CN111145350B - 一种洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示方法，成果数据基于不规则四边形网格获得，包括：1，筛选有效网格数据并获取有效网格的属性数据；2，计算边元中心点和网格顶点的高程值；3，生成平面和空间三角地形网格；4，基于平面三角网格，对DOM数据切片并拉伸映射至空间三角网格形成空间三角网格的三维地形影像场景；5，计算边元中点和网格顶点的水位值；6，生成水位的空间三角网格；7，将步骤3中的空间三角网格生成为3DTile格式的数据，与步骤4中的DOM影像切片一起在Cesium中渲染地形影像场景；8，将间隔时间序列上步骤6中的水位空间三角网格进行纹理贴图和拉伸，进行动态渲染。本发明准确度高，可视化效果好，比较符合实际情况。

Description

一种洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示方法

技术领域

本发明属于防洪减灾技术领域，特别涉及一种洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示方法。

背景技术

洪水波严格意义上是一个三维的运动发展过程，欧拉方程较好地描述了其时空变化的规律，但三维洪水运动的模拟计算流程求解异常复杂，模型计算工作量大，过程数据量庞大，防洪减灾领域实际应用较少。考虑洪水成灾特点，实际工作中，平面二维的洪水运动发展模拟计算是主流，但平面二维洪水运动的展示效果不甚理想。实际工作中，为生动形象表现其过程，常采用的方式是：先采用二维水动力模型进行模拟计算，再搭建空间三维场景，最后将二维模拟计算成果的淹没水深等数据在三维场景中渲染展示。

平面二维洪水运动发展主要是基于二维浅水运动方程(N-S方程)求解，二维水动力模型的基础是地形的概化，即生成地形网格文件。在网格文件的制作中，网格类型包括结构网格和非结构网格，非结构网格中又分不规则三角网格、不规则四边形网格，以及混合网格等，其中不规则四边形网格对地形的概化较为灵活，是最常用的网格类型之一，应用范围广。

三维场景中，如何结合二维洪水风险分析的不规则四边形网格地形和模拟计算成果中的淹没水深数据进行洪水动态渲染，一直是本领域研究的重点。

二维洪水模拟分析中，不规则四边形网格的采用，虽能较好的概化地面情况，同时一定程度上还减少了计算量，但不规则四边形网格对于地形的概化也有其局限性。现有技术中，简单地将含高程信息的平面二维网格进行地形抬伸，使得网格边界地形高低起伏过于突兀，叠加洪水淹没水深数据后，网格边角锯齿过于明显，准确度低，可视化效果差，因而不符合实际情况，如图1所示，纹理贴图后可视化效果依然较差。

发明内容

现有技术中，简单地将含高程信息的平面二维网格进行地形抬伸，使得网格边界地形高低起伏过于突兀，叠加洪水淹没水深数据后，网格边角锯齿过于明显，准确度低，可视化效果差，因而不符合实际情况。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示方法，通过分别对基于不规则四边形网格洪水风险分析成果数据的地形和水位进行平面三角分解和空间三角重构，叠加高清正射影像DOM，渲染地形和洪水淹没场景，通过连续加载空间三维的三角水位数据，达到动态渲染展示的效果，准确度高，可视化效果好，比较符合实际情况。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示方法，所述洪水风险分析成果数据基于不规则四边形网格的二维水动力模型计算获得，其特点是包括以下步骤：

步骤1，读取二维水动力模型计算得到的不规则四边形网格原始矢量数据，筛选并保留含淹没水深值的有效网格数据，获取每个有效网格的属性数据；，所述属性数据包括网格中心点坐标、高程、边元编号、顶点编号、水位、淹没水深；

步骤2，针对每一个有效网格，连接网格中心点与网格全部边元的中点，计算中心点与边元中点连线的平面距离，根据边元所属的网格高程，采用距离加权平均的方法，计算边元中心点的高程值；对网格顶点，计算共用该顶点的每一个网格内由网格中心点、边元中点和顶点构成的四边形的面积，采用面积加权平均的方法，计算顶点的高程值；

