更無法實(shí)現(xiàn)堰塞湖形成全過程的靜態(tài)三維虛擬地理環(huán)境構(gòu)建和動(dòng)態(tài)過程仿真模擬。
針對(duì)以上問題,本文以白格堰塞湖為例,提出一種基于多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的堰塞湖三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建方法,首先確定用于堰塞湖三維建模的多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù),然后提出堰塞湖多尺度三維數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)方法,針對(duì)不同尺度提出堰塞湖三維靜態(tài)模型構(gòu)建方法,基于此對(duì)堰塞湖河流演進(jìn)過程、堰塞體形成過程等進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化仿真模擬,最后對(duì)堰塞湖三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行介紹并驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建方法的合理性和可行性,以期為類似堰塞湖的搶險(xiǎn)救災(zāi)提供軟件支撐。
堰塞湖多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)指可以表示對(duì)象空間位置和空間形態(tài)的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)來源、性質(zhì)、格式均不相同,是進(jìn)行三維可視化和動(dòng)態(tài)虛擬仿真的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),主要包括遙感地理信息數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)、生境數(shù)據(jù)、堰塞體幾何形態(tài)數(shù)據(jù)。
(1)遙感地理信息數(shù)據(jù)。通過獲取堰塞湖發(fā)生地、堰塞湖水下區(qū)、上游淹沒區(qū)以及潰壩后下游洪水淹沒區(qū)的地形和影像,可以快速掌握堰塞湖上下游的地物狀況,輸出高精度的三維地形圖、專題地圖、等高線圖、形變圖等[9-10],從而為救災(zāi)決策提供基礎(chǔ)地理信息支撐。堰塞湖通常發(fā)生在人跡罕至、交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū),實(shí)地監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集難度大,需要采用衛(wèi)星、無人機(jī)等搭載光學(xué)傳感器或者激光傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量,獲取堰塞湖大范圍的地形和影像,再利用旋翼無人機(jī)、InSAR、三維激光掃描儀、多波束測(cè)深儀、機(jī)載LiDAR獲取堰塞湖局部的高精度地形和影像,此類數(shù)據(jù)主要是地理柵格圖像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)[11]?;谙嚓P(guān)數(shù)據(jù)輸出的白格堰塞湖數(shù)字正射影像(DOM)見圖1。
圖1 白格堰塞湖數(shù)字正射影像
(2)水文氣象數(shù)據(jù)。水文氣象數(shù)據(jù)是對(duì)堰塞湖應(yīng)急搶險(xiǎn)、上下游災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù),包括水位、流量、流速、降水量等,由水文站網(wǎng)和臨時(shí)布設(shè)的測(cè)站監(jiān)測(cè)可得,監(jiān)測(cè)位置包括堰塞湖入庫、出庫、過流位置。
(3)生境數(shù)據(jù)。針對(duì)堰塞湖形成后帶來的社會(huì)危害以及堰塞湖應(yīng)急處置和災(zāi)后恢復(fù)重建工作中涉及的社會(huì)因素,在堰塞湖上游地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)鏈評(píng)估中應(yīng)充分考慮生境數(shù)據(jù),具體涉及沿江影響范圍內(nèi)的人口分布、交通基礎(chǔ)設(shè)施、大型廠礦設(shè)施、文物等。
(4)堰塞體幾何形態(tài)數(shù)據(jù)。在堰塞湖發(fā)生第一時(shí)間需要獲取堰塞體表面和內(nèi)部的幾何形態(tài)數(shù)據(jù),包括堰塞體長(zhǎng)、寬、高、方量、坡比、物質(zhì)組成等。
