基于Unity3D的山洪淹没过程动态模拟

……………～………………一　ｊ　亳　……………一　基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的山洪淹没过程动态模拟　刘鑫毒　，张文富　，廖桂华　，林广发１，２，３　９张明锋“　。　（１福建师范大学地理科学学院福建福州３５０００７；　２福建省陆地灾害工程技术研究中心福建福州３５０００７；　３海西地理国情动态监测与应急保障研究中心福建福州３５０００７）　【摘要】本文分析了洪水淹没计算两种主要模型；基于给定水位的无源淹没模型，提出了动态模拟山洪演进的方　法，并利用如今最为流行的Ｕｎｉｔｙ３Ｄ游戏引擎对山洪演进情景过程进行模拟。实例表明，该方法实用性强，对防洪决策　具有重要意义。　【关键字】Ｕｎｉｔｙ３Ｄ；山洪；淹没过程；动态模拟　１引言　由于不同的环境下的致灾因子、孕灾环境、承灾体都会有　所不同，以及各种基础资料收集的困难较大，而且如今采用的　雨量筒判断和基于历史灾害记录总结的水位监测方法，尚缺乏　科学依据。由于上述原因，在山洪灾害的动态淹没范围过程的　模拟方面，还无法达到一个通用并且较为合理的依据，因此本　文采用假设模型，针对山洪灾害暴涨暴落、快速成灾的特点，最　大洪峰量、水流的最大速度与最高水位出现的时间基本一致Ｉ６］。　假设洪水从正常水位上升到最高水位洪峰量达到最大，并　且到达最高水位后，水位即开始下降。　２．２洪水演进规则　根据假设模型，洪水演进规则的模拟如Ｆ：　＝山洪灾害是如今我国自然灾害中造成人员伤亡和经济损　失较为严重灾种之一。山洪灾害多发生在交通不便、通信不畅　的偏远山区，具有突发性强、破坏力大、难预测等特点，其防御　工作一直是我国防汛工作的难点和薄弱环节【１］。采取虚拟现实　技术可对洪水演进过程进行动态仿真，能生动直观的表达不同　情景下的洪水动态演进过程，为防洪决策和防御预案工作提供　科学依据。　在洪水淹没模拟方面，许多学者做了深入的探讨和研究，　常静利用Ｓｋｙｌｉｎｅ开发平台构建了基于ＷｅｂＧＩＳ的洪水淹没三　维可视化系统闭；姜仁贵对给定洪水水位值和洪水量已知的两　种情况分别进行洪水淹没分析，并且对洪水淹没过程进行了三　维仿真ｐ】。本文介绍了洪水的淹没模型，并利用Ｕｎｉｔｙ３Ｄ游戏弓ｆ　擎对不同的洪水的演进情景过程进行模拟。　２洪水淹没模型　ＡＨ／△　Ａ／／／△　＋　木　（１）　（２）　（３）　（４）　＝＝　洪水淹没模型目前主要有两种：给定洪水水位条件下的淹　没模型和给定洪量条件下的淹没模型，其实后者是在基于水位　条件下淹没模型的基础上的改进。在洪水水位求解方法也主要　有两种方法：现状的洪水水位和来自水力一水文模型计算预测　结果的水位　利用水动力水文模型的计算结果来确定洪水淹没　区的水位，在给定时刻还随河段落差而不同ｔ４］。将给定水位近似　Ｈ　ｊ＝Ｈ　—ｖ　Ｔｊ　Ａ／／＝Ｈ　—Ｈｏ　（５）　其中，　ｔ和　分别表示洪水的水位的上升速度和下降速　度，巩为假设模型中的正常水位值，日　为最高水位值；水位上　升耗时为ＡＴＩ，水位下降耗时为△　；　的值取０至△　，　取０　至△　；△　表示洪水的淹没水位差。　地看作水平面来确定淹没范围，是一个求取淹没区的近似方　法，如果要更精确地确定淹没区则要考虑淹没过程的水动力学　模拟和水面形状变化问题。