步骤3，根据全部的网格中心点、边元中点和网格顶点平面坐标，生成平面三角网格，同时根据网格中心点、边元中点和网格顶点高程，生成空间三角网格；

步骤4，基于生成的平面三角网格，对DOM数据进行切片，对切片后的DOM数据拉伸映射至空间三角网格形成空间三角网格的三维地形影像场景；

步骤5，根据二维水动力模型计算得到的网格水位值和步骤2中的网格中心点与边元中点连线的平面距离，采用距离加权平均的方法，计算边元中点的水位值；对网格顶点，根据共用该顶点的网格的水位值和步骤2中的网格中心点、边元中点和顶点构成的四边形面积，采用面积加权平均的方法，计算网格顶点水位值；

步骤6，根据全部的网格中心点、边元中点和网格顶点水位，生成水位的空间三角网格；

步骤7，将步骤3中地形的空间三角网格生成为3DTile格式的数据，与步骤4中的DOM影像切片一起在Cesium中渲染地形影像场景；

步骤8，将间隔时间序列上步骤6中的水位空间三角网格进行纹理贴图和拉伸，在Cesium中的三维场景中进行动态渲染。

作为一种优选方式，所述步骤2中，

边元中心点的高程值计算方法包括：

以有效网格的边元编号为序，搜索其对应的网格数量p，p为整数且1≤p≤2；

当p＝1时，连接网格中心点和边元中点，计算连线的平面距离，边元中点高程即取网格高程；当p＝2时，分别连接两个网格中心点与边元中点，并计算其平面距离，边元中点高程根据两个网格高程，采用两条连线的距离加权平均赋值；将以上p＝1或p＝2两种情况的边元中点高程统一表达为：

其中，H_nx为边元中点高程；j为变量，代表在网格数量p中的序号；L_j为第j个网格中心点与边元中点的距离；H_j为第j个网格的高程；

顶点的高程值计算方法包括：

以有效网格的顶点编号为序，搜索其对应的网格数量k，k为整数且k≥1，网格顶点高程根据对应的网格高程，采用共用该顶点的每一个网格内由网格中心点、边元中点和顶点构成的四边形面积加权平均赋值，表达式如下：

其中，H_ny为网格顶点高程；i为变量，代表顶点对应的k个网格内的序号；k为顶点对应的网格数量；H_i为顶点对应的k范围内第i个网格的高程；F_i为顶点对应的k范围内第i个网格的面积。

作为一种优选方式，所述步骤5中，

边元中点的水位值计算公式为：

其中，Z_nx为边元中点的水位；j为变量，代表在网格数量p中的序号；L_j为第j个网格中心点与边元中点的距离；Z_j为第j个网格的水位值；

网格顶点水位值计算公式为：

其中，Z_ny为网格顶点水位；i为变量，代表顶点对应的k个网格内的序号；k为顶点对应的网格数量；Z_i为顶点对应的k范围内第i个网格的水位；F_i为顶点对应的k范围内第i个网格的面积。

与现有技术相比，本发明提出了一种基于不规则四边形网格洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示方法，通过对不规则四边形网格地形进行加工处理，分别构建相应平面二维和空间三维三角地形网格，叠加DOM影像数据，生成空间三维三角网格地形影像场景，并基于不规则四边形网格洪水淹没水位数据，经数据加工处理，构建相应空间三维三角网格水位场景，最终将间隔时间序列上的空间三维水位数据通过纹理贴图的方式，实现洪水淹没的三维动态渲染展示，解决了二维不规则四边形网格洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示问题，准确度高，可视化效果好，比较符合实际情况。

附图说明

图1为利用现有方法得到的不规则四边形网格地形渲染效果图。

图2为本发明平面三角网格生成示意图。

图3为边元中点与网格顶点高程赋值及水位赋值示意图。

图4为含淹没水深值的有效不规则四边形网格筛选示意图。

图5为网格中心点与边元中点距离计算结果示意图。

图6为网格边元中点高程距离加权赋值示意图。

图7为网格顶点高程面积加权赋值示意图。

图8为基于不规则四边形网格重构后的空间三角网格示意图。

图9为DOM影像切片拉伸后的空间三角网格局部地形图。

图10为边元中点水位赋值示意图。

图11为网格顶点水位赋值示意图。

图12为基于不规则四边形网格水位数据的局部空间三角网格水位渲染图。

图13为洪水动态渲染前后时间步对比展示图。

具体实施方式

平面二维洪水运动发展过程的模拟计算成果，如何在三维场景中直观形象展示，是本专利要解决的主要技术问题。本发明通过分别对基于不规则四边形网格洪水风险分析成果数据的地形和水位进行平面三角分解和空间三角重构，叠加高清正射影像DOM，渲染地形和洪水淹没场景，通过连续加载空间三维的三角水位数据，达到动态渲染展示的效果，准确度高，可视化效果好，比较符合实际情况。如图2所示，分别连接平面不规则四边形的中心点与其所属的全部边元中点及网格顶点，生成平面三角网格。如图3所示，分别计算网格中心点和边元中点连线的距离，以及顶点、边元中点(2个)、网格中心点围成的面积，分别采用距离加权平均和面积加权平均的方法，对边元中点和网格顶点的高程和水位，分别赋值。