通過設(shè)計(jì)堰塞湖多尺度三維數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)、查詢、更新以及大量三維模型的快速展示,堰塞湖多尺度三維數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容。
(1)確定模型幾何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)字高程模型(DEM)是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬,此模型包括規(guī)則網(wǎng)絡(luò)和不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)兩種結(jié)構(gòu),其中規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu)適用于簡(jiǎn)單地表三維模擬,難以表達(dá)復(fù)雜地形。針對(duì)堰塞湖三維場(chǎng)景中形狀復(fù)雜堆積體的精細(xì)化模擬,通常需要采用TIN結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)通過不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)形成連續(xù)三角面,以不同層次的分辨率來描述堰塞湖的地形表面。白格堰塞湖DEM地形圖和基于DEM構(gòu)建的TIN結(jié)構(gòu)幾何模型見圖2。
圖2 白格堰塞湖DEM地形圖與對(duì)應(yīng)的幾何模型
(2)模型尺度劃分。堰塞湖場(chǎng)景中各區(qū)域原始三維模型的表達(dá)范圍和精度要求不同,需要對(duì)模型進(jìn)行尺度劃分,以便有針對(duì)性地選取模型構(gòu)建與管理方法。堰塞湖場(chǎng)景中三維模型的尺度劃分見圖3。
圖3 堰塞湖場(chǎng)景中三維模型的尺度劃分
大區(qū)域尺度模型包括堰塞湖整個(gè)大區(qū)域范圍,例如所有受到堰塞湖影響的區(qū)域地形模型以及虛擬仿真所需要的時(shí)序變化模型,構(gòu)建大區(qū)域尺度模型時(shí)通常需要在保持一定模擬范圍和精度的基礎(chǔ)上考慮如何提高構(gòu)建速度以及渲染速度;局部區(qū)域尺度主要針對(duì)堰塞湖小范圍的精細(xì)化場(chǎng)景,例如堰塞湖本身所在區(qū)域,構(gòu)建局部區(qū)域尺度模型時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注局部區(qū)域的高精度、可視化模擬;工程尺度主要針對(duì)堰塞體和滑坡體,構(gòu)建工程尺度模型時(shí)主要考慮堆積體高度計(jì)算等;部件尺度主要針對(duì)滑坡體裂縫、建筑物橋梁等,構(gòu)建部件尺度模型時(shí)需要提高其精細(xì)程度。
(3)模型尺度的轉(zhuǎn)換與融合。在三維模型渲染過程中需要對(duì)模型的不同尺度進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換與融合,對(duì)于TIN結(jié)構(gòu)的三維模型,通常采用尺度收縮和尺度擴(kuò)張兩種手段。具體地,利用邊界交換、網(wǎng)格合并、局部重構(gòu)等方法實(shí)現(xiàn)尺度收縮,利用克里金插值、樣條函數(shù)插值、反距離加權(quán)等方法實(shí)現(xiàn)尺度擴(kuò)張。
(4)模型對(duì)象管理與組織。堰塞湖三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真平臺(tái)涉及的模型對(duì)象包括滑坡體三維地形模型、堰塞體三維幾何形態(tài)模型、河道模型、房屋設(shè)施模型、橋梁模型、河流動(dòng)態(tài)模型等,不同模型的數(shù)據(jù)源與構(gòu)建方法差異較大,需要采用一種空間對(duì)象組織方法進(jìn)行模型的快速索引和查詢。選用三維空間八叉樹方法對(duì)堰塞湖三維模型進(jìn)行管理,空間八叉樹是一種用于描述三維空間的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在八叉樹結(jié)構(gòu)中如果被劃分的體元具有相同的屬性,則該體元構(gòu)成1個(gè)葉節(jié)點(diǎn),否則繼續(xù)對(duì)該體元剖分成8個(gè)子節(jié)點(diǎn),結(jié)合模型的中心位置和三維包圍盒的邊界范圍,按照空間八叉樹的層級(jí)葉節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間范圍可以對(duì)大量的空間模型對(duì)象進(jìn)行快速索引[12]。針對(duì)大區(qū)域尺度的堰塞湖地形模型,可以按照平面四叉樹把模型切分為若干部分,而對(duì)于小尺度的模型可直接對(duì)模型整體進(jìn)行八叉樹節(jié)點(diǎn)計(jì)算。
