Vol. 16 No. 11
系
统
仿
真
学
报
Nov. 2004 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION
• 2409 •
大范围流域内水体三维仿真研究
陈文辉, 谈晓军, 董朝霞
华中科技大学水电及数字化工程学院 湖北武汉 430074
摘
要
建设数字流域的一个重要方面是利用数字流域水文地理信息平台建立起洪水演进仿真模
拟系统 文章以大范围流域内的水体仿真为研究对象 详细描述了三维水体仿真的快速傅立叶变
换 FFT 模型 并给出 FFT 模型的计算机实现方法及流程 在水体的三维仿真方面 借鉴大地
形仿真技术 提出了水体仿真的细节层次技术和无缝拼接技术 并最终将研究结果应用于清江流
域的可视化仿真系统
关键词
数字流域 水体仿真 快速傅立叶变换 细节层次
文章编号
1004-731X (2004) 11-2409-04
中图分类号
TP391.9
文献标识码
A
Research of Water Simulation in Large Drainage Area
CHEN Wen-hui, TAN Xiao-jun, DONG Zhao-xia
(College of Hydropower and Information Engineering, HUST, Wuhan Hubei 430074, China)
Abstract One important aspect of constructing digital drainage area is to set up the flood routing simulation system based on
the GIS platform of digital drainage area. This paper focuses on the simulation of the water in large area. The FFT model for
3D water simulation is described in detail, and the procedure of implementing the FFT model on computer is also given.
Drawing lessons from the implementing of large scale terrain visualization, some technologies to render the 3D scene such as
level of detail (LOD) and seamless stitching of units are presented and discussed together with test results. And these
technologies are eventually applied to the 3D visual simulation of the Qingjiang drainage area.
keywords digital drainage area; water simulation; fast fourier transform; level of detail
引
言
1
数字流域是数字地球的一个重要区域层次 数字流域技
术以数字地球为背景 对真实流域及其一切相关信息的数字
化重现与分析
[1]
建设数字流域的一个重要方面是利用数字
流域水文地理信息平台建立起洪水演进仿真模拟系统 对全
流域进行动态实时的三维仿真 在实现真实三维地形虚拟漫
游的同时 实现对防洪减灾策略的试演和模拟 从而为抗洪
减灾提供科学的决策支持
洪水演进仿真模拟系统是一套虚拟现实系统 它是基于
三维流域地形模型 通过洪水演进过程的数值模拟 在流域
三维地形与景观的基础上叠加显示演进的分析模拟结果 实
现流域水情的动态三维仿真 目前 在大地形的三维可视化
技术研究方面研究成果比较多 如基于三角网的多分辨率模
型以及基于规则格网的多分辨率层次模型等
[2]
然而 在大
范围流域的三维可视化中 作为数字流域中洪水演进模拟的
重要对象 水体的仿真研究则相对较少 水体仿真的难度一
方面在于水体自然形态的随机性 另一方面在于需要让水体
反映出真实的水文数据 如水位变化
水体的模拟在计算机图形学中有多种实现方法 大体来
收稿日期
2003-11-10
修回日期
2004-03-20
作者简介 陈文辉
(1979-), 男, 湖北武汉人, 硕士, 研究方向为三维图像
与数字化仿真.
谈晓军
(1972-), 男, 江西南昌人, 博士, 研究方向为地理
信息系统及三维图形与仿真.
董朝霞
(1964-), 女, 湖北阳新人, 副教授,
博士, 研究方向为电力系统自动化及仿真, 数字流域计算及仿真
说 分为 2 维 3 维以及 2.5 维的方法 2 维方法是指在一
个平面的多边形上铺设水的纹理 纹理不断变化而形成水的
效果 这种方法简单并且运行速度快 但是直观效果不好
3 维的方法是使用三维网格来表现整个水体 能真实的模拟
仿真水体 但计算公式复杂 运行环境要求高 水体的运动
需要大量复杂的计算 不适合实时的仿真模拟 2.5 维的方
法是一种折衷的办法 其重点不在体而在面 基本思想是将
水面作为类似地形一样的高程图 heightmap 来实现 用
水面的高程值信息来生成水体 把计算基本限制在 2 维平面
上 从而减少计算量 适合于实时仿真 同时模拟效果也较
逼真
在使用高程法实现水的模拟时 又有多种实现手段 最
早在计算机图形学领域实现的是 Fournier 和 Reeves 用
Gerstner Waves 模型生成的水面 以后又出现了一些改进模
型 如使用非正弦曲线的其他基本形状的计算模型 而后
有 Masten 等人提出的 FFT 快速傅立叶变换 方法 可以
实现单元无缝拼接 用于生成随机纹理的 Perlin Noise 也可
以用于生成水面高程 但它的结果不易控制 Navier-Stokes
Solver 则是适用于表现外力作用下的水体模型
[3~6]
随着硬件平台性能的不断提升以及三维仿真手段的不断
进步 大范围流域内的视景仿真逐渐变为现实 本文着重研究
并解决大范围流域内的水体仿真问题 使实时的仿真效果更具
可观性 并针对清江流域的开发规划 建立起一套清江流域的
洪水演进仿真模拟系统 实现了清江流域水情的三维仿真
万方数据