下面结合具体计算实例对本发明作进一步的阐述。

一种基于不规则四边形网格洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示方法，包括以下步骤：

步骤1，读取二维水动力模型计算得到的不规则四边形网格原始矢量数据，筛选并保留含淹没水深值的有效网格数据，获取每个有效网格的属性数据；所述属性数据包括中心点坐标、高程、边元编号、顶点编号、水位、淹没水深等；水位Z＝高程H+水深h，见图4。

不规则四边形网格原始矢量数据列表见表1：

表1不规则四边形网格原始矢量数据

步骤2，针对每一个有效网格，连接网格中心点与网格全部边元的中点，计算中心点与边元中点连线的平面距离，根据边元所属的网格高程，采用距离加权平均的方法，计算边元中心点的高程值；对网格顶点，计算共用该顶点的每一个网格内由网格中心点、边元中点和顶点构成的四边形的面积F_i，采用面积加权平均的方法，计算顶点的高程值。

具体地，边元中心点的高程值计算方法包括：

以有效网格的边元编号为序，搜索其对应的网格数量p，p为整数且1≤p≤2；

当p＝1即边元对应1个网格时，连接网格中心点和边元中点，计算连线的平面距离，由于P＝1，边元中点高程即取网格高程；当p＝2即边元对应2个网格时，分别连接两个网格中心点与边元中点，并计算其平面距离，边元中点高程根据两个网格高程，采用两条连线的距离加权平均赋值；将以上p＝1或p＝2两种情况的边元中点高程统一表达为：

其中，H_nx为边元中点高程，单位为m；j为变量，代表在网格数量p中的序号；L_j为第j个网格中心点与边元中点的距离，单位为m；H_j为第j个网格的高程，单位为m；

顶点的高程值计算方法包括：

以有效网格的顶点编号为序，搜索其对应的网格数量k，k为整数且k≥1，网格顶点高程根据对应的网格高程，采用共用该顶点的每一个网格内由网格中心点、边元中点和顶点构成的四边形面积加权平均赋值，表达式如下：

其中，H_ny为网格顶点高程，单位为m；i为变量，代表顶点对应的k个网格内的序号；k为顶点对应的网格数量；H_i为顶点对应的k范围内第i个网格的高程，单位为m；F_i为顶点对应的k范围内第i个网格的面积，单位为m²。

网格中心点与边元中点距离计算结果如图5所示，边元中点高程赋值如图6所示，网格顶点高程赋值如图7所示。

步骤3，根据全部的网格中心点、边元中点和网格顶点平面坐标，生成平面三角网格，同时根据网格中心点、边元中点和网格顶点高程，生成空间三角网格。

空间三角网格如图8所示。

步骤4，基于生成的平面三角网格，对DOM数据进行切片，对切片后的DOM数据拉伸映射至空间三角网格形成空间三角网格的三维地形影像场景，如图9所示。

步骤5，与步骤2)同理，根据二维水动力模型计算得到的网格水位值和步骤2中的网格中心点与边元中点连线的平面距离，采用距离加权平均的方法，计算边元中点的水位值；对网格顶点，根据共用该顶点的网格的水位值和步骤2中的网格中心点、边元中点和顶点构成的四边形面积，采用面积加权平均的方法，计算网格顶点水位值。

具体地，边元中点的水位值计算公式为：

其中，Z_nx为边元中点的水位，单位为m；j为变量，代表在网格数量p中的序号；L_j为第j个网格中心点与边元中点的距离，单位为m；Z_j为第j个网格的水位值，单位为m；

网格顶点水位值采用面积加权平均赋值，计算公式为：

其中，Z_ny为网格顶点水位，单位为m；i为变量，代表顶点对应的k个网格内的序号；k为顶点对应的网格数量；Z_i为顶点对应的k范围内第i个网格的水位，单位为m；F_i为顶点对应的k范围内第i个网格的面积，单位为m²。

