博鱼体育app博鱼体育app博鱼体育app在排水管网的管理和决策过程中，由于排水管网分布错综复杂，对于立体空间信息的获取和利用的要求较高，同时需要考虑大量的多源异构数据。排水管网模型作为排水系统管理和决策的重要工具，其现有的分析方法逐渐暴露出空间信息利用不足，多源异构数据耦合和解析能力较差，人机交互性差的问题。本次推文分享一种基于Unity3d Engine平台、排水管网模型、三维GIS技术以及三维可视化技术相结合的排水管网模型三维动态可视化技术方法。

　　三维地理场景主要通过采用三维GIS技术，根据地理位置的一致性，整合遥感影像数据、地面高程数据、地面三维建筑模型和排水管网三维实体模型，进行构建，从而为排水管网模型的三维动态可视化，提供场景支持。

　　其中，遥感影像数据根据地理位置的一致性，叠加至DEM数据，构建研究区域的三维地形。对于地面三维建筑模型，由于对于建筑物外观要求不高，主要侧重于整体轮廓的构建，通过对遥感影像数据，提取建筑物在地面的边界，同时根据建筑物高度，进行快速批量式构建。对于排水管网三维实体模型，根据管网的空间分布和属性数据，如节点的大小、埋深，管道的长度、管径、埋深等数据，进行快速批量式构建和手动优化建立。02 多源异构数据的存储和耦合

　　多源异构数据可以划分为结构化数据和非结构化数据。排水管网模型三维动态可视化涉及到的结构化数据主要包括管网属性数据、建筑物属性信息、模型输入数据和模拟结果。非结构化数据主要为遥感影像数据、DEM数据、图片等。

　　本研究在对结构化数据进行存储和耦合时，采用Microsoft SQL Server数据库对数据进行标准化、结构化博鱼体育app。数据库的操作主要包括数据的读和写，可以从外部文件读取管网属性数据、建筑物属性数据、模型输入数据和管网模拟结果，在数据库中存储，或者从数据库读取数据并将其转换为所需的格式。其中，对于管网属性数据和建筑物信息，通过在三维场景下获取对应对象的ID作为标识符，利用数据库查询方法，进行数据的读取和写入。对于模型输入数据，可以将其存储在数据库中，以在生成模型输入文件时进行调用、编辑和存储。对于模拟结果数据，可以将不同类型元素的时间序列数据，分别在数据库中以单个数据表的形式，根据时间信息的一致性进行数据之间的关联博鱼体育app。由于一个排水管网对象对应一组时间序列模型数据，通过在三维场景下获取排水管网中各对象的ID，作为标识符，可以在对象与数据库中对应的模拟结果之间建立联系。

　　对于非结构化数据采用文件的存储模式。通过三维环境中实体对象的标识符，对结构化数据与非结构化数据进行关联。03 三维动态可视化方法设计· 单一模型方案的三维动态可视化方法

　　主要包括管道、节点模型结果数据，以及受节点积水影响的地面建筑物的三维动态可视化。在本研究中，对于模型结果中管道、节点相关数据的三维可视化，主要采用在管网三维实体模型中填充三维水体对象的方法，具体如下。

　　（1）管道对象包括水位、水质、流速和流向数据的三维动态可视化。在各管道对象内填充水体对象，将水体对象的ID、大小和方向初始化设置为与管道相同。不同类型管道内的水体对象采用不同的基础颜色，作为区分。将水体对象的ID作为标识符，获取数据库中对应的模型数据。根据公式（1）~（3），通过限制水体对象的网格顶点颜色的绘制范围，可以将水位数据转化为管道内水位高度的变化，如图1所示。

　　在对水质进行三维动态可视化时，将采用颜色变换方法，主要在水体对象基础色的基础上，将数据转化为网格顶点颜色深浅的变化。对于水体对象局部坐标X方向上位置大于等于0的顶点，

　　式中，Yi表示水体对象顶点在Y方向上的位置；Y+min表示水体对象中顶点在X=0时的最小值；Y-min表示水体对象中顶点在X0时的最小值；dm表示管道三维实体模型的直径；d表示管道的实际直径；Realh表示模型结果中模拟的水位数据；

　　对于管道水体流向的三维动态可视化，通过获取管道的起止节点信息，用三维箭头的方式进行表示。这种信息一般可以从模型输入文件中获取，或者将其存入数据库中再进行调用。在每个管道内部生成一个大小适中的三维箭头，在（x，y，z）的方向初始化设置为与管道的旋转方向相同，中心位置位于管道中心点。根据管道对象在三维空间的标识符，在三维空间下搜索管道的起止节点对象，可以获取其X、Z方向上的位置。根据它们之间的矢量关系，改变箭头局部坐标的X方向，表示水体流向信息。如公式（3）和图2所示。对于流速的三维动态可视化，以箭头的长度和颜色表示流速的大小变化。

　　图2 节点流向三维动态可视化方法示意图（2）节点对象包括水位和水质数据的三维动态可视化，如图2所示。在节点实体内填充三维水体对象，ID、大小和方向初始化设置为与节点相同，并赋予模型结果数据。与管道相同，不同类型节点内的水体采用不同的基础颜色作为区分。根据公式4~7（公式7由公式4~6得出），将水位数据转化为节点内水面高度的上下动态变化。对节点水质数据进行可视化时，同样采用颜色转换方法，将数据转变为水体颜色深浅的变化形式，如图3所示。

　　式中，PipeNodeModelH表示节点三维实体模型的高度；PipeNodeRealH表示节点的实际高度；WaterModelh表示节点三维实体模型内水位高度；WaterRealh表示节点的水位模拟结果；YScaleMax表示节点内水体对象的最大比例；WaterModelH表示节点内水体对象的初始高度；Yscale表示节点内水体的比例.

