收稿日期:2001206220.
作者简介：董文锋(19772)，男(汉族)，四川渠县人，华中科技大学硕士研究生.
文章编号:100027709(2001)0320037203
董文锋 袁艳斌 杜迎泽 刘吉平
(华中科技大学水电及数字化工程学院，湖北武汉430074)
摘要：以V isual C ++为编程基础平台，利用OpenGL 和G IS 技术，建立了流域三维地形仿真系统；采用三维网格逼近的方法生成真实的三维地形，并在其上建模，实现了包括洪水淹没、推进的动态模拟仿真可视化技术，初步建立了洪水演进仿真的框架. 关键词：数字流域;G IS ；洪水演进；模拟仿真中图分类号:P 208;TV 122
文献标识码:A
洪水演进仿真模拟系统作为“数字流域”工程体系中的一个重要的子系统，通过它可以对整个流域进行动
态实时的三维仿真，为防洪减灾提供决策支持.在系统中通过对流域河道截面的积分计算得到洪水在某一特定时刻的冲击力、流量等数据，以分析洪水与障碍物的相互作用规律及洪水演进的趋势；系统通过对防洪减灾策略作试演和模拟，提供用以决策的有力科学依据，以评价策略的有效性，达到减少人力、物力投入，进而减小防洪减灾策略的盲目性.
1 三维地形、地貌环境模型生成技术
根据洪水演进仿真系统研制专题的系统分析，数字地理环境的基础是三维地形生成，其数据来源主要是G IS 所管理的相关空间数据.在G IS 中描述流域地形的数据结构为栅格数据结构和矢量数据结构[1]，栅格数据结构在存储和处理过程中需要大量的计算机内存，而矢量数据结构在某些特定的形式处理如多边形迭置、空间均值处理等方面尚有大量的技术问题有待解决[2]，因而系统在建立三维流域地理环境时，采用三维网格逼近的图形生成技术建立河道流域的仿真模型.
作为整个系统分析的基础，三维地形生成使用了不同于G IS 中高程模型(D igital E levati on
M odels ，缩写为D E M )对地形的处理方式[3]
.通过
R S ,G IS 得到的数据是一系列等间隔的栅格数
据，每一个点都附有(x ,y ,z )坐标，本系统对每一个数据点的三维坐标都在生成的地形中得到了真实的再现，每相邻的3个点组成一个三角形，再将所有的三角形联接成网，形成反映高低起伏变化的地形三角网，从而为系统集成后的分析过程提供了详实的分析依据.为改善地形仿真视觉效果，需要计算每一点的法向量以产生真实的光照效果.法向量是过三角形顶点的两个向量的叉积，再经过归一化计算得到.一个与具体顶点相关联的法向量决定了该顶点所在的物体表面在三维空间中的方向，以及在转动时该点接受到的光量.另外,
作为一个真实自然地形的仿真，系统用光照、彩材质控制地形对光源的反光效果，加入特殊效果处理如雾化、图形保真等以更好地模拟自然环境.下面是法向量生成的数学模型.
若曲面的显示方程为:
V (s ,t )=V [X (s ,t ),Y (s ,t ),Z (s ,t )]
式中,s ,t 为曲面的参数;X ,Y ,Z 为可微函数;5V 5s
×
5V
5t
为曲面法线.若方程为隐式，法线矢量是由函数以梯度给出，即∃F =5F 5x ,5F 5y ,5F曾侯乙
5t
.曲面由
多边形近似得到，因此法向量的计算也只能由多边形的数据得到，每一个三角形的3个点，其叉积
第19卷第3期2001年9月水 电 能 源 科 学
In ternati onal Jou rnal H YDRO EL ECTR I C EN ER GY V o l .19N o.3Sep t .2001
(V 1-V 2)×(V 2-V 3)垂直于平面.
为了避免相邻平面上平均法线某个值过大，对求得的法向量做归一化处理.
归一化向量:L ength =
x 2
+y 2
+z 2
，并把所
得向量的每一个组成部分除以这个长度[4].
