建立三维数字长江模型的关键技术探讨

在过去的50余年中,已积累了大量的长江全程水道地形、水文、泥沙资料,为了反映长江水文变化过程的时空动态特征,需要开发能实现三维显示的软件用于水文模拟和水资源管理.中国地质大学信息研究所和长江水利委员会水文局联合开发了"长江水文泥沙信息分析管理系统(GeoHydrology)",并利用其中的三维可视化子系统建立了一套三维数字长江模型,实现了长江水文泥沙及河道原型观测和分析信息的三维可视化.就其中涉及的关键技术及其实现方法进行探讨.     

长江水文泥沙信息分析管理系统研究

阐述了长江水文泥沙信息分析管理系统的总体结构、设计理念和系统功能以及系统应用情况,重点介绍了矢量数据编辑子系统、对象关系数据库管理子系统、水文泥沙专业计算子系统、水沙信息可视化分析子系统、长江河道演变分析子系统、基本信息查询子系统、长江三维可视化子系统、水文泥沙河道信息网络发布子系统等8个子系统的功能实现.该系统采用数据库、GIS、遥感、网络融合技术,实现了对长江流域近110亿条水文泥沙监测数据和5万余幅地形观测资料的统一管理,提高了长江水文信息处理技术水平.     

长江河道地形图任意断面提取方法及地形模拟

基于长江河道地形图建立河道DEM,用双线性插值法任意提取和计算河底地形断面的方法可以在河底地形图上任意位置提取准确的河底地形断面数据,绘制成断面图,提供指定测点间距下的断面数据.在"长江水文泥沙信息分析管理系统"中采用该方法还实现了对叠加在一起多年份(多测次)的河道地形图上同时提取不同时间的长江河底地形数据,用计算机模拟河底地形随时间变化的动态演化过程.     

基于离散点的河道地形外包边界自动生成方法

河道地形外包边界是生成河道地形DEM数据的重要约束参数,对基于地形法的水文泥沙分析计算具有重要影响。为了提高河道复杂地形边界的圈定效率,提出了一种基于平面离散点的外包边界搜索自动生成方法。该方法提取河道地形实测点数据,通过格网划分快速确定边界格子闭环,搜索并扫描相邻边界格子内的离散点,遍历生成河道地形外包边界。采用该方法,在GeoHydrology软件中实现了不同比例尺的长江河道地形外包边界的自动搜索,并在此基础上完成了河道地形的DEM生成、槽蓄量计算、冲淤厚度图绘制等工作。结果表明:该方法对于复杂河道地形能够快速提供较为准确的边界约束,具有适应性强、生成速度快、贴合河道实际形态的优点,提高了长江水文泥沙信息管理和分析的时效性和准确性。     

可视化技术在水文泥沙分析中的应用

长江水利委员会水文局和中国地质大学信息所联合研发了"长江水文泥沙监测分析信息管理系统",本系统采用科学计算可视化技术,以图形图像的形式表达长江水文泥沙监测分析的过程和结果,以直观形象的方式揭示理解海量数据中包含的客观规律,改变直接面对大量难以理解的抽象数据的被动局面.介绍可视化技术在水文泥沙专题计算可视化子系统、长江水文泥沙信息可视化分析子系统和河道演变可视化分析子系统中的应用情况.     

基于GeoStar的长江水文河道GIS研制与开发

长江水文河道地理信息系统以长江流域内河道、湖泊及其水文泥沙特性为主要研究对象,以多年观测所得的水文、泥沙及河道地形勘测资料为基础,以吉奥之星系统软件为开发平台,来建立相应的地理数据库系统及应用型GIS基础软件,以期实现Web数据库系统和WebGIS,为最终实现长江数据仓库的建设蓝图及"数字长江"的宏伟目标奠定基础.介绍了系统研制的背景及目的,系统开发的目标与环境、特点及意义,着重对系统的设计与开发作了详细的总结与探讨,最后对系统需要改进之处作了说明与建议,有益于系统的后续研制与开发.     