(5)多層次細(xì)節(jié)(LOD)模型構(gòu)建。LOD技術(shù)是在不影響畫面視覺效果的前提下,通過逐次簡(jiǎn)化景物的表面細(xì)節(jié)來減少場(chǎng)景的幾何復(fù)雜性,從而加快堰塞體三維場(chǎng)景的渲染速度。白格堰塞湖發(fā)生后上游淹沒區(qū)長(zhǎng)度達(dá)60 km,下游淹沒區(qū)長(zhǎng)度超過700 km,在進(jìn)行區(qū)域地形模型的三維可視化渲染時(shí),根據(jù)視點(diǎn)與模型的距離自動(dòng)計(jì)算LOD級(jí)別并進(jìn)行畫面裁剪,使瀏覽過程中固定視口范圍內(nèi)的內(nèi)存模型大小接近,有效地協(xié)調(diào)畫面連續(xù)性與模型分辨率的關(guān)系[13]。
對(duì)于堰塞湖搶險(xiǎn)救災(zāi)而言,堰塞湖大區(qū)域尺度三維模型構(gòu)建過程中實(shí)地精細(xì)化測(cè)量的時(shí)效性較差,無法滿足實(shí)際需要。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展,利用光學(xué)遙感衛(wèi)星、雷達(dá)衛(wèi)星、固定翼無人機(jī)等可以快速得到高分辨率時(shí)序遙感數(shù)據(jù),其中光學(xué)遙感衛(wèi)星技術(shù)的分辨率可以達(dá)到0.5 m,無人機(jī)可以達(dá)到厘米級(jí)精度,通過此類技術(shù)得到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu),適用于對(duì)數(shù)據(jù)的快速計(jì)算與分析,因此以上技術(shù)可作為堰塞湖搶險(xiǎn)救災(zāi)中主要的數(shù)據(jù)感知技術(shù)。根據(jù)采用的不同技術(shù)把構(gòu)建的堰塞湖大區(qū)域尺度三維模型分為無人機(jī)傾斜攝影模型、基于衛(wèi)星遙感影像和DEM的三維模型、基于LiDAR的三維模型[14]。
(1)無人機(jī)傾斜攝影模型。根據(jù)無人機(jī)光學(xué)鏡頭快速獲取高山峽谷區(qū)的傾斜攝影圖片,利用Open?DroneMap等內(nèi)業(yè)解算方法對(duì)圖片進(jìn)行空三計(jì)算,從而構(gòu)建無人機(jī)傾斜攝影模型,再采用LOD技術(shù)對(duì)無人機(jī)傾斜攝影模型進(jìn)行渲染可以得到三維LOD模型。
(2)基于衛(wèi)星遙感影像和DEM的三維模型。大江大河中形成的堰塞湖影響范圍往往有幾百公里,與無人機(jī)方法相比,在有限的搶險(xiǎn)時(shí)間內(nèi)利用已有的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)更有利于提高搶險(xiǎn)效率。同時(shí)基于地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)通過高程映射和紋理映射可快速構(gòu)建出大區(qū)域尺度三維地形模型,在瀏覽過程中利用柵格金字塔或者遠(yuǎn)程瓦片調(diào)用LOD模型,可實(shí)現(xiàn)模型的快速渲染和瀏覽。
(3)基于LiDAR的三維模型。相比無人機(jī)傾斜攝影模型在高程測(cè)量精度上的不足,三維激光掃描儀具有垂直精度高、測(cè)程長(zhǎng)和穩(wěn)定性高的特點(diǎn),特別適合對(duì)邊坡或者滑坡體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,從而快速得到高精度的地形數(shù)據(jù)。采用無人機(jī)LiDAR進(jìn)行建模時(shí)更具優(yōu)勢(shì),由LiDAR獲取的數(shù)據(jù)是點(diǎn)云數(shù)據(jù),基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接生成高精度的DEM。
精細(xì)化的局部區(qū)域尺度三維模型包括堰塞體堆積體模型、壩體模型、潰壩后的殘留體模型等,這些模型是基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)、遙感地形數(shù)據(jù)結(jié)合具體參數(shù)構(gòu)建的高精度模型。把不同局部區(qū)域的模型整體分為兩類:一是利用三維激光掃描儀、無人機(jī)傾斜攝影等方法得到的高精度三維LOD模型,與大區(qū)域尺度三維模型相比,此類模型層級(jí)更多更細(xì);二是三維曲面模型,主要是結(jié)合模型幾何形態(tài)參數(shù)進(jìn)行模擬分析,首先確定堰塞體的基本幾何形態(tài),主要包括坡比、壩頂高程等參數(shù),再基于堰塞體的基本幾何形態(tài)和精細(xì)化的DEM地形表面進(jìn)行求交和封閉得到完整的堰塞體三維模型,用于預(yù)測(cè)分析二次滑坡形成的堰塞體方量和堰頂高程等。