　　对于受节点积水影响的地面建筑物的三维动态可视化，需要在计算可能的内涝区域时，实时交叉检测积水点是否在建筑物范围内。对于受影响建筑物，以高亮形式进行表示，从而获取受影响建筑物的空间分布情况。

　　对于不同模型方案的对比，本研究通过耦合多个方案数据，并采用多视图方式，同时进行三维动态可视化同步或异步分析。同步分析即为多个视图的视角同时改变，可以在同一视角下，同时比较不同方案下各个对象的数据变化情况。异步分析为多个视图的视角变化不同步，当鼠标进入视图的视野范围内时，该视图可以进行旋转、缩放操作，而对其他视图没有影响。可以以不同视角，对不同方案之间不同对象的数据变化情况进行比较分析。04 排水管网模型与三维动态可视化方法的耦合

　　目前已经形成了许多成熟的排水管网模型，包括SWMM、InfoWorks CS、Mike Urban等，可以分为商业型和开源型两类。对于商业型的模型软件，价格较高，源代码封闭，无法进行二次开发。只能与三维动态可视化方法进行松散式耦合时，通过编写数据接口，调取模型产生的结果。对于开源的模型软件，可以将源代码打包，嵌入到三维动态可视化方法中。通过调用模型中的计算模块和结果读取模块，实现三维动态可视化方法与排水管网模型的紧密耦合。

　　由于SWMM模型是一款免费开源的排水管网模拟软件，对于耦合其他方法，进行二次开发具有较好的适用性，因此，本研究选取SWMM模型与三维动态可视化方法进行耦合。将SWMM源代码打包成DLL文件，加载至Unity3d Engine平台中进行调用。按照SWMM输入文件的标准，可以在一定程度上编辑不同节，在三维环境下创建输入文件。或者读取外部的输入文件，通过选取排水管网对象，可以获取输入文件中对应的信息，进行数据的编辑、修改、存储操作。通过调用DLL中的计算模块，可以进行模型模拟。模拟完成以后，由于SWMM模型的输出结果文件为二进制文件，需要对其进行解析，通过调用DLL文件中的结果读取模块，并编写数据接口程序，提取不同类型元素的时间序列数据，包括管道、节点和汇水区，存储在数据库中。

　　降雨降落到地表进入管道，由于管道的承受能力，水体有可能由节点溢流。由于SWMM模型为一维水动力水质模型计算软件，无法利用节点的溢出水量，进行二维地表上的积水扩散计算。本研究采用有源淹没算法和种子蔓延算法，并结合地面建筑物信息，构建二维淹没算法，对SWMM模型进行优化。由于在本研究的SWMM模型中考虑了积水节点存在的回流因素，这里使用的积水量排除了回流水。实现过程如下。首先在发生积水的节点位置处，设置初始种子点的位置和水位。然后，以种子点为中心，在八个方向上依次搜索提取其周围点的高程值。根据水流的重力特性，将周围点的高程值与种子点的水位比较，同时对建筑物进行实时交叉检测。如果周围点的高程小于种子点水位，并且没有在建筑物的范围内，则将该点作为新的种子点，并标记为积水点。如果建筑物范围内的周围点高程小于种子点水位，则将该建筑物标记为受影响建筑物。依次进行循环，直至没有积水水量。最终获取受影响建筑物的时间序列信息，并存入数据库中。

　　05 结论通过耦合遥感影像数据、DEM、三维建筑物模型和三维管网实体模型，表现了管网对象在三维空间中的环境信息和分布特征，如图4所示。

　　在此基础上，对排水管网模型进行了紧密式耦合，并建立了二维淹没模拟方法，可以在三维环境下进行模型数据的编辑和模拟，如图5所示。

　　对多种类型模型结果，在管网三维实体模型内进行了三维动态可视化分析，如图6所示。

　　通过耦合不同降雨重现期下的模型数据，并同时进行动态可视化对比分析，可以在三维环境下以多角度方式直观比较各节点和管道在各个时刻水位和水质的不同，对于各水质标准的满足情况，以及满管流管道、积水节点、受溢流影响建筑物的空间分布差异，如图7所示。此外，可以直观结合管网的属性信息、三维空间信息以及其他相关数据，对排水管网运行状态进行系统性分析。

　　综上所述，本研究为解决模型分析过程中存在的上述问题，提高排水管网管理和决策支持效率，以及为二维分析方法向二、三维结合的方向转换和发展，提供了一种可行性理论和方法。