孫黎明，魏迎奇，吳帥峰，肖建章，嚴 俊

（中國水利水電科學研究院，北京 100084）

1 引 言

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)的主河超常洪水災害，造成巨大的生命財產(chǎn)損失［1－3］。堰塞湖是由地震、強降雨、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)的洪水災害相比普通水工建筑物的損毀事故具有危害大、時間短、應急搶險挑戰(zhàn)性強等特點。為提高堰塞湖應急搶險的決策效率和效果，需要對通過衛(wèi)星遙感、無人機、激光雷達（LiDAR）、干涉雷達（InSAR）、地面測量等多種感知方法得到的數(shù)據(jù)進行融合處理［4－5］。然而，傳統(tǒng)堰塞湖信息化平臺的創(chuàng)建大都是針對單一感知方法、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)實時更新、多尺度三維模型快速構(gòu)建的需要，更無法實現(xiàn)堰塞湖形成全過程的靜態(tài)三維虛擬地理環(huán)境構(gòu)建和動態(tài)過程仿真模擬。

針對以上問題，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)的堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真平臺構(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)模型設計方法，針對不同尺度提出堰塞湖三維靜態(tài)模型構(gòu)建方法，基于此對堰塞湖河流演進過程、堰塞體形成過程等進行動態(tài)可視化仿真模擬，最后對堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真平臺架構(gòu)進行介紹并驗證平臺構(gòu)建方法的合理性和可行性，以期為類似堰塞湖的搶險救災提供軟件支撐。

2 堰塞湖多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)

堰塞湖多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)指可以表示對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，是進行三維可視化和動態(tài)虛擬仿真的基礎數(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］，從而為救災決策提供基礎地理信息支撐。堰塞湖通常發(fā)生在人跡罕至、交通不便的偏遠地區(qū)，實地監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集難度大，需要采用衛(wèi)星、無人機等搭載光學傳感器或者激光傳感器進行遠距離測量，獲取堰塞湖大范圍的地形和影像，再利用旋翼無人機、InSAR、三維激光掃描儀、多波束測深儀、機載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)是對堰塞湖應急搶險、上下游災害風險評估的重要動態(tài)數(shù)據(jù)，包括水位、流量、流速、降水量等，由水文站網(wǎng)和臨時布設的測站監(jiān)測可得，監(jiān)測位置包括堰塞湖入庫、出庫、過流位置。

（3）生境數(shù)據(jù)。針對堰塞湖形成后帶來的社會危害以及堰塞湖應急處置和災后恢復重建工作中涉及的社會因素，在堰塞湖上游地質(zhì)災害風險鏈評估中應充分考慮生境數(shù)據(jù)，具體涉及沿江影響范圍內(nèi)的人口分布、交通基礎設施、大型廠礦設施、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、寬、高、方量、坡比、物質(zhì)組成等。

3 堰塞湖多尺度三維數(shù)據(jù)模型設計方法

通過設計堰塞湖多尺度三維數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的快速存儲、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)模型設計包括以下內(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)實現(xiàn)對地面地形的數(shù)字化模擬，此模型包括規(guī)則網(wǎng)絡和不規(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)適用于簡單地表三維模擬，難以表達復雜地形。針對堰塞湖三維場景中形狀復雜堆積體的精細化模擬，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地形圖與對應的幾何模型

（2）模型尺度劃分。堰塞湖場景中各區(qū)域原始三維模型的表達范圍和精度要求不同，需要對模型進行尺度劃分，以便有針對性地選取模型構(gòu)建與管理方法。堰塞湖場景中三維模型的尺度劃分見圖3。

圖3 堰塞湖場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序變化模型，構(gòu)建大區(qū)域尺度模型時通常需要在保持一定模擬范圍和精度的基礎上考慮如何提高構(gòu)建速度以及渲染速度；局部區(qū)域尺度主要針對堰塞湖小范圍的精細化場景，例如堰塞湖本身所在區(qū)域，構(gòu)建局部區(qū)域尺度模型時需要重點關(guān)注局部區(qū)域的高精度、可視化模擬；工程尺度主要針對堰塞體和滑坡體，構(gòu)建工程尺度模型時主要考慮堆積體高度計算等；部件尺度主要針對滑坡體裂縫、建筑物橋梁等，構(gòu)建部件尺度模型時需要提高其精細程度。