基于断面法的长江分汊河道冲淤计算方法

长江河道槽蓄量、冲淤量计算是长江水文泥沙监测和河道演变分析研究工作信息化的重要基础。为了提高长江河道冲淤计算的准确性,在传统断面法计算的基础上,针对分汊河道平面形态,引入分汊河道分流比参数,提出了一种基于断面法的复杂河道冲淤计算方法。该方法通过组织管理长江河道水文断面数据,计算并引入分汊河道分流比,分别计算起止断面间的长江河道不同测次的河道槽蓄量、冲淤量。基于断面法,在长江水文泥沙管理信息系统GeoHydrology软件中实现了含有分汊河道的冲淤计算,可支持Excel表格方式的水文断面数据的处理和分析。结果表明:该方法对于具有分汊形态的长江河道冲淤计算是快捷和有效的,提高了长江复杂河道水文泥沙计算的准确性。     

基于GIS的河道演变与可视化分析方法研究

基于GIS的河道演变与可视化分析是长江水利委员会水文局研制开发的长江水文泥沙信息分析管理系统建设的一项重要内容.首先对数字高程模型和河道地形空间数据和属性数据的管理模式进行了系统性的说明,然后根据GIS分析方法对河道槽蓄量、冲淤量、冲淤厚度以及断面的任意切割计算方法和可视化表现形式进行了系统性分析和研究.研究成果在许多工程研究领域得到了广泛应用,发挥了较好的经济效益和社会效益.     

小浪底及西霞院水库泥沙信息管理系统的开发

为了管理好小浪底及西霞院水库水文泥沙原型观测资料,科学指导小浪底及西霞院水库的调度运用、最大限度地避免库容损失和延缓泥沙淤积速率,建立了小浪底及西霞院水库泥沙信息管理系统。该系统采用微软公司的.NET软件体系架构进行开发,主要业务分为数据采集、数据处理和数据应用3个方面,由用户管理系统、基础数据库管理系统、水文分析系统、河床演变分析系统、三维应用系统和WEB发布系统6个子系统组成,能够真实、准确地收集并分析小浪底和西霞院库区的水文泥沙及河道变化信息,基本实现泥沙信息的数字化管理,并能真实再现库区及下游河道的三维地形景观。     

长江水文技术进步与展望

回顾了长江流域水雨情自动测报技术、流量监测技术、泥沙监测技术、河道地形快速监测技术、水质监测技术、资料整编技术、水文技术创新、水文预报预测技术、水文分析计算和水资源调查评价等水文监测与研究的进展情况及取得的主要成果,展示了长江水利委员会成立60年来长江水文技术应用研究取得的成就,并分析了水文监测技术、水文预报,预测技术和水文分析计算与水资源调查评价方面的发展趋势。     

六大水文产品竭诚服务社会

水文泥沙测验与河流调查、河道勘测及地形测绘与工程测量、水环境监测与评价、水文泥沙预测预报、蒸发与气象观测实验研究及土壤墒情监测和水文自动测报,是长江三峡水文水资源勘测局的六大主要产品。     

断面数据及其可视化在河道演变分析中的应用

随着金沙江下游梯级水电站的相继建成投运及一大批水文泥沙观测站的建设,一方面河道水文泥沙情况较天然状况有较大改变,另一方面将产生海量的水文观测数据。这些数据的查询、分析、计算及直观展示对数据管理提出了很高要求。着重研究了河道断面数据管理及其可视化的实现方法,主要包括断面要素计算、断面套绘、深泓纵剖面变化图绘制、槽蓄及冲淤量计算等。该可视化系统为金沙江下游区域的泥沙水文资料的研究提供了一个有力工具。     

荆江三维可视化人机交互式河道信息管理系统

2004年长江水利委员会水文局为了更好地贯彻执行长江委信息化工作会议的精神,提出了充分利用水文泥沙河道监测技术和资料优势,建设长江三维可视化人机交互式河道信息管理系统的目标,确定了以荆江河段为突破口、分段实施的方针.重点介绍了系统建设的背景、功能、特点及关键技术.以开发三维可视化人机交互式河道信息管理系统为基础,完成了荆江河道DEM及堤防、险工护岸、跨河工程、涵闸、水文水位站在内的80多个重点目标三维模型的建立,实现了在三维逼真场景下对重点目标的信息管理、浏览和属性查询,具有便捷高效、查询方便、功能强大、技术先进等特点.     

