朱英浩，龐為興

（1.水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢大學(xué)），湖北 武漢430072；2.國防信息學(xué)院作戰(zhàn)仿真中心，湖北 武漢430010；3.浙江省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會，浙江 杭州310007）

集成AutoCAD與Google Earth數(shù)據(jù)的三維河道動態(tài)模擬系統(tǒng)研究

朱英浩1，2，龐為興3

（1.水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢大學(xué)），湖北 武漢430072；2.國防信息學(xué)院作戰(zhàn)仿真中心，湖北 武漢430010；3.浙江省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會，浙江 杭州310007）

利用Visual C＋＋開發(fā) “三維河道動態(tài)模擬系統(tǒng)”，集成AutoCAD與Google Earth數(shù)據(jù)的提取與融合，動態(tài)模擬不同時(shí)期和不同水位下的三維河道，實(shí)時(shí)顯示某個(gè)地點(diǎn)河道寬度和最大水深等信息.

三維河道；動態(tài)模擬；系統(tǒng)集成；Google Earth；AutoCAD

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer－aided design，CAD）和地理信息系統(tǒng)（geographical information system，GIS）等技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用［1］.目前水利和航道工程中的河道地形數(shù)據(jù)普遍采用AutoCAD來數(shù)字化并以圖形格式（＊.dwg）保存.有些單位開始使用GIS工具軟件來研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)水系與地形特征［2］.也有學(xué)者基于人機(jī)交互界面研究航道管理問題［3］.但這些系統(tǒng)大多需要人工建模工具AutoCAD或MultiGen Creator實(shí)現(xiàn)河流和航道三維模型的建立［4］.目前基于Internet的Google Earth已經(jīng)引起了廣泛注意，一般用戶可以在其界面上直接漫游和縮放及標(biāo)注，但難以做到按照數(shù)值輸入的方向、比例尺及位置的確定，AutoDesk公司已經(jīng)推出了土木建筑類軟件AutoCAD Civil 3D，為包括土地開發(fā)、交通運(yùn)輸與環(huán)境工程在內(nèi)的土木工程提供了一個(gè)測量、設(shè)計(jì)、分析與文檔處理解決方案.該軟件可以從Google Earth中導(dǎo)入衛(wèi)星影像和地形模型，使用特定的設(shè)計(jì)工具進(jìn)行初步的道路布局和地塊設(shè)計(jì)，甚至也可以將設(shè)計(jì)方案直接發(fā)布到Google Earth，以快速展示設(shè)計(jì)與周圍環(huán)境的契合度，對提高土木設(shè)計(jì)工作效率具有重要作用，在城市三維可視化系統(tǒng)研究開發(fā)中已經(jīng)得到了一定的成果［5］.本文中針對水利與航運(yùn)的特點(diǎn)和外國公司產(chǎn)品比較適合于個(gè)別研究與演示而難以全面推廣的問題，自主開發(fā)“三維河道動態(tài)模擬系統(tǒng)”，將河道地形及涉水人工建筑物等對象融合于構(gòu)造的三維虛擬場景中，為這類模型的開發(fā)提供了一種新方法.

1 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要功能模塊主要包括“基本數(shù)據(jù)采集”、“三維流域顯示”、“水面仿真”和“三維場景回放”等模塊.

1.1 基本數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)包括了兩種基本數(shù)據(jù)采集的功能，一種是從Google Earth中提取地形高程（采樣點(diǎn)）和衛(wèi)星影像；另一種是從AutoCAD的圖形格式（＊.dwg）數(shù)據(jù)中提取地形高程（包括等高線和采樣點(diǎn)）等信息.針對航道研究范圍特點(diǎn)，在兩種基本數(shù)據(jù)采集模塊中加入了不規(guī)則范圍劃定與控制功能，即可以人工劃定大致的研究范圍，比如從Google Earth中提取地形高程和衛(wèi)星影像的界面如圖1和圖2所示.通過“飛向”按鈕，使Google Earth自動飛到指定的位置并顯示對應(yīng)的范圍，通過“整體提取”或“逐點(diǎn)提取”按鈕，就可以在Google Earth上提取指定間隔的地形高程數(shù)據(jù)和影像.系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前格點(diǎn)及其相鄰8個(gè)格點(diǎn)是否全在研究范圍以內(nèi)給予編號有效標(biāo)記，避免了大量無效格點(diǎn)被采集、計(jì)算和顯示.