在V isual C ++中以上算法的实现函数如下:
vo id CSi m u lateDoc ::no rm alizedcro ss (doub le 3u ,doub le 3v ,doub le 3nn ){
doub le l u ,v 为两个相交向量;
nn [1]=u [2]3v [3]-u [3]3v [2] nn [1]为法向量在x 轴上的分量;
nn [2]=u [3]3v [1]-u [1]3v [3] nn [2]为
法向量在y 轴上的分量;
nn [3]=u [1]3v [2]-u [2]3v [1] nn [3]为
法向量在z 轴上的分量;
l =sqrt (nn [1]3nn [1]+nn [2]3nn [2]+nn [3] 3nn [3])
nn [1] =l 归一化计算;nn [2] =l nn [3] =l }
实验中通过对清江流域卫星TM 遥感图像进行图像处理，由2D G IS 加以管理和预处理形
成清江流域空间基础数据，采用上述三维网格逼近的图形生成技术，利用O p enGL 编程技术提供应用图形接口函数，加入每一点的法向量后生成清江流域局部地段的三维地形图
(图1).图中清晰地展示了地形的起伏变化，清江流域主河道和不同级别次级河道的分布，为各类用户提供了流域三维可视化地形、地貌环境，为淹没、推进等洪水动态立体模拟仿真提供了流域基础三维景观地理背景.
图1 清江流域局部地段三维地形图
2 洪水淹没及演进动态仿真模块设计
在数值计算方面，通常将溃坝水流作为一维流考虑.溃坝波的运动规律是一个非常复杂的过程，需要理论与实验相结合，虽然模型试验的整个过程所需人力大、经费多、时间长，但随着电子计算机的发展及广泛应用，国内外相继对其水动力学数学模拟进行了研究.
洪水演进动态仿真模拟正是在上述三维地形仿真的基础之上，利用地形数据建立不同的数学模型来进行对洪水波演进的模拟.实际上本系统的研制过程就是一种系统的集成，主要进行了洪水淹没和推进动态仿真模块的设计.2.1 洪水淹没动态仿真模型设计
洪水淹没模型是以三维地形和不同水位来综合演示洪水淹没行为的时空变化及水体形态，侧重于对洪水在不同时刻淹没后状态的表达.通过本模型可以分析在一定的水位下，目标地形淹没的状态，进而计算出当前水位下水体的势能及其他分析数据，从而对大坝的安全及防洪进行精确的仿真.在编程实现时
定制一个计时器，每经过一段时间触发系统按新的要求重新绘制地形和淹没后的水面，水面的高度可以逐渐上涨或下降.由于系统面向的是流域地形、影像、水文等海量数据，必须解决处理机在处理大数据量所导致的淹没行为演示的速度问题.
几何布朗运动
为此,
将地形显示与洪水上涨显示分离，在洪水上涨的过程中，每一次重绘时不必重绘地形，当然如果出现的是对鼠标要求变换地形的消息响应时，应将地形也全部重绘.
图2是在仿真的清江流域三维地形基础上模
拟洪水淹没(某一时刻水位)的演示效果.
图2 清江流域洪水淹没地形图
・
83・ 水 电 能 源 科 学 2001年
2.2 洪水推进动态仿真模型设计
洪水推进模型仿真了整个洪水推进的过程，包括洪水从上游到下游的推进，以及在推进过程中由于地形的变化，推进的峰面形状的变化等方面的动态模拟仿真.
在编程实现技术环节上，为了响应时间触发事件，达到动态演示效果，首先需要定制一个计时器变量，在固定的时间间隔触发系统重新绘制画面，而每一次重绘就是演示的下一帧动画.其次，应确定本模型的初始状态，在开发过程中，系统假定从研究区中流域河道的最初位置为洪水发源点，采用广度搜索算法[5]确定洪水推进的河道边界控制，解决了流域洪水推进与地形的空间自适应关系，较好地模拟了洪水在河道中的自然推进过程.从计算机系统开发角度，洪水推进可视化仿真包括以下两个方面.
