地表空间水文过程三维可视化试验_以浙江黄土岭流域为例

第24卷　第6期

2005年11月地 理 研 究GEO GRA P HICAL RESEA RC H Vol 124,No 16Nov 1,2005

收稿日期:2005203209;修订日期:2005207228

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40171015)

作者简介:罗维佳(19712),男,云南澄江人,南京大学博士生,玉溪师范学院教师,研究方向为遥感与地理信

息系统。

地表空间水文过程三维可视化试验

———以浙江黄土岭流域为例

罗维佳1,2,都金康1,谢顺平1,冯学智1

(11南京大学城市与资源学系,南京210093;　21玉溪师范学院地理系,云南玉溪653100)

摘要:地表空间水文过程涉及三维地理空间和一维时间,对其进行三维动态交互显示便于认

知主体对水文过程形成正确的认识。本文以浙江黄土岭流域为试验区,结合地理信息系统和

计算机图形学的方法和技术探究了流域空间水文过程的动态交互显示方法。利用Open G L 的

三维建模和图像渲染功能表现三维的水文过程,其中双缓冲技术保障了水文过程时间变化的

展示。探讨了表面建模,地形着色处理,光照法线计算,水体透明处理,时相水文数据处理

及交互参数输入等方法,并建立了地表空间水文过程的显示系统。通过系统的运行表明,该

系统能逼真地显示不同高程连续水体的三维动态变化。

关　键　词:三维可视化;空间水文过程;Open G L ;黄土岭流域

文章编号:100020585(2005)0620947210

1　引言

国内外地学界一直把地理环境的表达和认知作为普遍关注的热点[1]。地表现象和过程的虚拟三维再现能够直观地表达地理环境,增加用户身临其境的感觉,从而拓展和增强人们对环境的感知和认识能力,提高空间认知水平。多数水文现象和过程随时间和空间的变化而变化,为了较为真实地反映水文现象,给人以自然界的原本感受,便于人们观察和分析水文过程,采用三维显示技术十分必要;水文过程是一个随时间而变化的动态过程,因此进行三维显示时还应考虑时间因素。

关于水文过程的可视化,Sven Fuhrmann 采用Delp hi 210编程,组合MapObject s L T 、TimeView 、GeoDIN 2Viewer (分别具有电子地图、动画、地质剖面等功能)等多个免费软件设计了一个水文数据可视化系统HydroV IS [2],由于免费软件功能相对简单,该系统实现的是二维显示;G 1Drogue 等人利用ArcView 的可视化工具对水文过程进行了三维可视化研究[3],他们表现的是线状河川径流的三维动态变化。Bo Huang 等人采用Arc 2View 的宏语言Avenue 编程,把水文模型TO PMODEL 和地理信息系统的可视化和空间分析功能集成起来(AV TO P )[4],能够显示三维地形,由于受现有地理信息系统软件功能的限制,没有解决不在同一高程平面上的连续水体的动态变化显示。袁艳斌等人以Visual C ++为系统开发平台,结合GIS 和Open G L 技术模拟了流域洪水的三维演进过程[5],其表现的某一时刻的水面仍然在同一平面上。

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目前微机上常用的三维显示技术是通过三维到二维的坐标转换、隐藏线面消除和光照阴影等技术,把三维空间数据投影到二维平面上,生成不能构成立体影像的单帧图像,由于对三维空间实体的表达是二维的,这种表达方式被称为215维可视化[6](也有人称它为“面三维”[7])。215维可视化虽然不是地质体、矿山、大气等真三维地学实体的最佳表达方式,却是展示地学现象的普遍方法。现有的遥感和地理信息系统软件都具有215维可视化的功能,它们在显现水体时都是把水体当做同一高程平面的水面来处理,在某一确定时刻同一水体的水面高程没有差异。在地表水文现象中,由于地表高低起伏,各地面点高程不等,同时其他下垫面条件的变化,使得空间上连续的地表径流高程并不相等,现有的遥感和地理信息系统软件无法显示这种有高程差异的连续水体,因而需要对流域空间水文过程可视化方法进行研究。展现空间水文过程随时间动态变化对地表水文研究极其重要,这就要求可视化软件不仅能显示某一时刻的水文现象,还要能表达一个时段内完整的水文过程,具备动态显示的功能;另外,可视化软件还应具备一定的交互功能,以便于研究人员更好地观察空间水文过程,分析研究水文现象和探索水文规律。

2　理论及方法

基于上述分析,结合地理信息系统和计算机图形学的方法和技术,我们在微机上用Visual C++610调用Open G L函数对流域空间水文过程三维可视化进行了研究。所建立的可视化系统主要涉及地表空间背景的建立、空间水文过程的三维动态显示及交互等几个方面。

空间水文过程三维动态显示整个过程见图1。

图1　空间水文过程三维可视化流程图

Fig11　3D visualization of spatial hydrological process

211　地表空间背景的建立

流域空间水文过程发生于特定的地形地貌、地质、土壤和植被等地理环境中。地形地貌是水文过程的重要影响因素,也是地表水文过程的空间背景,因此显示空间水文过程首先要显示地形地貌。地形地貌的显示通过数字高程模型来实现,包括三个主要步骤:(1)地表空间显示建模;(2)地表颜色处理或纹理映射;(3)光照处理。

21111　地表空间显示建模　地表空间显示建模是用一系列多边形面元把离散的高程点联结成连续的多边形三维表面,表达出地表的空间位置和空间几何关系。栅格型的数字高程模型从二维平面上看是一些矩形点阵,用四边形面元来模拟比较简便,但在三维空间中,空间四边形存在着顶点不共面的可能,从某些角度观看时,非平面四边形的边可能是互相交叉的,因此必须采用所有顶点都共面的三角形面元来模拟。

由离散的高程点连成三角网时要遵循的原则是:三角网中的每个三角形要求尽量接近

　6期罗维佳等:地表空间水文过程三维可视化试验949　等边形状,并保证同最邻近的点构成三角形,即三角形的边长之和最小[8]。在对栅格型数字高程模型进行三角化的过程中,这一原则实际体现为:平面投影为矩形顶点的相邻四个点所组成的空间四边形如何划分为两个相邻三角形,即取空间四边形哪条对角线为两个相邻三角形的公共边,以使所得到的三角形的边长之和最小。

实际的三角化过程中,可以把对角线固定在一定走向上,该划分方法基于两点考虑:一是相邻的四个点空间相关性较强,高差不大,两种划分方法产生的视觉效果在空间分辨率较高的情况下几乎没有差别;二是能减少计算机的运算量,节省计算时间,同时也便于采用Open G L 的比三角形图元效率更高的三角形条带图元。在计算机中用Open G L 进行三角化时,定义好图元类型后,依次输入相邻两排(或两列)数字高程模型数据点的三维坐标便构成一个三角形条带,多个相邻的三角形条带便构成了该区域的空间模型。21112　地表颜色处理或纹理映射　空间模型建立起来后,需要给其着色或贴上纹理图像才能对它进行观察。纹理图像可采用航空影像或卫星影像,两种影像都具有丰富的地表细节,真实感强。

实际应用中经常需要着色处理以便突出某些专题要素,这些专题要素以栅格格式保存在数据文件中,其平面位置与数字高程模型中的数据一一对应,显示之前确定专题要素不同属性值所对应的颜色,显示时根据平面位置的对应关系给空间模型的各顶点赋予相应的颜色值,实际上也是给各三角形面元的顶点赋颜色值。

根据三个顶点的颜色值,Open G L 能自动计算出该三角形表面各点的颜色值,这种计算可以根据三个顶点进行颜色内插,也可以简单地把一个顶点的颜色值赋给表面各点,计算方法由用户选择。

图2　颜色值映射示意Fig 12　Map of Color Values 不包含其他专题要素,单独显示地形是

显示地表空间背景的重要内容。本文确定地

形颜色的方法为(图2):首先建立一个颜色

表,颜色表可由上百种渐变颜色组成(地表

高程是连续变化的),并给这些颜色依次编

号为0,1,2,3,…,对于第i 个顶点,显

示时先取出它的高程值h i 代入下式计算:

k =int ((h i -h min )/(h max -h min )×N um )

式中,h min 为最小高程值,h max 为最大高

程值,N um 为颜色表上的颜色总数,int 表

示取整,求出k 值后,以颜色表中第k 种颜色为第i 个顶点的颜色。建立颜色表时,先确定最大高程值、中间高程值和最小高程值

对应的颜色(中间高程值不一定是最大高程值与最小高程值的平均值,根据需要可有多个;可参考地图设色方法确定使用哪几种颜色),然后用分段函数内插出其他高程值对应的颜色。

