虛擬流域技術(shù)及其在數(shù)字湖泊工程中的應(yīng)用.pdf

1、隨著對(duì)水利工程建設(shè)和流域水資源管理要求的不斷提高，水資源管理決策支持系統(tǒng)正朝著智能化、可視化的方向發(fā)展，水資源管理決策支持理論是集系統(tǒng)工程學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)和空間信息科學(xué)等多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域，通過對(duì)工程數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)模型和高維信息的虛擬可視化進(jìn)行有效集成，可以直觀的展示實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果、充分揭示不同條件下水動(dòng)力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，為流域水資源和水利工程管理提供有效的數(shù)據(jù)支撐和智能決策。在基于虛擬流域的水資源決策支持系統(tǒng)中，流體仿真具有非常重要的地

2、位。逼真的流體不但可以增加仿真的真實(shí)感，而且可以耦合后臺(tái)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，充分表征如淹沒范圍、水位、水深、流速等動(dòng)態(tài)水流流態(tài)及其響應(yīng)機(jī)制。然而，基于物理的流體計(jì)算具有高維度、非線性等特點(diǎn)，在實(shí)施大面積流域仿真的過程中，其計(jì)算復(fù)雜度呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，如何構(gòu)建虛擬流域仿真中高效求解計(jì)算框架，充分挖掘計(jì)算資源、實(shí)現(xiàn)軟硬件混合并行加速計(jì)算，已成為流域仿真和水資源管理決策支持系統(tǒng)中亟需解決的科學(xué)問題和技術(shù)瓶頸。另一方面，由于流域水資源是一類受多種因

3、素影響的復(fù)雜系統(tǒng)，且流域水資源管理決策過程涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、水文、水動(dòng)、水工和生態(tài)等多個(gè)領(lǐng)域，具有海量的異構(gòu)數(shù)據(jù)，擁有氣象、水文、洪水、評(píng)價(jià)等多種專業(yè)模型，當(dāng)前大多系統(tǒng)雖然已經(jīng)對(duì)各個(gè)專業(yè)模型構(gòu)建了基本的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，但是由于當(dāng)前水資源管理決策多系統(tǒng)集成理論的滯后，各個(gè)系統(tǒng)之間存在信息孤島，數(shù)據(jù)冗余且難以交互，各個(gè)業(yè)務(wù)之間無法進(jìn)行協(xié)同計(jì)算，從而導(dǎo)致水資源管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)無法高效準(zhǔn)確的應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中，因此，探究水資源管理系統(tǒng)的多業(yè)務(wù)柔性集成方法

4、，構(gòu)建具有高度可擴(kuò)展性的綜合異構(gòu)數(shù)字仿真平臺(tái)，充分實(shí)現(xiàn)水資源合理優(yōu)化高效配置、提供決策支持服務(wù)，是當(dāng)前水利工程建設(shè)和管理過程中迫切需要解決的問題，具有非常重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價(jià)值。
　　本文圍繞軟硬件混合并行虛擬流域仿真的高效求解及在水利工程中的應(yīng)用問題，以國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃課題和水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)等研究任務(wù)為依托，在充分研究了流體仿真的基本原理、基于軟硬件混合并行加速的原理和實(shí)現(xiàn)框架基礎(chǔ)上、提出了虛擬流

5、域仿真數(shù)字平臺(tái)的構(gòu)建理論和方法，建立了基于流體仿真的虛擬流域綜合數(shù)字平臺(tái)體系，實(shí)現(xiàn)了大型湖泊海洋的多維信息可視化，并將相關(guān)研究成果應(yīng)用到實(shí)際水利工程項(xiàng)目之中，為我國(guó)水利工程運(yùn)行管理人員提供了有效的理論與技術(shù)支持。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　（1）針對(duì)基于物理的流體仿真求解耗時(shí)的難題，重點(diǎn)探討了光滑粒子動(dòng)力學(xué)方法（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）流體仿真問題，提出了一種改進(jìn)的最近鄰

6、居粒子搜索算法，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和空間相關(guān)的最近鄰居粒子搜索，顯著提高了搜索的效率。采用CUDA（Compute Unified Device Architecture）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了SPH改進(jìn)算法的硬件并行加速，顯著提高了仿真的速度，滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的需要。
　?。?）基于物理的流體仿真主要應(yīng)用在小規(guī)模、小尺度范圍地形上，為了實(shí)現(xiàn)大范圍地形上、大尺度流域仿真，提出了基于CUDA架構(gòu)的Bézier曲線和流線法向貼圖的河流仿真方法。該方法使用四邊

7、形對(duì)河流流域進(jìn)行劃分，采用Bézier曲線描述河流的走向，把河流區(qū)域的像素投射在曲線上執(zhí)行渲染。在保證逼真渲染效果的同時(shí)，顯著提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，能滿足復(fù)雜河網(wǎng)情況下的河流實(shí)時(shí)仿真。
　?。?）基于頻譜統(tǒng)計(jì)海洋模型，在考慮風(fēng)速、風(fēng)向等風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)波浪形態(tài)的影響下，首次實(shí)現(xiàn)了基于 CUDA和 Phillips海浪譜的大面積流域仿真方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)湖泊和海洋的精細(xì)化模擬。同時(shí)，針對(duì)一般仿真系統(tǒng)集成度不高，開發(fā)時(shí)間過長(zhǎng)等問題，提出了綜合C

8、++/CLI技術(shù)、OpenSceneGraph(OSG)和頻譜模型的COSG三維數(shù)字湖泊仿真快速開發(fā)方法，并將其應(yīng)用到了實(shí)際工程應(yīng)用中。同時(shí)深入分析湖泊和海洋水面波長(zhǎng)的不同特征，針對(duì)當(dāng)前基于CUDA的湖泊仿真中未考慮波長(zhǎng)影響的不足，提出了一種綜合投影網(wǎng)格和改進(jìn)Perlin噪聲方法的改進(jìn)數(shù)字湖泊仿真方法，解決了基于CUDA的高效湖泊仿真計(jì)算問題。
　　（4）在上節(jié)提出的COSG三維數(shù)字湖泊的快速開發(fā)方法基礎(chǔ)上，結(jié)合水動(dòng)力學(xué)分布式湖流

9、計(jì)算模型和水質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)生流場(chǎng)的三維仿真和水質(zhì)污染擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)展示。為解決虛擬流域仿真和水資源管理決策支持系統(tǒng)的中多業(yè)務(wù)協(xié)同和信息交互的實(shí)際問題，提出了基于COSG和松耦合模型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字流域平臺(tái)框架構(gòu)建理論與方法，構(gòu)建了大東湖虛擬城市湖泊數(shù)字化平臺(tái)，并應(yīng)用于大東湖水網(wǎng)調(diào)度實(shí)際工程中。
　?。?）針對(duì)大范圍地形上基于物理流體的流域仿真建模中實(shí)時(shí)仿真面臨的計(jì)算資源瓶頸，提出了基于水動(dòng)力學(xué)模型和 GIS組動(dòng)畫技術(shù)的三維洪水演進(jìn)可視