2.2.1 推进过程中水对周围地形的识别
在真实的自然区域，实际的流域是比较复杂的流域地形(如比较复杂的河网体系)，在某一级河道中推进的水体存在着回流的可能.在计算机实现中可应用广度搜索算法研究其解决方案.所谓广度搜索，举例来说：在平静的湖水中投入一颗石子，其水波的扩展过程就是一个广度搜索的过程.运用这一思想，系统在对每一个节点发送绘制消息之前，节点都执行该算法以判断与之相邻的节点是否应该绘制，以适应复杂地形的需要[6].其实现的算法封装在如下函数里.
vo id CSi m u lateDoc::Guangdu search() {create a queue 建立一个队列queue;
enQ(&node,queue,k) 将第一个节点放入队 列;
w h ile(1) 开始遍历;
{if(p12>trianglenum%2!=0){ 当前点是 奇数;
if(三角形满足广度搜索条件){
enQ(&j,queue,p12>visito rder+1);} 将该 节点加入队列;
}
else{ 当前点是偶数;
if(三角形满足广度搜索条件){
enQ(&j,queue,p12>visito rder+1);} 将该 节点加入队列;
}}}
2.2.2 推进水体峰面形状的处理
由于地形变化、水体与地表的摩擦力以及环境对水体推进的影响，洪水推进过程中的峰面是一个受多种因素影响而形成的复杂曲面，要真实地模拟出该峰面，必须考虑多方面的因素.本模型对洪水峰面的处理采用一种较为粗略的逼近方式，即在推进的瞬间出河道横截面的最深点及水体与河道交界的两个点，对系统瞬时确定的三个控制点，通过拉格朗日插值拟合出一条曲线来大体上控制和模拟推进水体的峰面.其插值公式为:
x=
(y-y2)×(y-y3)
(y1-y2)×(y1-y3)
×x1+
(y-y1)×(y-y3)
(y2-y1)×(y2-y3)
×x2+
(y-y1)×(y-y2)
(y3-y1)×(y3-y2)
×x3
式中,x i代表三个控制点的x轴坐标;y i代表三个控制点的y轴坐标;x,y分别代表插值后点的x,y轴坐标值.
3 结语
在洪水演进三维仿真模拟系统的开发中，重点研究了三维地形的网格逼近生成技术、特殊效果的生成、图形控制与视点切换技术、洪水淹没及洪水演进的计算机模拟技术，这几项技术构成洪水演进计算机模拟仿真实现的基础.随着研究的不断深入，将来能够实现在真实的三维地形上的虚拟漫游，让各
类用户犹如身临其境观察洪水的演进过程，并通过本系统的分析功能对洪水动力学性能进行分析，最终为各级防洪部门进行防洪减灾提供技术支撑.
数显时间继电器
参考文献:
[1] 边馥苓.地理信息系统原理和方法[M].北京：测绘
出版社,1996.
陈衍景
[2] 罗志琼，刘 永，周顺平.地理信息系统原理及应用
速算与巧算[M].武汉：中国地质大学出版社,1996.
[3] 韩式方，魏 华.三峡水库溃坝洪水波演进数学模
拟[C].见：中国科学院三峡工程生态与环境科研项
目领导小组编.长江三峡工程对生态与环境影响及
其对策研究论文集.北京：科学出版社,1987.4822
487
[4] 李 薇，徐国标，李 果等.OpenGL3D入门与提高
[M].成都：西南交通大学出版社,1998.
[5] 张福炎.程序设计(第2版)[M].北京：清华大学出
版社,1996.
[6] Chow V T.A dvance in H ydro science[M].N ew
Yo rk:A cadem ic P ress,1978.