基于ArcGIS Engine的河道数字地形建模

河道数字地形建模是根据河道测点数据创建河道地形模型DEM,包括河道不规则三角网数据模型(TIN)、河道规则格网数据模型和河道等高线数据模型。以长江南京段的实际测点数据为例①,以ArcGIS Engine为开发工具,参考反映河道地形特征的控制测点构建河道TIN,以突出河道弯曲性、深槽连续性、边坡平滑性等地形特征;由TIN创建规则格网模型和等高线模型。同时,在三维显示时利用"加边"处理来填补岸边数据满足可视化效果。     

金沙江下游水文泥沙数据库及信息管理系统研究

金沙江下游水电站工程在规划、设计、施工期间及建成运行后将产生大量的水文泥沙和地形数据。为系统掌握金沙江下游梯级水电站的泥沙淤积规律,加强流域内水文站、水位站、雨量站及其监测数据的长期有序、安全有效的管理和应用,开发了金沙江下游水文泥沙数据库及信息管理系统。系统包含水道地形自动成图与图形编辑、水文泥沙数据库管理子系统、信息查询与输出、水文泥沙分析与预测、三维可视化等5个子系统。着重对整个系统的软件体系结构和子系统功能及模块进行了介绍,可供同类型梯级水库群调度信息管理借鉴与参考。     

基于DEM的河道地形三维可视化研究

为了实现河道地形真实感显示,运用了DEM(数字化高程模型)数据格式中的三角网格模型,利用OpenGL提供的光照、材质、纹理映射,反走样等技术实现了河道地形的三维可视化,利用VC 及OpenGL中的平移、旋转、缩放等功能,实现了河道地形三维动态显示的效果.在添加了多种工况的洪水数据后,实现了河道流场可视化及防洪预测等相关功能.     

Surfer8.0结合GeoHydrology的河道冲淤分析

Surfer 8.0是现行绘制等值线的主要工具,将其与GeoHydrology(长江水文泥沙信息分析管理系统)数据分析和图形文件标准化相结合,应用于河道冲淤分析工作中。介绍了数据处理格式,成图方法。根据2009年4月和12月长江陆溪口河段邱家湾险工段的实测地形数据文件,建立网格,绘制河道冲淤渐变图,并对冲淤量进行了计算与分析。验证表明,生成的图形直观准确,并能够提高河道冲淤分析的工作效率。     

DEM在三峡库尾河道演变分析中的应用

DEM是河道演变分析的重要数据来源。针对三峡库尾研究区域的特点和DEM数据量的大小,通过合理组织、调取DEM并配以各类算法,使之既能在计算时尽可能减少计算机资源的占用与网络等待时间,又能很好地实现人机交互,展现可视化的计算成果。简要介绍了DEM的组织与调用,着重就DEM在河道地形分析中的应用作了详细介绍,包括槽蓄量计算、槽蓄量沿程分布面积图的绘制、冲淤量高程曲线绘制、冲淤厚度分布图的绘制以及开挖分析等。     

金沙江梯级水电站水沙数据组织与存储研究

为了使金沙江梯级水电站安全高效运行，需要利用计算机数据库管理系统对海量的水文、泥沙、河道地形等数据进行科学组织与管理。在对水文泥沙数据构成进行分析的基础上，拟定了属性数据的分类管理方案，建立了数据字典和元数据表，实现了根据空间数据特点的分幅组织、分要素组织和混合组织等，并利用空间数据引擎实现了空间数据和属性数据的一体化存储管理。实践证明，所提出的方案和策略具有很好的实用性。     

长江扬中河段天星洲水域河床演变分析

依据长江扬中河段的水文泥沙及地形资料,分析了扬中河段天星洲水域的等高线、深弘线、断面地形变化特征。结果表明:天星洲左汊1992～2009年基本呈冲刷态势,但2003～2009年变化较小,左汊自1992～2009年同时还伴有窄深化的趋势;右汊1992～2009年先后发生泥沙冲淤。河道两汊的平均水深1992～2009年呈现增大趋势,该结果可为河段的河道整治提供参考。