圖1 從Google Earth中選擇范圍提取地形高程

圖2 選擇范圍的Google Earth影像

從Google Earth中提取的數(shù)據(jù)是按經(jīng)緯度給出的，優(yōu)點(diǎn)是地形高程范圍比較廣，可以和衛(wèi)星影像建立對應(yīng)關(guān)系，但精度較低，并且難以獲得水下數(shù)據(jù)，從AutoCAD中提取的數(shù)據(jù)是按高斯投影給出的，優(yōu)點(diǎn)是精度高，包含了水下地形數(shù)據(jù)，但存在著跨投影帶和分幅問題.因此需要坐標(biāo)系投影變換，系統(tǒng)提供選擇麥卡托投影、蘭博托投影和經(jīng)緯線投影3種投影變換方式，在人工劃定大致的研究范圍后，根據(jù)指定格距自動算出DEM的左下點(diǎn)坐標(biāo)和兩個(gè)方向上的格點(diǎn)數(shù)，并將提取的地形高程數(shù)據(jù)內(nèi)插到格點(diǎn)上.為了通用，內(nèi)插到格點(diǎn)上的DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用ArcGIS的ASCII格式（＊.asc），影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用圖像格式（＊.jpg）.

目前長江的1∶10 000地圖多個(gè)圖層的AutoCAD圖形格式（＊.dwg）數(shù)據(jù)如圖3所示，主要包括水系地形、河道堤防、用地類型和地名等數(shù)據(jù)，其中部分河段還是多達(dá)4次的不同年份數(shù)據(jù)，通過開發(fā)的程序?qū)⒌貓D數(shù)據(jù)按不同圖層轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的ASCII碼格式數(shù)據(jù).按高斯坐標(biāo)系給出的離散點(diǎn)和等值線高程格式如表1所示.由于高斯坐標(biāo)中還包含了投影帶編號信息，為了與其他數(shù)據(jù)統(tǒng)一并避免計(jì)算上溢出，在根據(jù)人工劃定大致的研究范圍計(jì)算DEM的左下點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)系統(tǒng)去掉了投影帶編號信息，并將提取的地形高程數(shù)據(jù)內(nèi)插到格點(diǎn)上.AutoCAD上的河道堤防和用地類型就以多邊形的方式存儲，地名是以標(biāo)注的方式給出的，每個(gè)地名可能分成幾組漢字都有自己的坐標(biāo)分開存儲，讀取后就需要進(jìn)行組合，并計(jì)算或指定出最合適的地名坐標(biāo).

圖3 長江某段1∶10 000的AutoCAD地圖

表1 高斯坐標(biāo)系下的離散點(diǎn)高程

1.2 水面仿真模塊對于水面仿真采用了3種可選擇方式來表示，第一種是不規(guī)則邊界內(nèi)的平靜水體表面加隨機(jī)函數(shù)波動來表示；第二種是不規(guī)則邊界內(nèi)的平靜水體表面與水面紋理結(jié)合來表示；第三種是不規(guī)則邊界內(nèi)的平靜水體表面加波浪函數(shù)來表示.其中不規(guī)則的邊界是人工劃定大致的研究范圍決定的，通過不規(guī)則三角網(wǎng)來構(gòu)成的水平區(qū)域一定大于河道的可能范圍但遠(yuǎn)小于流域范圍，平靜水位高度可以根據(jù)計(jì)算或觀測的實(shí)時(shí)徑流高度來確定，也可以根據(jù)地形人為輸入和調(diào)節(jié).為增強(qiáng)對于水面動態(tài)效果，在此基礎(chǔ)上增加的隨機(jī)函數(shù)或波浪函數(shù)依據(jù)可以選擇的子程決定，增加的水面紋理根據(jù)典型影象經(jīng)過處理后選擇使用.

1.3 三維流域顯示模塊“三維流域顯示”模塊為系統(tǒng)的主干模塊，主要功能為：

（1）提供了缺省的均勻或任意高程分層設(shè)色表和光照參數(shù)（泛射光、漫射光和鏡面光的光強(qiáng)及方向），利用流域地形數(shù)據(jù)制作真彩色地貌暈渲圖和假彩色地貌分色圖.

（2）可選擇紋理地面或暈渲地面作為流域地形底圖，紋理地面將已有彩色地貌暈渲圖作為三維地勢底圖，暈渲地面用當(dāng)前地形數(shù)據(jù)文件、高程分層設(shè)色表和光照參數(shù)實(shí)時(shí)生成.

（3）可自動選取初始水位高度顯示水面狀況，具有適當(dāng)?shù)某跏家暯呛托ЧO(shè)置，能自動三維漫游和導(dǎo)航圖控制，可調(diào)節(jié)三維水面高度、透視投影視角大小和方向及地勢比例效果.

（4）模擬不同水位下的長江航道可通航情況，實(shí)時(shí)顯示某個(gè)地點(diǎn)的水位高度、航道寬度和最大水深，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)航道的選擇與推薦，可以動態(tài)實(shí)時(shí)顯示河道地形的歷史變遷效果.

（5）可自動錄制屏幕或窗口大小的圖像及其索引文件，可設(shè)定最大文件數(shù)目和自動刪除.

在具有了DEM數(shù)據(jù)和不規(guī)則邊界內(nèi)的平靜水體表面高度后，就可以判斷線段之間的交叉來計(jì)算得到實(shí)際的河道水陸分界線，由于河道要能通航而成為航道，必須滿足一定的河道寬度和水深條件（如水深至少3.5m，河道寬度至少50m），通過計(jì)算滿足一定河道寬度和水深條件的連續(xù)DEM格點(diǎn)數(shù)就可以確定航道范圍，當(dāng)具有兩條以上可行河道時(shí)，可以選擇寬度大的河道為航道，從而可顯示實(shí)際水位高度、航道寬度和最大水深，并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)航道的選擇與推薦.