(下转第51页)
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9
3
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第19卷第3期董文锋等：流域三维地形仿真及洪水演进动态模拟
处，序列存在明显的变异.由于其李氏指数约等于
零，根据式(3)可知，它们都属于跃阶变异.在其他时间点上，模极大值随着尺度的增加迅速减小，可见它们都是由序列波动或某些极大值引起的.另外，从图4中未发现李氏指数较大的点，为了进一步证实序列是否存在趋势，对原序列作差分后求小波系数也未发现李氏指数大于等于零的点.
表1 大洲站水位序列小波变换系数极值表
a
极值出现年份极值出现年份21
-0.9419501.79199422-0.7619521.04199423-1.0519521.17199424-0.9919521.00199325
-0.6119510.371978
根据经验，在小尺度下，小波系数模极大值与突变点位置对应较准确，但是，小尺度下受波动的影响很大，产生许多伪极值点.在大尺度下，极值点相对稳定，但是定位有偏差，不够准确.因此，在分析判断时需要把多个尺度结合起来综合观察.
3 结语
本文使用小波变换的方法对非平稳水文时间
序列进行分析，计算出变异点的李氏指数，并根据小波系数模极大值的位置对变异点定位，根据李氏指数的大小对变异性态分类，根据尺度的大小描述受变异影响的时间跨度.在对大洲站年最高水位序列进行分析后得出，在1952年与1994年处有明显的突变特征.
通过上述方法，只到了最可能发生变异的位置，接下来还必须用各类统计方法(秩和检验法、游程检验法、T 检验法等)检验其可信程度.另外，还必须对流域进行实地考察寻求序列变异的原因，并作物理上的解释，只有通过综合分析，才能最后作出判断.参考文献:两性文学
[1] 丁 晶，邓育仁.随机水文学[M ].成都：成都科技大
学出版社,1988.
[2] 杨福生.小波变换的工程分析与应用[M ].北京：科
学出版社,1999.
[3] M allat S ,Hw ng W L .Singu larity D etecti on and
P rocessing w ith W avelet [J ].IEEE T ran s on M edical I m aging ,1995,14(2):1932204
[4] 秦前清，杨宗凯.实用小波分析[M ].西安：西安电子
科技大学出版社,1994.
Pr i m ary Appl ica tion of W avelet Ana lysis on Non -steady
Hydrolog ica l T i m es Ser ies
ZH EN G Z e 2quan X IE P ing CA I W ei
(Co llege of W ater Con servancy and H ydropow er Eng .,W uhan U n iv .,W uhan 430072,Ch ina )
Abstract :A t first ,th is paper in troduces the p rinci p le of w avelet tran sfo rm and the relati on sh i p betw een the coefficien t of w avelet and singu larity of signals .Secondly ,w e test the singu larity of non 2steady hydro logical ti m es series based on the above 2m en ti oned conclu si on .A nd then w e can get the p lace w here the singu larity and gradual change happened ,as w ell as their varieties .A ll of the w o rk p rovide the favo rab le p reconditi on abou t recovering the coherence of hydro logical ti m es series
.Key words :w avelet tran sfo rm ;non 2steady ;hydro logical ti m es series ;singu larity ;gradual change ;coherence
(上接第39页)
Si m ula tion of 3D Terra i n and the D ynam ic Si m ula tion of Flood Routi ng M ethod
DON G W en 2f eng YUA N Y an 2bin DU Y ing 2z e L IU J i 2p ing
(Co llege of H ydroelectricity and D igitalisati on Eng .,HU ST ,W uhan 430074,Ch ina )
Abstract :U sing V isual C ++as p rogramm ing p latfo rm ,together w ith OpenGL and G IS techno logy ,w e have
estab lished 3D si m u lati on system of river basin landscape .Basd on 3D m esh app rox i m ati on ,the real 3D landscape is
p roduced .
It leads to model generati on ,including si m u lati on of inundati on and rou ing m ethod ,estab lishm en t of a
p ri m ary si m u lati on system of flood rou ting fram ew o rk .
Key words :digital valley ;G IS ;flood rou ting m ethod ;si m u lati on
・
15・第19卷第3期郑泽权等：小波变换在非平衡水文时间序列分析中的初步应用
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