假设颜色表上的颜色总数为N um ,最小高程h min 对应的颜色为C 1=(R 1,G 1,B 1),中间高程对应的颜色为C 2=(R 2,G 2,B 2),最大高程h max 对应的颜色为C 3=(R 3,G 3,B 3),C 1到C 2有m 种色,C 2到C 3有N um %m 种色,则颜色表上第i 种颜色值C i 的计算公式为:

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R i=R1+(R2-R1)×i/m

0≤i

G i=G1+(G2-G1)×i/m

B i=B1+(B2-B1)×i/m

R i=R2+(R3-R2)×(i-m)/(N um-m)

m≤i

G i=G2+(G3-G2)×(i-m)/(N um)-m)

B i=B2+(B3-B2)×(i-m)/(N um-m)

21113　光照处理　为了进一步增强三维显示效果,增加真实感,还需要对模型添加光照效果。在Open G L中,设置好光源属性、材质属性后,Open G L会自动进行光照计算和光照效果渲染,这个过程中需要应用人员考虑的是顶点法线的计算。一个与具体顶点相关联的法线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。地表曲面由三角网近似得到,地表曲面上的点的法线也由三角形数据得到:每一个三角形的3个顶点P1,P2,P3,其坐标分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),矢量(x1-x2,y1-y2,z1-z2)与矢量(x2-x3,y2-y3,z2-z3)的叉积为一垂直该三角形表面的矢量;每一个顶点可能参与构成多个三角形,把垂直于这些三角形表面的法线归一化后相加,对和矢量再进行归一化处理后作为该顶点的法线。

212　空间水文过程三维动态显示

地表空间背景建立起来以后,接下来就要在其上三维显示水文专题。这里以地表水体的显示为例进行详细讨论,其他水文专题可以用类似的方法实现。

21211　地表水体显示建模及渲染　地表水体的三维显示关键是获取有关水体表面形状的数据,数据获取可通过两类方法实现:经验模型[9～11]和简化的流体力学模型[12～14],本文的地表水体数据是把流域数据和参数代入具有物理基础的水文学公式计算得到。

地表水体以水深数据的形式保存在栅格数据文件中,每个栅格点的平面位置仍然与数字高程模型中的数据一一对应,每个数据表示的是该点地面到水面的实时高度,连续水体的水面在不同高程平面上。如果要显示水面高度,则以第i点水深D i和该点地面高程Z i 相加,即可得到该点水面高程W i,即:W i=Z i+D i,如果Z i远远大于D i,可取W i=Z i;数据点的平面坐标仍然根据区域起始点坐标、栅格间距、数据点所在的行列号等换算得到。在获得水面点的三维坐标后,就可参照上述方法用三角形条带来构建地表水位的空间模型,计算水面点法线,进行水面高度的三维显示。如果要显示水深,则直接读取水深数据,将之作为地面高度显示即可。

水体的渲染方法根据目的可分为两类:一类是从科学可视化的目的出发,强调水体状态的表现,主要使用颜色来表现水体的分布范围和深浅[2,15];另一类是从虚拟现实和计算机图形学的角度考虑,追求真实感,需要考虑水体的折射、反射和散射等光学特性[16,17]。空间水文过程可视化属于第一类。

常见的水体显示方法是将水面颜色设为蓝色,有的还用不同深浅的蓝色表示水的深浅。考虑到水体是一种透明体,它的透明度跟深浅有关,在浅水区透明度高,常常能观察到模糊的水底,而Open G L的颜色混合功能可以用来表现透明体,因此本文对水体的处理方法是:给所有水体数据点赋相同的较深的蓝色,通过混合功能来表现水体的深浅。Open G L使用一个称为“不透明度”的概念来描述颜色的透明特性,它的取值范围为010 (完全透明)到110(完全不透明)。若用(R s,G s,B s)表示水体颜色,用(R d,G d, B d)表示被水体覆盖的地表的颜色,A s、A d分别表示水体和地表的不透明度,则最终显

　6期罗维佳等:地表空间水文过程三维可视化试验951　示的颜色为(R s A s +R d A d ,G s A s +G d A d ,B s A s +B d A d )。A s 、A d 的相互关系由应用人员通过Open G L 函数指定,它们之间常见的关系为:A d =110-A s 。水体的不透明度A s 可根据各点水深进行换算,当水体深度达到一定程度后,就无法透过水体看到水底,为了表现出水体的这种分阶段特性,本文用分段函数计算水体的不透明度:

A si =010,d i

α+d i -d min d t -d min ×b,d min ≤d i ≤d t

110,

d i >d t 式中:A si 表示第i 个水深数据点的不透明度,d i 表示第i 点的水深,d min 表示欲显示的最小水深,d t ,a 和b 是两个应用人员凭经验确定的参数值,它们满足a ∈(010,110),b 0,)且a +b =110。

三维显示空间水文过程时,先计算和渲染地表,Open G L 的颜色混合功能,调用Open G L 函数指定地表及水体不透明度的计算方法色处理,在指定水体数据点颜色的同时给出相应的不透明度,Open G L 能自动计算最终显示的颜色,最后关闭颜色混合功能。

21212　地表水体的动态显示　空间水文过程是随时间而变化的动态过程,显示过程的理想方式就是采用计算机动画技术。计算机动画被定义为基于计算机的动作画面设计,动画系列的场景和对象全部在计算机里建模和渲染生成[2]。根据显示的内容是否固定,动画可分为非后者和交互动画两类[18],交互动画可以观察到更多的内容,便于进行分析研究。为了能对水文过程进行多角度、多视点的观察分析,这里采用交互动画的设计方法。 动画系列通常可以按以下四个步骤进行设计[19]:①情节串连图版(storyboard )编排;②对象定义;③关键帧指定;④中间帧生成。这种卡通动画的标准设计方法可供其他特殊应用参考,当然这些应用不必完全遵循这四个步骤。

对应于空间水文的动态显示,上述四个步骤可以这样来理解:水文过程随时间的变化是情节串连图版编排,用水文学公式描述水文过程是对象定义,按一定时间间隔把参数输入水文学公式从而计算出各栅格点的水文状态数据是关键帧指定,根据关键帧计算出其余各帧是中间帧生成。前面介绍了静态水文要素的计算和渲染过程,重复这个过程可以得到一系列关键帧,即动画设计的第三步已经实现;第四步的实现方法是在进行三维动态显示时分两种情形对分布式水文模型计算出的水文数据进行处理:①如果欲显示的水文过程的显示时段小于或等于一个计算时段,需根据关键帧对数据进行内插。②如果欲显示的水文过程的显示时段大于一个计算时段,可把每个计算时段的数据文件依次编号后读取显示;如果每个计算时段内还需内插,可参照第①种情形进行处理。图3为空间水文过程动态显示的处理过程。

图3　空间水文过程动态显示

Fig 13　Dynamic display of spatial hydrological process

双缓冲技术是Open G L 的一项重要技术。它一方面可以保证合成一幅图像并在完成后才显示出来,使得用户永远不会看到不完整的图像,另一方面就是对动画功能的支持。

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双缓冲包括前台缓冲和后台缓冲,在显示前台缓冲中的一帧画面的同时,后台缓冲正在绘制下一帧画面,绘制完毕,则后台缓冲中的内容便在屏幕上显示出来,而前台缓冲正好相反,又在绘制下一帧画面内容。这样循环反复,屏幕上显示的总是已经画好的图形,于是看起来所有画面都是连续的。在实现时还需设置一个定时器,每过一定的时间间隔就刷新一次显示屏。

213　空间水文过程的交互显示

交互是用户与计算机的信息交流手段,其基本过程是当用户通过交互设备操作对象时,这些对象将对用户的操作做出响应。本文希望通过交互方式输入三类参数:模型参数、视点参数和动画参数。模型参数包括高程夸大系数、光源位置(太阳方位角、高度角)以及显示的最小水深;视点参数包括旋转角度、平移量和缩放范围;动画参数包括中间帧数量和当前帧位置。交互参数以文本方式或模拟方式输入,文本方式是指通过键盘上的数字键把高程夸大系数、光源位置、显示的最小水深、中间帧数量输入到计算机中,而模拟方式指通过鼠标的移动、拖放以及键盘方向键的使用来改变旋转角度、平移量、缩放范围和当前帧位置。流域空间水文过程三维可视化模块通过调用Open G L的平移、旋转函数提供了缩放、旋转、飞行漫游等交互功能,用户用键盘和鼠标操作来实现。在整体视图及同步动画中提供了局部放大、整体缩小以及前后旋转、左右旋转等功能,便于用户进行多比例尺、多角度的观察分析。在飞行漫游场景中固定了显示比例尺,用户可以通过键盘操作改变漫游路线、视点位置及视角,产生一定程度的沉浸感。