1.4 場景回放模塊“三維場景回放”模塊主要功能為：

（1）可交互選擇索引文件，自動或交互選擇播放圖像文件，可選擇回放場景窗口大小.

（2）自動推薦回放起點(diǎn)文件和終點(diǎn)文件，并可在索引文件表范圍內(nèi)交互選擇.

（3）可選擇正常播放、暫停、快進(jìn)、快退、慢進(jìn)、慢退，并自動顯示播放當(dāng)前文件名.

（4）支持符合規(guī)范的其他圖像文件回放.

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)效果

系統(tǒng)的“基本數(shù)據(jù)采集”模塊用Visual C＋＋對話框類開發(fā)而成，為了與Google Earth通信，需要在工程中加入Google Earth控件的應(yīng)用程序接口（aplication program interface，API）文件“googleearth.h”和“googleearth.cpp”［7］，在對話框類頭文件中先加入：

由于地圖窗口與Google Earth觀察窗口的大小和投影方式并不一致，為了得到Google Earth自動飛到經(jīng)度、緯度和高度與地圖窗口指定基本一致，需要自動反復(fù)計(jì)算，通過其中的AutoChangeHeight（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，主要程序如下：

AutoCAD數(shù)據(jù)的提取及其投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換與“三維流域顯示”、“水面仿真”和“三維場景回放”等模塊一樣用Visual C＋＋與圖形庫OpenGL開發(fā)而成，可以參見相關(guān)論文［6］.利用各種條件搜集到了長江部分河段的1∶10 000地圖，實(shí)現(xiàn)真實(shí)三維環(huán)境下的場景漫游、數(shù)據(jù)查詢和分析統(tǒng)計(jì)功能，可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)查詢并實(shí)時(shí)顯示分析結(jié)果，模擬不同水位下的長江航道可通航情況，實(shí)時(shí)顯示某個(gè)地點(diǎn)的水位高度、航道寬度和最大水深，可以動態(tài)實(shí)時(shí)顯示河道地形的歷史變遷效果，如圖4所示.

圖4 三維河道動態(tài)模擬系統(tǒng)

3 系統(tǒng)展望

目前在我國大多數(shù)地區(qū)從Google Earth中提取的地形高程分辨率比較低，而且未必有水下地形，河道的水下地形獲取已經(jīng)逐步實(shí)行數(shù)字化，可以不經(jīng)過AutoCAD成圖而直接處理生成三維模型，因此如果將Google Earth衛(wèi)星影像、全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）和水深儀實(shí)時(shí)測量等相結(jié)合，就可以為實(shí)時(shí)動態(tài)交互地可視化顯示三維河道地形，進(jìn)行航道演變分析，輔助航道規(guī)劃和疏浚工程提供可能.

［1］寧津生，陳俊勇，李德仁，等.測繪學(xué)概論［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2004.

［2］王金艷，黃永林，譚慧明，等.利用 ArcGIS生成水系密度的方法［J］.地理空間信息，2010，8（6）：101－102.

［3］蔡麗娟，劉偉達(dá).內(nèi)河礙航事故管理智能決策支持系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［J］.水運(yùn)工程，2010，448（12）：19－22.

［4］董炳江.內(nèi)河航道船模數(shù)模及其虛擬仿真系統(tǒng)初步研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2009.

［5］http：／／usa.autodesk.com／adsk／servlet／index？siteID＝123112＆id＝3566722，2011－06－01.

［6］朱英浩，張劍清，張祖勛.基于攝像機(jī)及線劃圖的網(wǎng)上三維場景［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2007（11）：227－230.

［7］Google Earth APIs.http：／／code.google.com／apis／earth／documentation／［EB／OL］.

Research of integration data of AutoCAD and Google Earth for three－dimensional river channel dynamic simulation system

ZHU Yinghao1，2，PANG Weixing3
（1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science（Wuhan University），Wuhan 430072，China；2.Center of Simulation，National Defence Information Academy，Wuhan 430010，China；3.Zhejiang Economic and Informational Technology Commission，Hangzhou 310007，China）

This paper achieved three－dimensional river channel dynamic simulation system with Visual C＋＋，integrated extract and fusion data of AutoCAD and Google Earth，dynamically simulate three－dimensional river channel of different period under different water level，run－time displayed width and maximal depth of river channel.

three－dimensional river channel；dynamic simulation；integration of system；Google Earth；AutoCAD

TP391.77；S126

A

1000－2375（2011）04－0470－05

2011－06－07

水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢大學(xué)）開放基金項(xiàng)目（2009B058）資助

朱英浩（1963－），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E－mail：yhzhu＠public.wh.hb.cn

（責(zé)任編輯 趙燕）