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）

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(zāi)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(zāi)害相比普通水工建筑物的損毀事故具有危害大、時間短、應(yīng)急搶險挑戰(zhàn)性強等特點。為提高堰塞湖應(yīng)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(dá)（LiDAR）、干涉雷達(dá)（InSAR）、地面測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(shè)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(jìn)過程、堰塞體形成過程等進(jìn)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(jìn)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(zāi)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(jìn)行三維可視化和動態(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(xué)傳感器或者激光傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)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(yīng)急搶險、上下游災(zāi)害風(fēng)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(shè)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(yīng)急處置和災(zāi)后恢復(fù)重建工作中涉及的社會因素，在堰塞湖上游地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險鏈評估中應(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(shè)計方法

通過設(shè)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(shè)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(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)適用于簡單地表三維模擬，難以表達(dá)復(fù)雜地形。針對堰塞湖三維場景中形狀復(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(yīng)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(dá)范圍和精度要求不同，需要對模型進(jìn)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(chǔ)上考慮如何提高構(gòu)建速度以及渲染速度；局部區(qū)域尺度主要針對堰塞湖小范圍的精細(xì)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(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模型的不同尺度進(jìn)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(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(kuò)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(shè)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(jìn)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(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(yīng)的空間范圍可以對大量的空間模型對象進(jìn)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(jìn)行八叉樹節(jié)點計算。

（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，通過逐次簡化景物的表面細(xì)節(jié)來減少場景的幾何復(fù)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(dá)60 km，下游淹沒區(qū)長度超過700 km，在進(jìn)行區(qū)域地形模型的三維可視化渲染時，根據(jù)視點與模型的距離自動計算LOD級別并進(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］。

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(zāi)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(xì)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(xué)遙感衛(wèi)星、雷達(dá)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(xué)遙感衛(wèi)星技術(shù)的分辨率可以達(dá)到0.5 m，無人機可以達(dá)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(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(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)解算方法對圖片進(jìn)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(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(yuǎn)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(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LiDAR進(jìn)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(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(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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行模擬，根據(jù)模擬的洪水演進(jìn)時間序列進(jìn)行重復(fù)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(jìn)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(jìn)行動態(tài)模擬時可視化渲染方法復(fù)雜和速度慢的問題，對大區(qū)域范圍內(nèi)洪水災(zāi)害的搶險救災(zāi)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(jìn)行應(yīng)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(jìn)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(shè)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(shè)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(yīng)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(jìn)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(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(wù)功能，實現(xiàn)堰塞湖應(yīng)急搶險時模型快速構(gòu)建與應(yīng)用的目標(biāo)。

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(xì)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(fēng)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(fēng)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(shè)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(jìn)過程以及堰塞體形成過程和開挖過程的虛擬仿真。基于上述方法構(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(yīng)用驗證需要在實際堰塞湖搶險案例下進(jìn)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(jìn)行測試，這在客觀上為堰塞湖三維平臺的應(yīng)用和研發(fā)提出了較高要求，因此后續(xù)需在堰塞湖搶險過程中多次應(yīng)用，才能提升平臺的應(yīng)用價值。