同步动画是用两个以上的视图展现两个以上的相互关联的过程,可用来探索因果关系和时间一致性,如可用来探索降水和径流之间的关系。空间水文过程同步动画显示时对左右视图分别提供四种可选显示方式:三维显示、颜色渐变显示、作为高程显示和累计数值显示。三维显示是在三维光照地形的背景上显示地表水深,水体高于地面,水体颜色由白色变化到蓝色,对应表示水体由浅到深的变化。颜色渐变显示根据专题数据给地表设色,对应专题数据的大小分别映射为白色到蓝色,适合表现下渗量和饱和度等水文过程的变化。作为高程显示把专题数据看成DEM进行显示,模型点的高度对应于专题数据的大小,为了表现出一定地形背景,把地面点法线赋给该点的专题数据进行渲染,并使用类似于等值线的方法来表现某一时刻的数据差异,这种方式适合表现降水专题。累计数值显示表现的是从开始时刻到当前时刻的累加值,把这些累加值映射为由浅至深的红色,赋给相应的DEM点,这种方式适合表现一段时间内的总降水量变化。

3　应用实例

本文以黄土岭流域为对象进行了三维水文过程的可视化试验。黄土岭流域位于浙江省东部甬江流域的上游,在地貌上属于低山丘陵,最高高程为535m,最低高程为60m,流域面积1719km2。在气候上属亚热带季风气候,温和湿润,雨量充沛,年降水量达2000mm。根据流域的数字地形数据、土壤类型数据、土地利用类型数据、以及水文气象数据,利用我们研制的分布式降雨径流模型对流域降雨径流过程进行模拟,获得降雨、植被截留、下渗、地表径流和地下径流的空间分布过程。该分布式模型利用距离加权空间插值方法将雨量点的降雨过程内插到每一个栅格计算单元上,根据地形数据生成DEM并进行填洼处理,并计算每个栅格的坡度、栅格单元与其他相邻8个栅格之间的坡度,以及每个栅格的累积汇流面积,并确定出属于河网的栅格和属于山坡的栅格,同时得出栅格的汇

　

　6期罗维佳等:地表空间水文过程三维可视化试验953流序列。该模型采用Green2Ampt公式来计算栅格单元土壤水的垂向流动,采用由圣维南方程组简化而来的运动波方程计算栅格单元土壤水的侧向流动、坡面汇流和河网汇流。最终生成全流域567×543个栅格单元(栅格大小为10m×10m)上时段长度为015小时的降雨、植被截留、下渗、地表径流和地下径流过程数据。利用流域的DEM和模拟的空间水文过程数据即可进行三维可视化试验,可视化模块和分布式降雨径流模型使用统一格式的数据文件。图版3图4是模拟的黄土岭流域某时刻的地表水深视图,图5是黄土岭流域某一时刻的地表水深漫游场景,图版3图6是黄土岭流域某一时刻的同步动画场景。

黄土岭流域的DEM数据和模型计算输出的水文数据空间分辨率较高,使用条带三角形图元实现显示建模能获得较好的视觉效果。在进行场景缩放时,如果场景所占屏幕面积变小,可使用较小的数据集来表示区域以提高响应速度,例如图版3图6中每一个视图所占的屏幕面积不到图4中视图所占屏幕面积的一半,在显示图6中的每一视图时使用了简单的隔行抽取法来得到一个较小的数据集以表示区域。

黄土岭流域的地表颜色表由128种颜色组成,最小高程对应的颜色为C1=(016, 110,0155),中间高程对应的颜色为C2=(110,110,0155),最大高程对应的颜色为C3= (110,016,0125),C1和C2之间以及C2和C3之间各有64种渐变颜色(图版3图4和图5)。 黄土岭流域较小,数据量不大,但在显示时地表法线的计算量较大,且要多次用到,因此在内存容量允许时可先计算出地表法线并保存在内存中供每次显示使用(图版3图4及图6)。整个光照计算和渲染也极为费时,如果在显示过程中不改变光照条件,可以考虑先计算和渲染地表,把结果作为纹理图像保存在数据文件中,显示时使用Open G L的纹理映射功能把地表纹理图像粘贴到空间模型上(图5)。

图5　黄土岭地区的地表水深漫游场景

Fig15　A navigation scene of surface water depth of Huangtuling watershed

使用分段函数计算水体不透明度时,参数a的取值影响到显示水体的最浅颜色,参数b的取值影响到深浅变化的范围。在图5中,场景距视点较近,使用较小的a值可突出水

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体的深浅变化,令a=013,b=017;而在图版3图4中,由于场景距视点较远,使用较大的a值可突出水体范围,令a=015,b=015。场景距离更远的同步动画中的三维显示没有根据水深计算透明度,而是直接映射成白色到蓝色的颜色值显示(图版3图6)。

分布式降雨径流模型输出的每个计算时段的空间水文过程数据以文件形式保存,在文件名中包含有根据时间顺序确定的序号。在动态显示空间水文过程时,通过交互方式提取最初时刻、最终时刻的文件名和中间帧数量,进而推出显示涉及的所有数据文件并进行内插。内插方法为:在读取计算时段起始时刻和终止时刻的数据文件后,根据欲使用的帧数计算出每个栅格在时间维度上的增量,显示时把增量加到正在显示的帧上,得到下一帧的显示数据,该处理方法的好处是避免占用较多内存或反复读取硬盘。

本文实现的同步动画是在一个窗口中同时显示两个视图,这种实现方式只要保证空间水文过程数据的同步即可。如果用两个窗口来实现,除了要保证空间水文过程数据的同步外,还需采用同步技术来保证窗口显示的同步。同步动画的四种显示方式通过单选按钮进行选择。图版3图6中左视图选择累计数值显示表现总降水量,右视图用三维显示表现地表水深。左下角的视图可显示专题图例或整个区域的概略图,用鼠标右键切换。

4　结论与讨论

空间水文过程三维可视化的研究是为了实现具有时空变化的水文过程三维动态显示。本文在分析与总结前人研究成果的基础上,研究了浙江黄土岭流域空间水文过程的可视化方法,结合地理信息系统和计算机图形学的方法和技术实现了在起伏的地形表面上三维显示不在同一高程平面上的连续水体;使用动画技术来实现水文过程的动态变化显示;实现了同步动画,方便进行相关水文要素的比较分析,多种可供选择的显示方式为水文过程的比较分析创造了条件。

目前的空间水文过程可视化和水文模型计算是分离的,进一步的研究将考虑把这两部分完全集成在一起,一方面便于实现水文过程真正意义上的实时动态显示,另一方面便于丰富交互功能,以满足深层次研究性交互显示的需要。另外,浙江黄土岭流域范围较小,数据量不大,实际需要研究的流域有可能范围较大,数据量远远超过该试验流域的数据量,进一步的研究需要考虑可视化大数据集时面临的问题。

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a case study at H u angtuling w atershed in Zhejiang province

L UO Wei2jia1,2,DU Jin2kang1,XIE Shun2ping1,FEN G Xue2zhi1 (11Department of Urban and Resources Sciences,Nanjing University,Nanjing210093,China;

21Department of G eography Science,Yuxi Teachers’College,Yuxi653100,China) Abstract:Spatial hydrological process involves t he3D geo spatial and a temporal dimension1 The visualization of it is helpf ul to understand it more correctly and more efficiently1In t his paper an app roach representing spatial hydrological process dynamically and interac2 tively is developed,using Huangt uling watershed in Zhejiang p rovince as a case area1 Our research develop ment involves t he following major p hases:1)creation of ground spatial reference,2)3D display of spatial hydrological process and3)dynamic and interac2 tive display1In t he PC environment,Open G L f unctions are called t hrough Visual C++to realize t he dynamic3D display1Open G L f unctions are powerf ul in3D modeling and ren2 dering and t herefore suitable for p resentation of t he spatial hydrological process,while t he technology of double buffers ensures t he continuous display of t he temporal changes of spatial hydrological process1The main aspect s of t he app roach such as surface modeling, terrain coloring,normal comp utation in lighting,water t ransparency handling,temporal hydrological data p rocessing and interaction parameters inp utting,are discussed in details1 The system can display realistically t he3D dynamic changes of water continuum at differ2 ent surface elevations,and t he navigation and synchronized animation play important part s in observing,analyzing and co mparing spatial hydrological process1