但在实际应用上，由于给定水位近　３　Ｕｎｉｔｙ３Ｄ游戏引擎　Ｕｎｉｔｖ３Ｄ由Ｕｎｉｔｙ　Ｔｅｅｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司开发的一款３Ｄ跨平台　似方法的实用性较强，能与受淹区现状数据较快地进行叠合分　析，而且经过实践证明，其准确性完全能够满足防洪抗洪工作　的实际需要，故具有较强的实际应用价值Ｈ。　给定水位的淹没模型又分为无源淹没和有源淹没两种主　要算法，无源淹没算法只要高程值与水位的关系，低于水位的　的专业商业游戏引擎，它能让用户轻松创建三维游戏、建筑漫　游、三维动画、三维视景仿真等３Ｄ游戏类项目。Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的跨平　台性可以让其游戏发布到Ｐｃ机、浏览器、移动设备、游戏机等　几乎所有常见平台上运行，极大程度地减少了移植开发时间。　Ｕｎｉｔｙ３Ｄ能够支持各种常见格式模型、贴图文件，轻松实现场景　地区即为受淹区，没有将地形的连通性考虑进去，因此计算较　渲染、碰撞检测、人机交互、界面设计、文件管理等等［７１。　为简单；而有源淹没则地表径流汇入而造成的淹没情况，因此　计算过程比较复杂Ｈ・５１。　鉴于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的各种优越性，本文选用该游戏引擎作为洪　水淹没演进动态模拟的平台。　４案例介绍　４．１研究区概述　以厦门茂林溪流域为例，研究区的范围介于东经１１８。６’　综合上述，本文采用计算简便且具有实际应用价值的方　法，即采用基于给定水位的无源淹没模型。　２．１模型假设　福建省科技厅产学研重大项目（２０１２Ｙ４００１）；福建省测绘地理信息局局校合作项目（２０１３Ｓ１７）。　２ｏ１５年第１期Ｉ福建电脑　・１７・　一　…堡…～皇…～壁　３．４多元化的课外教学手段。　ＵＪｉＡｍ　ＣＯＭＰＵＴ嚣张　讲台，大家一起讨论学习内容。再者像基于ｌｉｎｕｘ的教学内容我　们也可以采用讨论式的教学方式　。讲述、自学和讨论式教学　交替穿插进行的模式不仅可以使课堂教学有张有弛，还可以给　学生提供思考的空间和探索的机会，让从全部被动地接受知识　转换课堂的主角。这对激活学生的思维，培养独立自学能力和　质疑精神大有裨益。实践证明，这种模式取得了良好的教学效　果。　随着互联网的迅猛发展，我们应该逐步从传统的课堂教学　扩展到课堂、网络讨论和电子邮件等多元化结合的教学手段　。　充分利用学校教务处提供的网络教学平台和ＱＱ交流群，这样　非常便于任课老师和学生们在课外进行更深入的交流学习，及　时地解决学生们学习过程中遇到的各种问题。　４．考核体制改革　合理和科学的考核体制不仅教学工作的重要环节，更是引　３．２实例教学。操作系统原理课程包含很多抽象的概念。学　生们刚开始接触这些概念的时候，觉着非常晦涩难懂。例如在　进程管理中，进程是操作系统中极其重要的基本概念。教学过　导学生学习过程的重要手段。面向工程教育的需求，我们的考　核体制更加注重平时的学习过程。因此我们弱化最后的期末考　试，加强平时学习过程中学生的表现情况。新的考核体制中，期　末总评成绩有五部分组成，分别是考勤成绩、作业成绩、课堂练　习成绩、ｌｉｎｕｘ课堂讨论和期末考试成绩组成，而且期末考试成　绩只占到总评成绩的百分之五十。这虽然加大了任课教师平时　程中我们发现，如果只从概念上介绍进程的定义、状态和进程　控制块等，学生们印象里没有实物对应仍然会感觉非常抽象而　且难以理解。我们引入实例教学法。