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黄河下游交互式三维视景系统技术开发与应用

    责任编辑:杨雪 来源:

  一、成果产生原由

  为了实现新时期的治黄目标,全面贯彻落实水利部新时期的治水思路,2001年7月25日,黄委党组正式提出建设“数字黄河”工程。2001年9月委规划计划局根据“数字黄河”工程建设的需要,结合黄河下游防洪工程规划、建设、管理的需求,提出通过虚拟三维技术把黄河下游河道及防洪工程直观、形象、系统地表现出来。据此,2001年10月黄委会设计院(现更名为“黄河勘测规划设计有限公司”)提出了“黄河下游防洪工程三维虚拟现实系统开发研究”项目任务书,以“东坝头~高村”河段作为试验性研究,上报委规划计划局同意后开展工作。经过2002年近一年的开发研究,开发完成了“东坝头~高村河段交互式三维视景系统”。项目成果向委有关领导和部门进行了汇报,一致认为该系统达到了预期的研究目标,并且有很强的实用价值及广阔的应用前景,同时提出要本着“急用先办”的原则,有计划地进行整个黄河流域交互式三维视景系统的开发工作,首先开发黄河下游交互式三维视景系统,直观系统地反映黄河下游防洪工程基本情况,并为黄河下游防汛和防洪工程规划建设管理、水量调度等提供一个可视化的应用服务平台。

  二、成果研发经过

  黄河下游交互式三维视景系统开发项目由委规划计划局、数字办负责整体组织协调;设计院技术总牵头,承担系统的开发工作;委内有关应用部门配合,提出应用需求,并提供系统数据库与本单位数据库的接口方式和数据结构。

  项目主要特点是用户部门要求高、一年完成时间紧、任务重、场景建设工作量巨大、系统开发技术难度大。现在国内还没有一家单位能建立像黄河下游范围这么大、精细度又这么高、功能要求全面的三维视景系统,这么大数据量、精细度、高要求的三维视景系统在国内水利界可以说是绝无仅有的,是一个极具挑战性的项目。设计院各级领导对项目工作都非常重视,成立了由工程规划、软件开发、专业GIS制图、三维建模等各类技术人员组成的院管项目组,对项目进行组织管理。

  系统设计开发遵循“数字黄河”工程建“以我为主,博采众长”的原则。系统设计开发采用以我为主、技术合作的设计开发思路,整个系统的设计开发以我为主,同时为了提高我们设计开发水平在一些关键技术实现方法上,采用与国内有实力的公司进行合作的方式,解决系统开发中的关键技术难题,保证系统开发的先进性。

  系统开发以应用为基础,首先充分了解不同用户的需求,在用户需求调研中我们采取了启发式的调研方式,首先我们把东坝头~高村河段交互式三维视景系统安装到需要调研的各个应用部门,让用户在可视化环境下直观了解系统开发目标及表现方式,在此基础上提出各自的应用需求。

  项目立项审查完全按照“数字黄河”工程项目建设管理办法执行,遵守“数字黄河”工程数据共享规定,系统开发设计严格执行“数字黄河”工程的有关标准和规范。7月25日项目总体设计通过了“数字办”的技术论证,8月31日项目通过了规划计划局组织的审查,10月21日项目得到黄委会正式批复。2004年1月6日系统初步成果在全国水利厅局长会议上演示汇报演示。2004年6月27日项目成果通过了“数字黄河”领导小组办公室组织的初步验收。2004年10月14日河南省科技厅组织专家对该项目成果进行鉴定,项目成果总体达到国际先进水平。

  三、成果主要内容和创新点

  “黄河下游交互式三维视景系统”利用GIS技术、虚拟三维技术把黄河小浪底以下河段直观、形象、系统地装进了计算机,采用先进的三维虚拟现实技术、交互控制管理技术及数据库管理技术,实现了整个研究河段虚拟场景的交互式控制浏览及场景属性数据的动态查询显示功能。建设完成的“黄河下游交互式三维视景系统”是一个具有海量数据信息、基于地理坐标控制、表现直观、操作灵活方便、具有强大三维分析功能、可进行二次开发的虚拟三维数字平台系统。在系统提供的海量三维虚拟环境下,远可以从宏观上研究考察整个黄河下游工程的整体布局,直观了解每处工程的作用及各个工程之间的相互关系;近可以对某处工程进行全方位、交互式地控制浏览察看,方便快捷地查询工程的特征属性信息,系统了解工程的建设运行情况。

  “黄河下游交互式三维视景系统”具有以下创新点:

  (1)首次采用先进的地理信息系统、虚拟现实、三维建模、数据库管理等技术把整个黄河下游装进了计算机,在计算机中建立了整个黄河下游虚拟对照体――黄河下游三维数字平台。

  (2)系统通过分级空间索引架构、分级连续LOD算法模型、数据异步装载淘汰、分级遮挡剔除等先进的虚拟现实技术构建系统“金字塔三维空间数据引擎”,实现了大尺度、高精细度海量虚拟场景的有效控制管理。象黄河下游这么大范围,表现精度又这么高,功能要求全面的三维视景系统,在国内乃至世界水利界可以说尚属首次。