K ey w ords:3D visualization;spatial hydrological p rocess;Open G L;Huangt uling water2 shed

数学物理方程三维可视化仿真

龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/2e14405880.html, 数学物理方程三维可视化仿真 作者：江萍杨华军何文森罗志华 来源：《教育教学论坛》2013年第03期 摘要：数学物理方程三维可视化仿真及创新实践训练是《数学物理方法》教学模式改革中的重要内容。本文通过MATLAB程序求解二维菱形晶格光子晶体的电磁场本征值方程，绘制出二维能带曲线，并将结果三维可视化，体现出复杂数学物理问题的物理图像，解决大学生在课程学习过程中理解困难的教学问题，加强大学生编程实践能力和创新能力的培养。 关键词：本征值问题；三维可视化仿真；光子晶体；平面波展开法；能带结构 中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）03-0247-03 一、课程背景 《数学物理方法》是理工科学生的基础课程之一，也是科研中常用的基本方法。数学物理方法课程的内容繁多，公式推导繁杂，尽管教材中的例题通常具有明确的物理意义，但是从眼花缭乱的数学表达式中看出其中所表达的物理图像，不仅学生会觉得困惑、枯燥，教师也难免觉得棘手。探索数学物理方法数值化教学的新方法，是数学物理方法课程教学中的一项重要工作，也是数学物理方法教学改革中的重要内容。利用MATLAB数值求解数学物理方程，将传统教学手段与计算机仿真教学相结合，改变只用公式符号教学的模式[1]，令学生对复杂、抽象、烦琐的数学物理问题具有更深刻的理解。本论文旨在进行数学物理方程仿真求解实践训练，着力培养大学生应用数学物理思想解决实际问题的能力。本着“重理论、强实践、突创新”的教育理念，结合科技前沿，以光子晶体的电磁场理论作为实践内容，利用MATLAB对复杂的电磁场本征值问题进行计算机仿真求解，将结果三维可视化，以此来展现复杂电磁场问题的物理图像，对培养大学生创新能力具有重要意义。 二、光子晶体电磁理论基础 在利用分离变量法求解数学物理方程时，最后都归结到求解本征值问题。在用本征函数系展开法解数学物理方程时，也要对所用的本征函数系有较好的理解[2]。所以，各种本征函数 系在数学物理方程课程的学习中有非常重要的地位。周期结构对电磁波的调控是物理学领域的基础问题。光子晶体是由介电常数周期排列形成的一种合成材料，是非均匀介质中少数可以严格遵循电磁理论的新型人工材料。在一定的晶格常数和介电常数条件下，布拉格散射使在光子晶体中传播的电磁波受到调制形成类似于电子的能带结构[3]。利用计算机仿真求解光子晶体 中的复杂本征值问题，可以帮助学生熟悉并更好地掌握本征函数系的性质和求解方法。 1.理想二维光子晶体的结构。假设介电常数为εa，半径为r的介质柱平行于z轴，背景介质的介电常数为εb，在（x，y）平面内的晶格常数为a，θ为相邻基矢a1和a2之间的锐角，

三维可视化机房智能监控系统

三维可视化机房智能监控系统 随着计算机技术的迅速发展，数字交换技术的日新月异，计算机通信已经深入到社会生活并对社会经济的发展起着决定性的作用，而在这其中计算机机房数据中心作为载体更是整体生态链中的重中之重。尤其是近年来，云技术的突飞猛进，计算机机房数据中心所承受的压力越来越大：机房计算机系统的数量与日俱增，其环境设备也日益增多，机房环境设备（如供配电系统、UPS 电源、空调、消防系统、保安系统等），由于各类设备各自独立，如果没有统一的监控系统进行管理，主要是依靠值班人员的定时巡检来进行系统监控，由于值班人员知识面和安全管理的问题，值班人员不可能详细地检查每套系统，所以存在较大的安全生产隐患。 为满足工作需要，提高机房维护和管理的安全性，北京金视和科技股份有限公司建立一套“可视化、智能化、远程化”的监控系统，为机房高效的管理和安全运营提供有力的保证。 三维可视化机房智能监控系统对机房实现远程集中监控管理，实时动态呈现设备告警信息及设备参数，快速定位出故障设备，使维护和管理从人工被动看守的方式向计算机集中控制和管理的模式转变。突破性的三维仿真技术是智能可视化数据中心建设的一个重要的组成部分，机房设备具有数量大、种类多、价值高、使用周期长、使用地点分散、缺少实时性管理、管理难度大等特点。全三维可视化监控平台，形象化的虚拟场景和真实数据相结合，增强机房设备、设施数据的直观可视性、提高其利用率。 系统特点 三维虚拟可视化平台 在现有资源管理系统数据库的基础上，以三维虚拟现实的形式展现数据中心的运行情况。实现可视化管理和服务器设备物理位置的精确定位。三维虚拟现实方式对机房楼层、设备区、设备安装部署情况及动力环境等附属设施的直观展示，实时展现监控和报警数据。可实现360度视角调整。 IT资产可视化管理 在三维环境中通过鼠标点击实现楼层、机房、机房子区域、机柜、设备的分级直接浏览。实现机房可用性动态统计，包括空间可用性、用电量分布、温湿度分布情况和机房承重分布情况统计。当上架设备物理位置发生变化时，设备位置根据数据库变化自动变更。用户也可通过维护工具自行调整。

甘肃水文概况

河流、地下水、冰川与水力资源 甘肃省位于我国内陆，东西长1400多公里，南北宽近1000公里。自然地理条件复杂，兼有我国三大自然地理区的特点。三大自然地理区的地貌、气候等特点，对本省水文地理状况有重大影响。东部黄土高原与东南部的陇南山地，是黄河与长江流域，属于外流区。西北部的河西走廊及北山山地，属于内陆河流域。南部与西部的甘南高原与祁连山地，属青藏高原高寒区，是外流与内陆河的发源地。 （一）河流 1、河流水系 本省河流分三大流域，九个水系。黄河与长江流域以迭山、西秦岭为界。黄河与内陆河流域以乌鞘岭、毛毛山及景泰境内的猎虎山为界。 （1）黄河流域水系：本流域分黄河干流（包括庄浪河、大夏河等直接入干流的小支流）、洮河、湟水、渭河与泾河五个水系。 这里年径流量大于一亿立方米的河流，除上述五个水系的干流外，还有各水系的一、二级支流31条。其中黄河干流水系有庄浪河、祖厉河、大夏河及其支流咯河和铁龙沟5条；洮河水系有周可河、多拉沟、贡去乎河、博拉河、车巴沟、冶木河、三岔河、广通河等12条；湟水水系有大通河1条；渭河水系有榜沙河、大南河、籍河、牛头河、通关河、葫芦河及其支流洛河7条；泾河水系有内河、马连河、黑河、达溪河、达蒲河及其支流茹河6条。 （2）长江流域水系：省内长江流域的嘉陵江水系，年径流量大

于一亿立方米的河流共27条，其中包括西汉水及其支流燕子河、洮水河、清水江、平洛河、铜钱河、柯家河；白龙江及其支流达拉沟、多儿沟、腊子沟、岷江、拱坝河、羊汤河、五库河、让水河、洛塘河；白水江及其支流中路河、马连河、白马峪河、丹堡河；嘉陵江干流及直接入嘉陵江的支流红崖河、永宁河、洛河及长丰河。 （3）内陆河流域：内陆河分石羊河、黑河、疏勒河三个水系。年径流量在一亿立方米以上的河流有15条。其中石羊河水系有西大河、东大河、西营河、金塔河等；黑河水系有讨赖河、洪水河、马营河、梨园河等；疏勒河水系有疏勒河、党河等。 2、河川径流 （1）年径流深及其分布：河川年径流深及其分布与甘肃省的降水量分布大体是一致的。也就是说，降水多的地方，地表径流深就大；降水少的地方，径流深就小。甘肃降水总的趋势是东南多，西北少，如东南部康县年平均降水为807毫米，中部的兰州为327毫米，西北部的张掖为129毫米。故甘肃的径流深也是由东南向西北递减。局部地区，由于下垫面的影响，与降水分布的规律性不一致。在同样降水条件下，山地林区，年径流深大，黄土高原年径流深则小；山区径流深大，在丘陵、平原及河谷地区，则径流深小。 甘肃省的河川径流，可以以陇山——西秦岭——祁连山为界线，分成两个区。线以南径流深大，称为丰水区(包括山体本身)，线北为贫水区。 ①丰水区区内年径流深大部在100毫米以上。由于降水受地形