堰塞湖的動(dòng)態(tài)事件指滑坡體滑落過程、河流上漲過程、堰塞湖潰壩過程、堰塞湖上游淹沒過程等,根據(jù)不同時(shí)間點(diǎn)的場(chǎng)景狀態(tài)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的三維靜態(tài)模型,對(duì)不同時(shí)間段的衛(wèi)星影像和地形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間關(guān)聯(lián)形成時(shí)序數(shù)據(jù),基于時(shí)序數(shù)據(jù)對(duì)多個(gè)連續(xù)的LOD化的三維靜態(tài)模型進(jìn)行幀動(dòng)畫播放,實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)序動(dòng)態(tài)事件的仿真模擬。白格堰塞湖場(chǎng)景三維仿真模擬見圖4。
圖4 白格堰塞湖場(chǎng)景三維仿真模擬
通常采用基于一維洪水演進(jìn)模型的大區(qū)域河流三維模擬方法實(shí)現(xiàn)大區(qū)域河流動(dòng)態(tài)虛擬仿真。首先根據(jù)大區(qū)域河流的中心線、河流兩側(cè)的山脊線以及河流所在區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得到河流的實(shí)際范圍以及流程函數(shù),根據(jù)流程函數(shù)計(jì)算的河道位置以及高程落差創(chuàng)建多個(gè)相鄰的河道三維斷面。然后采用一維圣維南方程計(jì)算得到任意斷面不同時(shí)刻的水位,根據(jù)水位迭代連接相鄰2個(gè)斷面和河流兩側(cè)的山脊線形成河面分段多邊形,對(duì)河面分段多邊形均勻插入內(nèi)部節(jié)點(diǎn),從而構(gòu)建閉環(huán)的河流三角網(wǎng)曲面。最后采用動(dòng)態(tài)紋理映射方法對(duì)洪水的水流方向進(jìn)行模擬,根據(jù)模擬的洪水演進(jìn)時(shí)間序列進(jìn)行重復(fù)迭代,從而完成連續(xù)時(shí)間段內(nèi)的大區(qū)域河流三維模擬。采用以上方法把一維洪水演進(jìn)的結(jié)果快速轉(zhuǎn)換為三維形式的虛擬仿真,解決了對(duì)大區(qū)域河流進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬時(shí)可視化渲染方法復(fù)雜和速度慢的問題,對(duì)大區(qū)域范圍內(nèi)洪水災(zāi)害的搶險(xiǎn)救災(zāi)具有重要意義。白格堰塞湖大區(qū)域河流動(dòng)態(tài)虛擬仿真效果見圖5。
圖5 白格堰塞湖大區(qū)域河流動(dòng)態(tài)虛擬仿真效果
堰塞體動(dòng)態(tài)虛擬仿真主要針對(duì)2個(gè)過程:一是滑坡體滑落形成堰塞體的過程,二是進(jìn)行應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)對(duì)堰塞體的開挖過程。針對(duì)第1個(gè)過程的模擬,主要是根據(jù)不同時(shí)刻的滑坡體和河谷的DEM、DOM數(shù)據(jù)精確追蹤堰塞體的形成過程,按照時(shí)間軸進(jìn)行動(dòng)畫切換來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可視化模擬,模擬的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)主要包括滑坡體形變前、堰塞體形成后以及堰塞體險(xiǎn)情解除后等。針對(duì)第2個(gè)過程的模擬,需要先確定堰塞體的幾何形態(tài)參數(shù),具體參數(shù)包括壩頂高程、上下游坡比、開挖體積、開挖范圍等,再根據(jù)相關(guān)參數(shù)構(gòu)建堰塞體的三維模型形狀,最后根據(jù)設(shè)定參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)堰塞體開挖過程的動(dòng)態(tài)虛擬仿真。堰塞體開挖前的三維場(chǎng)景效果見圖6(其中顏色高亮部分為堰塞體開挖前的三維幾何模型)。
圖6 堰塞體開挖前的三維場(chǎng)景效果和三維幾何模型