  (3)系统首次实现了在海量三维环境下多分辨率、多精度卫星影像及地形数据的嵌套及动态更新功能,可以提供满足时效要求的三维空间参考。

  (4)在海量三维实现了基于数据驱动的三维水流动态表现功能,为系统与基于GIS二维水沙数学模型结合打下了基础。

  (5)系统在三维环境下首次开发了交互控制、沿线飞行、工程定位、飞行定位等多种组合浏览查询方式,可以灵活地对海量场景进行交互式控制浏览、查询定位,使场景在瞬间精确定位到场景任一工程地物位置,方便快捷查询工程地物属性信息。

  (6)系统在三维环境下首次开发了河道断面冲淤分析功能,通过这一功能可以动态绘制历年河道断面图,动态显示河道断面的冲淤变化过程,为分析研究黄河下游河道冲淤变化规律的研究提供技术支持。

  (7)通过系统的开发研究,首次为黄河下游治理、开发和管理的各种方案决策提供了一个三维可视化的集成应用服务平台。

  四、系统应用举例

  2004年1月6日~2004年1月8日,系统在全国水利厅局长会议上进行了多次汇报演示,逼真的黄河下游场景、强大的三维交互查询功能、丰富的信息查询表现功能及其广阔的应用前景,在会议上引起了强烈反响。会后多个单位前来考察“数字黄河”工程,“黄河下游交互式三维视景系统”每次都作为主要内容进行汇报演示。2004年2月25 系统在黄委会科技委第二届年会上演示汇报,又得到了科技委顾问及委员的一致好评。

  2004年3月系统安装在委防办进行试用,被认为是一个非常实用、灵活的三维平台系统。通过该系统可以快速、直观了解掌握整个黄河下游防洪工程布局情况,在三维环境下可多途径快速对工程进行查询定位,查看工程详细的属性信息;系统采用真实的空间三维地理坐标进行控制,可以查询任意位置的空间坐标及高程信息,绘制任意河道地形断面,量算场景中任意两点距离及任意一块区域的面积;系统提供的河道断面动态分析功能,可动态显示某一时段内该断面冲淤过程,对于掌握河道的演变规律、制定防汛预案都有着重要的参考价值。

  目前数字办、规划计划局正在组织协调该系统的推广应用工作,提出了“三维视景系统推广应用计划”,2004年首先开展系统与“黄河下游基于GIS的二维水沙数学模型研究”项目结合开发工作,三维视景平台将作为模型系统的模拟分析平台。下一步将在“数字黄河”工程其他应用系统中推广应用。

  五、系统产生的效益

  黄河是一条最难治理的河流,对于黄河的任何治理、开发方案,其投资和影响都是非常巨大的,都会产生巨大的社会影响,一旦决策失误造成的经济损失将数以亿计,科学决策对于黄河治理开发至关重要,提高决策的科学性与准确性是“数字黄河”工程所追求的目标。“黄河下游交互式三维视景系统”是“数字黄河”工程建设的一个基础设施,系统的开发设计紧扣黄河治理开发需求,它的经济效益和“数字黄河”工程一样是一个长期的效益,主要体现在可以为黄河治理、开发和管理的各种方案决策提供技术支持,提高决策的科学性与准确性。

  “黄河下游交互式三维视景系统”是一个可持续积累、重复使用、动态更新的具有各类信息集成功能的三维数字平台系统,它可以与基于GIS的各类数学模型进行结合,从而将黄河下游治理、开发、管理的各种方案在三维可视化环境下进行模拟分析研究,提高决策的科学性与准确性,降低科学决策的成本,产生巨大的社会经济效益。

  “黄河下游交互式三维视景系统”为认识黄河,了解黄河、研究提供了更加便利的条件,使更多的人来关心黄河,共同保护我们的母亲河。

  六、主要完成单位和完成人

  完成单位:  黄河勘测规划设计有限公司

  主要完成人:王军良  王  彤  谈  皓  何刘鹏  张继勇  高庆芳  

  牛卫华  王  莉  陈  伟  张国芳  马迎平  陈新燕  

  马  麟  王新福  李  辉  仝  亮

  委初审专家组初审意见

  该成果主要创新点为:

  (1)首次采用先进的地理信息系统、虚拟现实、三维建模、数据库管理等技术把整个黄河下游装进计算机,建立了黄河下游三维数字平台;

  (2)通过分级空间索引架构、分级连续LOD算法模型、数据异步装载淘汰、分级遮挡剔出等先进的虚拟现实技术构建了系统“金字塔三维空间数据引擎”,实现了大尺度、高精细度海量虚拟场景的有效控制管理;

  (3)首次实现在海量三维环境下多分辨率、多精度卫星影像及地形数据的嵌套及动态表现功能,可以提供满足时效要求的三维空间参考;

  (4)系统在三维环境下首次开发了多种组合浏览查询方式,可以灵活地对海量场景进行交互式控制浏览、查询定位,使场景在瞬间精确定位到场景的任一工程地物位置。

  该成果代表黄委会计算机软件可视化技术的最高水平,目前平台搭建工作已经完成,应用前景广泛。

  该成果经初审专家组初审,评为二等奖。


发布时间:2011年08月12日
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