医学影像工作原理及图像获取方式

医学影像工作原理及图像获取方式 2.2医学超声影像工作原理 超声是指高于人耳听觉范围的声波，通常是指频率高于20 kHz的高频振动机检波，应用于医学诊断的超声频率一般在1MHz至几十MHz之间。自1958年商用超声成像产品问世以来，超声医学设备以其实时性、对人体无损伤、无痛苦、显示方法多样，尤其对人体软组织的探测和心血管脏器的血流动力学观察有其独到之处而成为在医学中应用最为广泛的成像设备之一。 超声在医学中的重要作用在于它不但可以穿透人体，而且可以与身体组织相互作用。超声波穿过人体时要经过折射和反射，这可发生在超声波经过的任何交界面上，其作用就如同光束经过一个非均匀物质一样。超声波的波长很短，从而易于窄脉冲波束的实现，因此超声换能器可以做得小而紧凑。 超声在临床应用中主要分为诊断与治疗两个方面：超声诊断采用的是较高频率（多在2MHz以上）与较低声强的超声波，高频可提高对组织的分辨率，用以获得清晰、细致的声像图，而低声强则可降低对组织损伤的副作用。超声治疗采用的是较低频率（通常<1MHz）与较高声强的超声波，低频超声增大对组织的穿透率，而高声强（特别是聚焦后）超声可对组织产生生物效应，用于选择性破坏局灶性病变。 2.2.1超声设备与种类 超声诊断主要应用超声良好的指向性和与光相似的反射、散射、衰减及多普勒(Doppler)效应等物理特性，采用不同的扫查方法，将超声发射到人体内，并在组织中传播，当正常组织或病理组织的声阻抗有一定差异时，它们组成的界面就会发生反射和散射，再将此回波信号接收，加以检波等处理后，显示为波形、曲线或图像等。由于各种组织的界面形态、组织器官的运动状况和对超声的吸收程度等不同，其回波有一定的共性和某些特性，结合生理、病理解剖知识与临床医学，观察、分析、总结这些不同的规律，可对患病的部位、性质或功能障碍程度做出概括性以至肯定性的判断。 超声诊断仪由主机和探头构成，均包括发射、扫查、接收、信号处理和显示等五个部分。超声诊断仪的种类很多，而且互有交叉，按照显示回波方式和空间的不同，主要包括以下几种： 1．A型(Amplitude Mode)超声 A型超声是最早出现的一维超声诊断技术，它将声束传播位置上的组织按距离分布的回波信息在显示器上以幅度调制的形式显示，并从回波的幅度大小、形状及位置进行诊断，回波强则波幅高，回波弱则波幅低。常用A型法测量界面距离、脏器径值以及鉴别病变的物理性质，它是现代各种超声成像的物理基础。 2．B型(Brightness Mode)超声 B超是把组织的一个断层面上的超声回波信息以二维分布形式显示出来，组织内的散射、反射回波信息以辉度调制方式显示，回波强则光点亮，回波弱则光点暗。光点随探头的移动或晶片的交替轮换而移动扫查，由于扫查连续，可以由点、线而扫描出脏器的解剖切面，它是二维空间显示，又称二维超声。 按其成像速度的不同，可分为慢速成像和快速成像，慢速成像只能显示脏器的静态解剖图像，由于每帧图像线数甚多，图像清晰，扫查的空间范围较大。快速成像能显示脏器的活动状态，也称为实时(ReaITime)显像诊断法，但所显示的面积较小，每幅图像线数与每秒显示的帧数相互约制，互为反比。按照扫描方式的不同，又可分为电子线性扫描、电子凸阵扫描、机械扇形扫描和相控阵扫描等。 3．M(Motion Mode)型超声

三维可视化智能安防系统

三维可视化智能安防系统 重点： 数字三维技术、门禁系统、监控系统、陌生人智能分析报警四大系统全方位保护。防止暴力、盗窃和安全事故的综合性安防解决方案。 一、概述 三维可视化智能安防系统，是一套集三维景观漫游、三维场景仿真、视频监控、视频分析于一体的三维可视化安保系统。该系统以虚拟现实技术研发的三维数字模型数据为基础平台，提供给用户直观的三维交互界面，所有操作针对三维实体模型进行数据交互。包括：监控摄像机、报警设备、门禁等系统设备的基础数据、状态控制数据等。所有数据交互到三维实体模型系统中后，由三维实体模型系统进行状态展现，并反馈用户所进行的操作给各系统。

二、功能特点 三维场景交互式操作 系统可完成真实景观快速建模，亦可导入三维模型，形成由大量三维模型组成的三维场景。在场景中可以轻松地对模型进行移动、旋转、复制、缩放等操作。 三维摄像头的操作 主要包括查找、查看、编辑、布局分析等功能。针对摄像头查找功能，系统提供多个检索选项，包括：坐标点检索，按名称检索，摄像头型号检索和模型位置检索等。检索完成后，用户可以选择检索出的某摄像头进入监控画面（画中画）。 属性数据管理 系统可对三维模型进行查询、浏览、统计等操作，支持载入语音、文字、图片等多媒体信息；系统完善的层管理机制可实现对不同层的数据进行各种属性管理操作，支持ODBC数据库接口，可链接各种商用数据库。 门禁显示 门禁开关的动作，非法卡刷卡时报警提示刷卡情况和报警周边的情况，报警状态在三维场景中提醒显示，同时通过信息提示。

视频监控及管理 用户可实时浏览监控点，报警点，查询监控点、报警点的相关属性信息。当发生报警时能自动切换到事发地点，显示报警效果，弹出相关视频。结合在办公楼内部署的红外探测等报警设备，实现对人员通过被检测区域时的报警提示，并在三维场景中表示出来，提供管理员直观了解布防区域的情况。 视频分析 视频行为分析技术——对校园内的相关运动目标（人或物体）进行检测、分类及轨迹追踪，并根据制定的分析（触发）规则，由系统自动分析、判断运动目标的行为信息，并将信息输出到三维可视化系统中。 三、功能阐述： 传统以人来监视的监控系统中越来越多的视频通道变得非常困难，因此，视频分析迅速成为安防应用中的一个关键元素。使用以智能视频分析和传感器输入为中心的数字产品和以虚拟现实技术研发的三维数字模型为平台的系统，可实现系统功能与操作可视化要求的最佳协调。这对于具有不同安防需要的广泛而复杂的地点来说变得日益重要。 门禁控制产品包括： 门控器

天水水文简介[2011年资料]

天水水文简介 发表时间：[2010-11-0314:49] 【https://www.doczj.com/doc/2e14405880.html,/swjcms/html/11/81/2010-11-3/36722.html】 天水水文水资源勘测局成立于1964年（沿革：64年～68年为甘谷水文中心站，72年迁入天水市更名为天水水文中心站，89年11月更名为天水水文水资源勘测队，92年更名为天水水文水资源勘测大队，96年10月更名为天水水文水资源勘测局），地处甘肃省天水市麦积区，是专业水文水资源勘测及研究河流水文基本规律的机构，并承担防汛和水环境监测任务。下设办公室、技术科和财务科三个部门。现有二类站三个（北道站、武山站、秦安站），三类站三个（甘谷站、天水站、社棠站）。 所辖测区位于渭河上游，控制流域面积26717km2，下辖国家基本水文站6处，雨量站70处，蒸发站2处。分布在甘肃省4地市、16个县区，地理坐标为东经104°01′～106°25′，北纬34°11′～36°12′，所属各站均位于甘肃省天水市行政区内，区内渭河主要支流有榜沙河、葫芦河、散渡河、藉河、牛头河、秦祁河等。担负测区各种水文信息采集，承担向中央防总、黄河防总以及各级防汛部门提供水情报汛任务。目前开展的主要工作项目有水位、冰情、流量、含沙量、降水量、蒸发量、输沙率测验计算和水文调查、水资源评价监测、水文分析计算、水情予报、测绘等。 天水测区是黄河中游水沙主要来源区之一，气候特点为春旱少雨，夏秋季多东南风，雨量相对多而集中，冬季多西北风干旱少雨，多年平均降水量513mm，年平均气温5～11°，流域内大部分为黄土覆盖，植被较差，降水、洪水多发生在5～9月，洪水具有暴涨暴落特点，测验段面一般冲淤多变，水位～流量关系较散乱，一般无单一水位～流量关系。水沙量主要集中在汛期，汛期径流量约占全年水量70%左右，枯水期水量较小。泥沙主要集中在汛期洪峰过程，往往几