边元中点水位赋值如图10所示，网格顶点水位赋值如图11所示。

步骤6，根据全部的网格中心点、边元中点和网格顶点水位，生成水位的空间三角网格，如图12所示。

步骤7，将步骤3中地形的空间三角网格生成为3DTile格式的数据，与步骤4中的DOM影像切片一起在Cesium中渲染地形影像场景。

步骤8，将间隔时间序列上步骤6中的水位空间三角网格进行纹理贴图和拉伸，在Cesium中的三维场景中进行动态渲染，如图13所示。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示方法，所述洪水风险分析成果数据基于不规则四边形网格的二维水动力模型计算获得，

其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，读取二维水动力模型计算得到的不规则四边形网格原始矢量数据，筛选并保留含淹没水深值的有效网格数据，获取每个有效网格的属性数据，所述属性数据包括网格中心点坐标、高程、边元编号、顶点编号、水位、淹没水深；

步骤2，针对每一个有效网格，连接网格中心点与网格全部边元的中点，计算中心点与边元中点连线的平面距离，根据边元所属的网格高程，采用距离加权平均的方法，计算边元中心点的高程值；对网格顶点，计算共用该顶点的每一个网格内由网格中心点、边元中点和顶点构成的四边形的面积，采用面积加权平均的方法，计算顶点的高程值；

步骤3，根据全部的网格中心点、边元中点和网格顶点平面坐标，生成平面三角网格，同时根据网格中心点、边元中点和网格顶点高程，生成空间三角网格；

步骤4，基于生成的平面三角网格，对DOM数据进行切片，对切片后的DOM数据拉伸映射至空间三角网格形成空间三角网格的三维地形影像场景；

步骤5，根据二维水动力模型计算得到的网格水位值和步骤2中的网格中心点与边元中点连线的平面距离，采用距离加权平均的方法，计算边元中点的水位值；对网格顶点，根据共用该顶点的网格的水位值和步骤2中的网格中心点、边元中点和顶点构成的四边形面积，采用面积加权平均的方法，计算网格顶点水位值；

步骤6，根据全部的网格中心点、边元中点和网格顶点水位，生成水位的空间三角网格；

步骤7，将步骤3中地形的空间三角网格生成为3DTile格式的数据，与步骤4中的DOM影像切片一起在Cesium中渲染地形影像场景；

步骤8，将间隔时间序列上步骤6中的水位空间三角网格进行纹理贴图和拉伸，在Cesium中的三维场景中进行动态渲染。

2.如权利要求1所述的洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示方法，其特征在于，所述步骤2中，

边元中心点的高程值计算方法包括：

以有效网格的边元编号为序，搜索其对应的网格数量p，p为整数且1≤p≤2；

当p＝1时，连接网格中心点和边元中点，计算连线的平面距离，边元中点高程即取网格高程；当p＝2时，分别连接两个网格中心点与边元中点，并计算其平面距离，边元中点高程根据两个网格高程，采用两条连线的距离加权平均赋值；将以上p＝1或p＝2两种情况的边元中点高程统一表达为：

其中，H_nx为边元中点高程；j为变量，代表在网格数量p中的序号；L_j为第j个网格中心点与边元中点的距离；H_j为第j个网格的高程；

顶点的高程值计算方法包括：

以有效网格的顶点编号为序，搜索其对应的网格数量k，k为整数且k≥1，网格顶点高程根据对应的网格高程，采用共用该顶点的每一个网格内由网格中心点、边元中点和顶点构成的四边形面积加权平均赋值，表达式如下：

其中，H_ny为网格顶点高程；i为变量，代表顶点对应的k个网格内的序号；k为顶点对应的网格数量；H_i为顶点对应的k范围内第i个网格的高程；F_i为顶点对应的k范围内第i个网格的面积。

3.如权利要求1或2所述的洪水风险分析成果数据的三维动态渲染展示方法，其特征在于，所述步骤5中，

边元中点的水位值计算公式为：

其中，Z_nx为边元中点的水位；j为变量，代表在网格数量p中的序号；L_j为第j个网格中心点与边元中点的距离；Z_j为第j个网格的水位值；

网格顶点水位值计算公式为：

其中，Z_ny为网格顶点水位；i为变量，代表顶点对应的k个网格内的序号；k为顶点对应的网格数量；Z_i为顶点对应的k范围内第i个网格的水位；F_i为顶点对应的k范围内第i个网格的面积。

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