（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模型的不同尺度進行動態(tài)轉(zhuǎn)換與融合，對于TIN結(jié)構(gòu)的三維模型，通常采用尺度收縮和尺度擴張兩種手段。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)等方法實現(xiàn)尺度擴張。

（4）模型對象管理與組織。堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真平臺涉及的模型對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、房屋設施模型、橋梁模型、河流動態(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象組織方法進行模型的快速索引和查詢。選用三維空間八叉樹方法對堰塞湖三維模型進行管理，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個葉節(jié)點，否則繼續(xù)對該體元剖分成8個子節(jié)點，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葉節(jié)點對應的空間范圍可以對大量的空間模型對象進行快速索引［12］。針對大區(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，而對于小尺度的模型可直接對模型整體進行八叉樹節(jié)點計算。

（5）多層次細節(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，通過逐次簡化景物的表面細節(jié)來減少場景的幾何復雜性，從而加快堰塞體三維場景的渲染速度。白格堰塞湖發(fā)生后上游淹沒區(qū)長度達60 km，下游淹沒區(qū)長度超過700 km，在進行區(qū)域地形模型的三維可視化渲染時，根據(jù)視點與模型的距離自動計算LOD級別并進行畫面裁剪，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］。

4 堰塞湖三維靜態(tài)模型構(gòu)建方法

4.1 大區(qū)域尺度三維模型構(gòu)建

對于堰塞湖搶險救災而言，堰塞湖大區(qū)域尺度三維模型構(gòu)建過程中實地精細化測量的時效性較差，無法滿足實際需要。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，利用光學遙感衛(wèi)星、雷達衛(wèi)星、固定翼無人機等可以快速得到高分辨率時序遙感數(shù)據(jù)，其中光學遙感衛(wèi)星技術(shù)的分辨率可以達到0.5 m，無人機可以達到厘米級精度，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)，適用于對數(shù)據(jù)的快速計算與分析，因此以上技術(shù)可作為堰塞湖搶險救災中主要的數(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）無人機傾斜攝影模型。根據(jù)無人機光學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)解算方法對圖片進行空三計算，從而構(gòu)建無人機傾斜攝影模型，再采用LOD技術(shù)對無人機傾斜攝影模型進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，與無人機方法相比，在有限的搶險時間內(nèi)利用已有的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)更有利于提高搶險效率。同時基于地形數(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程瓦片調(diào)用LOD模型，可實現(xiàn)模型的快速渲染和瀏覽。

（3）基于LiDAR的三維模型。相比無人機傾斜攝影模型在高程測量精度上的不足，三維激光掃描儀具有垂直精度高、測程長和穩(wěn)定性高的特點，特別適合對邊坡或者滑坡體進行數(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LiDAR進行建模時更具優(yōu)勢，由LiDAR獲取的數(shù)據(jù)是點云數(shù)據(jù)，基于點云數(shù)據(jù)可以直接生成高精度的DEM。

4.2 局部區(qū)域尺度三維模型構(gòu)建

精細化的局部區(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，此類模型層級更多更細；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)和精細化的DEM地形表面進行求交和封閉得到完整的堰塞體三維模型，用于預測分析二次滑坡形成的堰塞體方量和堰頂高程等。

5 堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真方法

5.1 時序動態(tài)事件仿真模型構(gòu)建

堰塞湖的動態(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)不同時間點的場景狀態(tài)創(chuàng)建對應的三維靜態(tài)模型，對不同時間段的衛(wèi)星影像和地形數(shù)據(jù)進行時間關(guān)聯(lián)形成時序數(shù)據(jù)，基于時序數(shù)據(jù)對多個連續(xù)的LOD化的三維靜態(tài)模型進行幀動畫播放，實現(xiàn)對時序動態(tài)事件的仿真模擬。白格堰塞湖場景三維仿真模擬見圖4。