城市地下空间规划复习大纲

城市地下空间规划设计 总复习知识点 1.城市的形成与发展 本章首先通过国内外城市发展过程所表现出来的城市空间发展规律，介绍了全世界城市经过四个阶段实现了城市化，丰富和发展着城市规划理论和城市功能。 城市的发展过程实质是一个城市化过程。全世界城市化的过程中按照发展方式的不同划分为四个阶段。城市初期吸纳劳动力的聚集效应，使城市容量外延扩大，完成城市化的第一阶段。城市通过再开发市中心，内涵式扩展完成了城市化第二阶段。城市郊区化和再城市化发展了，外延式和内涵式并存过程完成了城市化第三阶段。目前的泛城市化现象，使世界进入城市化过程的第四阶段。 全世界城市发展过程都面临“城市化病”现象。但是不同的发展历史呈现不同的现状。发达国家的城市化面临逆城市化现象，表现为城市郊区化和泛城市化。发展中国家面临的是滞后城市化和超前城市化。前者表现为城市人口负增长和出现城市群；后者表现为城市工业化程度与城市化水平不协调。 工业化是城市化的发展动力；聚集效应和规模效益是城市化的关键；现代化的技术、信息及环境要求带动其他城市的发展。 城市容量又称城市空间容量或城市环境容量，是指城市空间在一定时间内，对城市人口、静态物质（建筑物和各种城市设施）和各种城市活动的综合容纳能力。理论容量是一个城市在一定发展阶段，根据城市性质、自然条件和经济地位、发展远景等因素综合确定的。实际容量是一个城市某个阶段实际存在的城市空间容量。城市容量包括人口容量，一般以人口密度衡量；土地容量，表现为各种用地指标。城市容量的计算方法。 理论容量与实际容量间的关系：理论容量大于实际容量，城市发展不充分、有发展潜力或空间。理论容量等于实际容量，城市处于发挥其机能的最佳状态，具有良好的发展活力。理论容量小于实际容量，城市出现恶性膨胀，城市病出现。 城市规划要解决城市的四大功能布局和协调：居住、工作、游憩、交通。城市规划的期限：总体规划期限一般为20年，近期规划期限一般为5-10年。 城市人口规模是城市规划中的重要基数。城市人口规模的预测方法有产值推算法（劳动平衡法），职工带眷系数法，统计分析递推法，数理统计法，城市性质类比法。一般都要以一种方法为主，其他方法辅助校核，再根据城市环境、最佳经济效益规模决定。 城市空间结构是指城市各物质要素在某一时段的空间分布效应、外在形态和演化过程。城市空间结构层次上分为内部空间（城市各功能区）、外部空间（卫星城、郊区、飞地）、群体空间（城市间、城乡间）。城市空间结构内涵用密度、布局和形态评价。 城市密度表现城市内部不同地段土地利用的强度，反映城市不同地段经济活动聚集程

建筑物三维GIS地图及可视化应用技术方案

建筑物三维GIS地图及可视化应用方案 1.建设内容 （1）完成建筑物室外、室内真三维模型建设； （2）采集建筑物内部360度单点全景影像数据； （3）采集建筑物空中360度全景影像数据； （4）全景影像数据视频监控平台集成联动； （5）室外手持巡逻设备的坐标定位和轨迹回放； 2.技术方案 2.1.建筑物三维模型数据建设 建筑物的几何形体的描述信息包括空间三维坐标信息和构建该建筑物的点、线、面信息，建筑物的三维坐标(包括高度信息)可以运用全数字摄影测量的方法来获取，而建筑物的点、线、面信息需根据建筑物的实际外形特点进行分类，如一般房屋、房中房、人字形顶、弧形屋顶、不规则屋顶等等。 利用虚拟三维建模技术，对业主指定的重点建筑物进行三维建模，数据为标准模型。 室外三维模型建设

图重点建筑物进行三维建模示意图 室内房间内部三维模型建设 图建筑物室内三维模型建设

2.2.室内360度单点全景影像数据采集与处理 建设内容：利用自主研发的便携式单兵全景采集设备，快速完成建筑物内部360度单点全景影像数据，加工处理后与二三维数据进行集成应用，采集数量：100个。室内360度单点全景采集装备如下图所示。 图单兵便携式全景采集设备 在重点目标内部可以采用单兵便携设备（如上图所示）采集室内360度单点全景影像，后期经过对影像进行处理和拼接后可输出现场全景影像（如图5），将全景影像加载到实景三维影像管理平台后，可实现对室内周边环境的360度浏览，缩放、标注等功能，结合全景平面分布图可以制作预案，当发生应急处突事件时，可对现场环境有第一手资料，从而做出快速响应。 图360度单点全景影像

顾桥三维可视化技术协议(排版)

淮南矿业集团顾桥矿 矿井安全生产三维可视化系统 技术协议 二零零六年七月

由顾桥矿信息管理中心牵头，矿地质测量部门、上海宝信软件股份公司及北京富力通能源软件技术有限公司参与，在顾桥矿就三维可视化与综合自动化系统集成进行了充分协商，形成如下技术协议：1.协议内容 1.地测信息系统作为三维可视化系统的有机组成部分和必需的数据 来源，三维可视化系统与地测信息系统软件通过数据库表互相共享数据库，并开放数据表格供自动化集成平台及信息系统平台使用，矿地质测量部门通过北京富力通能源软件技术有限公司的演示，认为北京富力通能源软件技术有限公司在三维可视化系统中提供的地测信息系统达不到专业化的地测信息系统的功能，建议北京富力通能源软件技术有限公司外购专业化的由北京龙软科技发展公司开发的地测信息管理系统，并负责有机的集成；北京龙软科技发展公司负责地测信息管理系统的功能实施、软件维护及系统升级，以满足顾桥矿地测部门日常地测信息管理的需求。2.上海宝信软件股份公司承包的综合自动化系统与三维可视化系统 的具体数据接口交换原则与系统调用原则：集成软件平台可以直接启动三维软件应用程序。三维显示、展示方案由三维软件负责完成，三维软件也可以独立运行；集成平台将采集的集成数据信息通过数据库的记录集（提供字段说明）共享给三维软件，三维软件负责在相应的子系统终端上显示对应的场景和数据。综合信息平台保证发送给三维软件的消息的正确性和及时性，三维软件系统保证显示和定位的准确性和时效性。三维软件需要获取的实

时监控数据，可以采用通过发送TCP/IP请求（数据包大小上限定为1024个数据）给集成平台获取数据（备选方案：三维软件需要显示实时参数时，采用分布式访问方式，直接从OPCServer中获取实时数据），数据显示和表达方式的组织工作由三维软件完成。 3.数据录入：三维可视化系统作为地测信息系统软件和集成化平台 的数据使用者，应充分有效使用地测信息系统软件和集成化平台提供的数据，测量数据库与地测数据库建立的原始数据的录入由地测信息系统软件负责，有效避免用户单一数据多次录入，具体为： ●三维可视化系统负责以下数据录入: 1)主副井、风井、巷道、硐室的数字摄像资料。 2)井巷工程造价信息。 3)各种生产与安全设备的类型、功率、工艺参数等资料。 4)安全监测系统、自动控制系统的监测点的位置、类型、报 警上下限、单位、状态、实时数据等（通过软件接口获取） ●地测信息管理系统负责以下数据录入: 1)煤层边界数据、断层数据、陷落柱、熔岩侵入、古河床冲 刷等煤层缺失数据。 2)回采工作面的资料。 3)主副井、风井、巷道、硐室的断面类型、参数等资料。 4)地质勘探的钻孔、测井资料、柱状图、各主副井、风井、 巷道、硐室的测量资料。

航天器在轨运行的三维可视化仿真教材

本科生科研训练计划项目（SRTP）项目成果项目名称：航天器在轨运行的三维可视化仿真 项目负责人：林凡庆 项目合作者：曲大铭侯天翔杨唤晨孙洁 所在学院：空间科学与物理学院 专业年级：空间科学与技术2013级 山东大学（威海） 大学生科技创新中心