以白格堰塞湖為例,研發(fā)多種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入的堰塞湖三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真平臺(tái),平臺(tái)架構(gòu)見圖7,平臺(tái)主頁面見圖8。該平臺(tái)包括感知數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)資源層、核心支撐層、專業(yè)分析層、軟件功能層5個(gè)層級(jí),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、三維建模、三維可視化與應(yīng)用等多種功能。其中:感知數(shù)據(jù)層主要對(duì)多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行接入與融合;數(shù)據(jù)資源層主要提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享服務(wù)功能;核心支撐層提供三維數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建與管理方法;專業(yè)分析層主要基于三維數(shù)字地球核心組件實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)建模和專業(yè)分析計(jì)算功能;軟件功能層包括所有的業(yè)務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)堰塞湖應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)模型快速構(gòu)建與應(yīng)用的目標(biāo)。
圖7 堰塞湖三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真平臺(tái)架構(gòu)
圖8 堰塞湖三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真平臺(tái)主頁面
在白格堰塞湖三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真平臺(tái)中基于10 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)和1 m分辨率的DOM數(shù)據(jù)可以構(gòu)建大區(qū)域尺度三維模型,利用無人機(jī)LiDAR的10 cm點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以構(gòu)建堰塞體、滑坡體三維模型,通過三維空間八叉樹方法實(shí)現(xiàn)多尺度和精細(xì)尺度的三維模型的動(dòng)態(tài)調(diào)度。除此之外,基于此平臺(tái)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)堰塞湖的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估功能,見圖9。
圖9 堰塞湖三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估功能
本文確定適用于堰塞湖多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的種類和特點(diǎn),提出了堰塞湖多尺度三維數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了堰塞湖大區(qū)域尺度和局部區(qū)域尺度的三維模型快速重構(gòu),通過提出的時(shí)序動(dòng)態(tài)事件仿真模擬方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)大區(qū)域河流演進(jìn)過程以及堰塞體形成過程和開挖過程的虛擬仿真?;谏鲜龇椒?gòu)建了堰塞湖三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真平臺(tái),以白格堰塞湖為例,驗(yàn)證了該平臺(tái)的適用性。
堰塞湖三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用驗(yàn)證需要在實(shí)際堰塞湖搶險(xiǎn)案例下進(jìn)行,而堰塞湖的發(fā)生是偶然事件,處置時(shí)間較短,只能用已有案例的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,這在客觀上為堰塞湖三維平臺(tái)的應(yīng)用和研發(fā)提出了較高要求,因此后續(xù)需在堰塞湖搶險(xiǎn)過程中多次應(yīng)用,才能提升平臺(tái)的應(yīng)用價(jià)值。