圖4 白格堰塞湖場景三維仿真模擬

5.2 大區(qū)域河流動態(tài)虛擬仿真

通常采用基于一維洪水演進模型的大區(qū)域河流三維模擬方法實現(xiàn)大區(qū)域河流動態(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)計算得到河流的實際范圍以及流程函數(shù)，根據(jù)流程函數(shù)計算的河道位置以及高程落差創(chuàng)建多個相鄰的河道三維斷面。然后采用一維圣維南方程計算得到任意斷面不同時刻的水位，根據(jù)水位迭代連接相鄰2個斷面和河流兩側(cè)的山脊線形成河面分段多邊形，對河面分段多邊形均勻插入內(nèi)部節(jié)點，從而構(gòu)建閉環(huán)的河流三角網(wǎng)曲面。最后采用動態(tài)紋理映射方法對洪水的水流方向進行模擬，根據(jù)模擬的洪水演進時間序列進行重復迭代，從而完成連續(xù)時間段內(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的結(jié)果快速轉(zhuǎn)換為三維形式的虛擬仿真，解決了對大區(qū)域河流進行動態(tài)模擬時可視化渲染方法復雜和速度慢的問題，對大區(qū)域范圍內(nèi)洪水災害的搶險救災具有重要意義。白格堰塞湖大區(qū)域河流動態(tài)虛擬仿真效果見圖5。

圖5 白格堰塞湖大區(qū)域河流動態(tài)虛擬仿真效果

5.3 堰塞體動態(tài)虛擬仿真

堰塞體動態(tài)虛擬仿真主要針對2個過程：一是滑坡體滑落形成堰塞體的過程，二是進行應急搶險時對堰塞體的開挖過程。針對第1個過程的模擬，主要是根據(jù)不同時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，按照時間軸進行動畫切換來實現(xiàn)動態(tài)可視化模擬，模擬的關(guān)鍵時間點主要包括滑坡體形變前、堰塞體形成后以及堰塞體險情解除后等。針對第2個過程的模擬，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)設定參數(shù)的變化實現(xiàn)對堰塞體開挖過程的動態(tài)虛擬仿真。堰塞體開挖前的三維場景效果見圖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景效果和三維幾何模型

6 堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真平臺設計與實現(xiàn)

以白格堰塞湖為例，研發(fā)多種實時數(shù)據(jù)接入的堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真平臺，平臺架構(gòu)見圖7，平臺主頁面見圖8。該平臺包括感知數(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個層級，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、三維建模、三維可視化與應用等多種功能。其中：感知數(shù)據(jù)層主要對多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)進行接入與融合；數(shù)據(jù)資源層主要提供數(shù)據(jù)存儲和共享服務功能；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)字地球核心組件實現(xiàn)三維動態(tài)建模和專業(yè)分析計算功能；軟件功能層包括所有的業(yè)務功能，實現(xiàn)堰塞湖應急搶險時模型快速構(gòu)建與應用的目標。

圖7 堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真平臺架構(gòu)

圖8 堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真平臺主頁面

在白格堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真平臺中基于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LiDAR的10 cm點云數(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現(xiàn)多尺度和精細尺度的三維模型的動態(tài)調(diào)度。除此之外，基于此平臺還實現(xiàn)了對堰塞湖的風險評估功能，見圖9。

圖9 堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真平臺的風險評估功能

7 結(jié) 語

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，提出了堰塞湖多尺度三維數(shù)據(jù)模型設計方法，實現(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)，通過提出的時序動態(tài)事件仿真模擬方法實現(xiàn)了對大區(qū)域河流演進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)建了堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真平臺，以白格堰塞湖為例，驗證了該平臺的適用性。

堰塞湖三維動態(tài)虛擬仿真平臺的應用驗證需要在實際堰塞湖搶險案例下進行，而堰塞湖的發(fā)生是偶然事件，處置時間較短，只能用已有案例的實測數(shù)據(jù)進行測試，這在客觀上為堰塞湖三維平臺的應用和研發(fā)提出了較高要求，因此后續(xù)需在堰塞湖搶險過程中多次應用，才能提升平臺的應用價值。