航天器在轨运行的三维可视化仿真 空间科学与物理学院空间科学与技术专业林凡庆 指导教师许国昌杜玉军摘要：航天器在轨运行的三维可视化程序设计是建立卫星仿真系统最基础的工作。航天器在轨运行的三维可视化仿真有着重要的意义：它既可以使用户对卫星在轨运行情况形成生动直观、全面具体的视觉印象，又可以大大简化卫星轨道的设计过程。本文首先构建了航天器在轨运行的三维可视化仿真程序的基本框架，然后对涉及到的关键理论与知识，如时间、坐标转换、卫星轨道理论、OpenGL图形开发库等也做了阐述，最后介绍了我们的主要工作和科研成果。我们的主要成果是实现了卫星在轨运行的三维可视化仿真并对原有程序进行了改进。 关键词：航天器在轨运行三维可视化程序设计 OpenGL Abstract：The programmer of three-dimensional visualization on satellite in-orbiting is the utmost foundational work in establishing satellite emulation system. The three-dimensional visual simulation on satellite is of great significance: it assures that users may receive a vivid and direct-viewing and it also can greatly simplify the design process of satellite orbit.The basic frame of three-dimensional visual simulation program on satellite in-orbiting has been set up firstly. then, related essential theory and knowledge such as time system, coordinate conversation, satellite orbit, OpenGL and etc also has been introduced. Lastly, our main work and research results has been introduced. Our main achievement is that we realized the program of three-dimensional visualization on satellite in-orbiting and we improve the original program. Key words：satellite In-orbit movement 3D visualization programming OpenGL 一、引言 当今社会是一个信息的社会，谁掌握了信息的主动权，就意味着掌握了整个世界。而人造卫星是当今人们准确、实时、全面的获取信息的重要手段，卫星的各项应用已经成为信息社会发展的强大动力。而人造卫星的应用是一项高投入、高风险、长周期的活动，仿真技术由于具有可控制、可重复、经济、安全、高效的特点，在人造卫星应用领域以至整个航天领域都起到了重大的作用。目前国际上较常用的卫星仿真软件主要有美国的Winorbit、美国Cybercom System公司研制的CPLAN和AGI公司的STK。其中以STK功能最为强大，界面最为友好，在卫星仿真领域占有绝对领先地位。STK功能虽然强大，但其价格昂贵，源码也不公开，无法自主扩展，并且该软件被限制了对中国的销售，所以中国不得不独立开发适于自己的卫星仿真系统[1]。而且国内目前卫星系统的仿真软件很少，主要有一些大学开发的小型的卫星系统仿真软件，还有北京航天慧海系统仿真科技有限公司开发的Vpp-STK航天卫星仿真开发平台V4.0。总体来说，国内目前在这个方面的技术还相当不成熟，因此研究和自主开发卫星仿真系统意义重大。 仿真可视化，就是把仿真中的数字信息变为直观的，以图形图像形式表示的，随时间和空间变化的仿真过程呈现在研究人员面前，使研究人员能够知道系统中变量之间、变量与参数之间、变量与外部环境之间的关系，直接获得系统的静态和动态特征[2]。 本文首先构建了航天器在轨运行的三维可视化仿真程序的基本框架，然后对涉及到的关键理论与知识，如时间、坐标转换、卫星轨道理论、OpenGL图形开发库等也做了阐述，最后介绍了我们的主要工作和科研成果。

3DGIS在城市地下空间规划中的应用

第31卷 第5期 岩 土 工 程 学 报 Vol.31 No.5 2009年 5月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering May 2009 3D GIS在城市地下空间规划中的应用 丛威青1，潘 懋1，庄莉莉2 （1.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871；2.天津大学建筑学院，天津 300072） 摘 要：我国城市地下空间开发迅猛发展，由于地下空间利用具有难恢复、难预算等特点，地下空间规划日益受到重视。但是传统二维规划技术很难用以描述地下复杂地质环境等三维空间信息，而三维GIS技术可以较好地解决这一问题。在分析城市地下空间规划内容的基础上，对三维GIS技术及其在地下空间规划中可发挥的作用加以阐述，提出了基于三维GIS的地下空间规划三维辅助信息系统总体设计，重点探讨其体系结构和子系统集成方案。 关键词：三维；GIS；地下空间；城市规划 中图分类号：TU473；TP391 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2009)05–0789–04 作者简介：丛威青(1980–)，男，山东日照人，博士，从事3D GIS及其应用方面的研究。E-mail: wqcong@https://www.doczj.com/doc/2e14405880.html,。 Application of 3D GIS in urban underground space planning CONG Wei-qing1, PAN Mao1, ZHUANG Li-li2 (1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2. School of Architecture, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract: The urban underground space has rapidly developed. Because of the difficult recovery and estimation, the underground space planning has received increasing attention. However, the traditional 2D planning techniques are difficult to describe the complex underground geological and environmental information. 3D GIS technology provides a better method to solve this issue. Based on the analysis of urban underground space planning, the three-dimensional GIS technology and its conceivable role in the underground space planning are analyzed. A design of 3D supporting information system is put forward for the underground space planning, focusing on its architecture and subsystems integrated solutions. Key words: 3D; GIS; underground space; urban planning 0 引 言 自1863年伦敦首条地铁开通以来，世界各国地下空间开发获得了迅猛发展。特别是1950年以后，以美国、加拿大、日本、法国等发达国家为代表，已经形成较为完善的地下空间开发体系和地上、地下一体化规划理念[1]。我国现代地下空间的开发利用在改革开放后逐渐进入快车道。北京地下空间建成面积已在3000万m2以上，平均每年增加建筑面积约300万m2，占总建筑面积的10%左右[2]。此外，上海、南京、天津、深圳、青岛等城市都在大力拓展城市地下空间。 由于地下空间开发具有难恢复、难预算等特点，如果希望地下空间资源在城市发展中发挥最大的长期效益，就必须对地下空间资源进行有效规划。然而，不管是地下空间总体规划还是详细规划，都需要在提供文字说明的同时，形成辅助说明图件，如地下空间资源评估图、地下空间开发利用现状图、地下空间开发利用总体布局与结构规划图、地下工程系统规划图等，传统的规划技术主要关注于研究区域的二维表达，这对于地表规划已经足够了，但是地下地质环境极大地影响着可建造设施的类型、规模和费用，直接决定了地下构建筑物建设状况，这就需要一种更为有效的方式来描述地下三维复杂地质环境，三维GIS（3D GIS）技术为解决这一问题提供了可能。 1 3D GIS技术 经过几十年的发展，二维GIS已深入到社会的各行各业，但其存在着自身难以克服的缺陷，虽然一些二维GIS和图象处理系统也能处理第三维的高程信息（2.5维GIS），但并未将高程变量作为独立的变量加以处理，只将其作为附属变量，虽能表达地表的起伏，但对地下信息的描述能力十分有限[3]。3D GIS是布满整个三维空间的GIS，通过对人类从某点观察视觉效 ─────── 基金项目：中国博士后科学基金项目（2007042044）；“十一五”国家科技支撑计划重大项目子课题（2006BAC04B01） 收稿日期：2008–03–17

三维可视化应急预案系统

三维可视化应急预案系统 三维可视化应急预案系统是针对传统文本式预案的不足而研发的一款可视化的应急预案系统。传统文本式预案，注重的是各部门职责范围的描述，以及应急资源的信息，缺少一种有效的手段可以描述事故发生时，各部门如何履行各自的职责。三维可视化预案系统就是针对这种问题，对预案的执行过程进行可视化制作，既可以对预案相关人员进行培训，也可以更好的检验预案的可行性。 传统文本预案的缺陷 ?预案中信息量小、无法包含明确的应急处置环境信息。 ?预案中缺乏事件、时间、角色间关系的明确逻辑定义。 ?应急处置过程某些细节环节可行性无法验证。 ?预案内容不容易传递和推广。 ?由于环境条件限制、很难开展有效的模拟演练。 三维可视化应急预案的优势 ?预案中包含了明确的二、三维应急处置空间环境及场景信息。 ?清晰的组织结构、岗位责任逻辑关系及时间事件演变关系。 ?直观的处置细节可视化描述。 ?可以推演、容易传播、方便理解，可以直接用于模拟演练。 系统功能 文本预案智能提取

系统可以从原有标准化文本式预案中自动提取应急资源、装备工具、组织机构等信息，作为预案的辅助查询内容。 预案流程编制 通过以事件为驱动的各种环节配置，以流程图的方式把预案进行细部分解，制定有针对性的预案应急响应逻辑结构。 预案细节可视化编辑 提供可视化预案细节编辑工具，以时间轴为基础，添加各种元素，形成可视化的预案展现。推演评估 制作完成的预案，可以随时进行可行性推演与播放，并支持对每个环节的执行情况进行评估和总结。 三维可视化应急预案系统是大连伟岸纵横为安监、消防、公安、危化企业应急部门提供的可靠有效的三维可视化预案系统。

三维可视化防真系统

1.1三维可视化仿真系统 当前地理信息系统技术仍以二维信息为主，比较而言，三维地理信息系统技术可以使信息的表现更真实、丰富、具体，而下一代GIS技术的一个主要特点也是支持“数字地球”或“数字城市”概念的实现，从二维向三维发展，从静态数据处理向动态发展，具有时序数据处理能力，因此三维地理信息系统技术与无线通信技术的结合将是未来地理信息技术发展的必然趋势，也将成为未来数字城市建设技术的必然选择。 三维GIS是模拟、表示、管理、分析客观世界中的三维空间实体及其相关信息的计算机系统，能为管理和决策提供更加直接和真实的目标和研究对象。三维GIS是二维GIS技术的延伸和扩展。 基于三维地理信息系统技术，能够实现城市地质灾害相关数据的的数字化、网络化及动态可视化，同时也可作为一个供地质灾害管理预测分析辅助的强大应用平台。 1.1.1电子沙盘框架建设 电子沙盘框架建设基于国际先进的SkyLine三维展示平台，利用DEM与DOM建立大场景的三维模型，实现整个地图大场景的描述，同时集成地质灾害相关信息，实现大场景的立体信息集成和展示，为使用者提供更为丰富的综合信息。 Skyline是一个领先的三维地理信息系统平台，用一个强大的界面，可以把不同的地理数据联系起来，并且可以把它们快速的分发到各个用户。沙盘框架逻辑如下：

1.1.1.1 架构模式 三维可视化仿真系统采用当今社会最流行也最实用的B\S架构，此架构降低了最终用户的维护和升级成本。 服务器端的配置：TerraExplorer Pro + TerraGate + internet License。 客户端的配置：TerraExplorer Viewer + IE6.0或以上。 开发环境：开发工具(Microsoft Visual Studio .NET 2003/2005 C#) + 客户端脚本语言（javascript/jscript）+ 编辑工具(UltraEdit/Editplus)。 Skyline软件体系结构如下图所示： 图错误！文档中没有指定样式的文字。-1 Skyline软件体系结构图总的架构来分，Skyline分为三个模块。 数据合成模块TerraBuilder家族,它分为三个级别:单机版（TerraBuilder）、企业版（TerraBuilder Enterprise）、直连（DirectConnect）。他们三个之间的区别

三维全景可视化技术在输电线路规划设计中的应用 吕星晨

三维全景可视化技术在输电线路规划设计中的应用吕星晨 发表时间：2019-10-28T14:19:16.150Z 来源：《电力设备》2019年第12期作者：吕星晨 [导读] 摘要：随着计算机信息技术的飞速发展，地理信息系统在电力行业的应用也越来越广泛。 （国网山西省电力公司垣曲县供电公司山西省 043700） 摘要：随着计算机信息技术的飞速发展，地理信息系统在电力行业的应用也越来越广泛。将三维可视化技术引入输电线路管理中，为各级管理人员提供一套简单便捷的输电网已成为现代电力企业提高管理水平和工作效率的有效手段。然而，现在电力系统中最广泛的应用还是二维GIS,其在空间表现、展现效果和分析能力上有很大的局限性。鉴于此，本文主要分析探讨了三维全景可视化技术在输电线路规划设计中的应用情况，以供参阅。 关键词：三维全景可视化技术；输电线路；规划设计；应用 引言 三维可视化技术能够直观地反应空间区域内的真实情况，同时还能够实现模型与实物相关参数和各方面属性的关联和对照，这对于电力线路网络的建设和规划是十分重要的。随着经济的发展和城市化进程的加快，电网建设的速度不断加快，相反的输电资源却越来越紧缺，传统的输电线路面临巨大的压力，尤其是在信息处理能力方面的不足尤为突出。三维可视技术的应用，采用高科技的现代信息技术来发展和建设电力网络，对于促进电力工作的发展具有重要意义。 1三维全景可视化技术概述 三维全景可视化技术，一般是指：通过计算机技术，把真实生活中场景以360度全景全方面的方式完整的展现出来，并可以实现互动式观看的先进技术。目前，我国的三维全景可视化技术正不断发展进步，并开始在不同的领域中占据着越来越重要的地位。三维全景可视化技术，可以把整个旅游景点清晰完整的展现出来，给观赏者带来真实的体验，促进了旅游业的大发展。在汽车行业中，通过运用三维全景可视化技术，可以将整个车内的构造和基础设施给顾客完整的展现出来，有利于增强顾客的购买信心和购买欲望，达到提升销售量的作用。除此之外，在房地产行业、设计行业等等多个行业，都有着广泛的应用。 2三维可视化技术在输电线路规划设计中的应用和优势 作为我们国家重要的基础产业，电力行业的发展对国民经济和社会水平的进步发展都具有重要意义。当下，能源输电线路的规划设计是建立健全我国能源产业链的基础，同时也是完善能源体系的重要举措。三维可视化技术在输电线路中的应用，能够通过信息化技术手段实现输电线路规划路线的三维全景化展示，再通过虚拟现实的手段和信息集成技术再现线路周围的地理环境，提高输电线路规划设计的工作效率。三维可视化技术在建模、可视化交互和多态计算等方面的优势，对于输电行业的发展具有十分重要的意义。最显著的优势在于视景仿真和信息集成等方面的功能，能够创新输电线路规划设计工作的思路和观念，通过构建三维可视化信息平台促进输电线路规划设计工作的发展，加强对电网运行管理方面的管理控制，促进电网运行安全质量的提高。 3三维可视化技术在输电线路规划设计中的应用 3.1输电线路规划辅助设计应用 运用海量高精度的DEM数据、高分辨率的影像数据以及三维电力设备模型，对整个输电线路走廊在计算机上进行全景仿真模拟，从而实现对该线路走廊周围环境的真实再现。这样，设计部门可以在虚拟的三维可视化全景中实现对输电线路的规划和各种空间分析，使输电线路的走向更加合理化，从而达到优化线路，降低成本的目的。三维可视化技术同时还可以大量减少野外线上的勘察工作，减少不利影响，增强保护环境意识,直观还原三维地形地貌。 3.2提高线路铺设效率 在规划设计输电线路的过程中，合理规划线路走向和安排杆塔位置是一项复杂的工作，因为杆塔的数量众多而所处的区位条件又很复杂。借助三维可视化技术，通过数据分析利用三维地图真是还原线路周围环境，能够更为精准、合理地安排杆塔位置并根据不同的地形条件对杆塔的方位和相关参数进行调节，能够有效提高输电线路铺设的精准度，减少成本投入。 3.3线路及杆塔可视化应用 在输电线路网中线路及杆塔数量众多，而且架构模式占据绝大部分，线路的走向与杆塔的分布跟地形地貌有着密切的关系。针对这一特点，三维可视化技术应用高程数据、影像数据、矢量数据制作三维地图，在还原真实现场地形场景的基础上，提供批量导入杆塔及排位方法，使得杆塔导入后，依据地形的高程数据自动调整杆塔高度，自动形成线路走廊，并且自动计算出杆塔的方位、弧垂。 3.4加强输电线路安全管理和维护 由于输电线路距离较长、周围地理环境复杂的情况和特点，安全管理和维护的成本高、难度大，而且效果并不理想。三维可视化技术能够创新模式，解决传统安全巡检由于工作人员视角局限带来的不足之处，对线路设备和电网运行状况实现实时监控，确保及时发现问题并解决，提高线路安全管理的效率。输电线路的安全问题，除了人为破坏的因素外，也可能因为周围环境的温度和湿度变化等因素造成杆塔的位置偏移和损坏，因此输电线路的安全维护也是一个难题。三维可视化技术通过对数据的全面收集、分析，能够提前预测线路周围环境变化可能会对线路造成的影响，提早采取措施，能够有效提高线路安全维护和管理的效率。 3.5空间信息与业务数据高度融合 以往的业务数据主要体现在表格或者文字叙述上，在数据的空间性与客观性的体现上相对欠缺。而三维全景可视化技术通过建立电网设备的空间信息和业务数据的关联关系，实现二者的高度融合，获得“即点即见”的效果。在宏观的观看场景下，可以查看电网设备的空间位置，并且可以查看其相应的业务数据。在微观观看场景下，通过点击相应设备的高精度模型，便可以查看所对应的业务数据信息。真正实现“可视化”和“直观管理”的协同工作。 结束语 总而言之，电力，是我们日常生活中不可或缺的重要能源，为我们的衣食住行提供了极大的便利。而电力行业，是我国的重要行业之一，是推动我国经济发展的重要组成部分。随着科技在我们生活中对各行各业的不断渗透，对电力行业的影响也是令人瞩目的。三维全景可视化技术开始运用到电力行业中，并在输电线路的规划和设计中开始发挥着重要的作用。三维全景可视化技术，可以给输电线路的前期规划做好充分的资源储备，并在后期的设计中起到不断优化的作用。在未来，三维全景可视化技术将不断发展完善，给输电线路以及整个