首先打开操作系统的任务　管理器，让学生看到当前系统正在运行的所有进程，立刻学生　就深刻感受到进程概念的真实存在。然后在讲解进程的概念　时，结合具体的ｌｉｎｕｘ的原理和源代码分析来讲述。通过介绍　ｌｉｎｕｘ的执行状态、可中断的睡眠状态、不可中断的睡眠状态、暂　停状态或跟踪状态、僵死态和死亡态六种状态以及进程状态变　迁图，学生可以更为深刻理解我们介绍的进程基本状态和状态　转换在我们操作系统中是真实存在的。对于进程控制块，我们　对应到ｌｉｎｕｘ中进程控制块的数据结构ｔａｓｋ—ｓｔｒｕｃｔ。所谓进程控　的工作量，但是很大程度避免了以往学生平时不认真学习，最　后期末死记硬背突击考试情况的发生。　５．总结　通过以“学生为本”的操作系统原理教学改革，提升学生的　学习兴趣和热情：通过更为规范的教学过程的实施，提高学生　的工程实践能力和创新能力。继而整体上提高我校计算机类专　业本科毕业生的整体培养质量，使我们的毕业生能够达到国际　化工程师的需求。　制块描述进程的当前情况以及控制进程运行的全部信息其实　本质上就是一个结构体的属性。通过这种具体化，形象化的教　学方式，学生们再也不会感觉进程概念抽象难懂，大大提高了　学习兴趣。　参考文献：　［１］汤小丹，粱红兵等　计算机操作系统（第三版）［Ｍ］．西安电子科技　大学出版社，２００７．　［２］李善平，季江民等　边干边学一ＬＩＮＵＸ内核指导［Ｍ］．浙江大学出　版社．２００８．　３．３作业改革。为了取得好的教学效果，单纯的依靠课堂教　学是完全不够的。尤其对于操作系统这种重要的课程，课前预　习和课后作业巩固课程教学效果的关键环节。以往我们的作业　主要由课后习题组成，经过几年的教学工作发现这已经远远不　能满足我们学生和教学工作的需求。以“学生为本”的教学改　革，也体现在课后作业的改革。一方面从本年开始，我们对课　后作业进行大刀阔斧的改革，重新编写每章的作业习题集　４１。　另一方面鉴于学生对自己未来规划的不同，有的学生希望本科　［３］梁红兵，汤小丹等．《计算机操作系统》学习指导与题解［Ｍ］．西安电　子科技大学出版社，２００８．　［４］季江民，徐宗元，严冰．操作系统考研辅导［Ｍ］．清华大学出版社，　２０１０　［５］赵华，张金泉，樊建聪．多元化教学方法在操作系统教学中的应用［Ｔ］　．计算机教育，第１５期，２０１３年．　毕业报考研究生，有的则希望直接进入工作岗位，我们也对我　们也对作业习题进行了模块化分类。每个作业题目都有一个类　别和难度等级，有些题目要求每位学生必须掌握，有些题目实　践性较强面向以后想从事工程开发的学生，有些题目则作为选　做题只面向希望报考研究生的学生。　作者简介：　刘真，女，博士，讲师，研究方向为数据可视化与可视分析，操作系　统教学。ｈｕｚｈｅｎ＠ｈｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　（上接第１８页）　５总结　学．２０１０．　本文综合分析了各种洪水淹没模型的实用性，采用了基于　［３］姜仁贵，解建仓，李建勋，李昊，李维乾．基于数字地球的洪水淹没分析　给定水位的无源淹没模型，利用了如今最为流行的Ｕｎｉｔｙ３Ｄ游　戏引擎对不同的洪水的演进情景过程进行模拟。旨在通过虚拟　可视化技术为山洪灾害防洪决策和防御预案工作提供科学依　据，从而降低山洪灾害所带来的损失。　参考文献：　［１］全国山洪灾害防治县级非工程措施项目（２０１０－２０１３年）建设管理工　作总结报告［Ｊ］．中国水利，２０１４，１８：１－１０．　［２］常静．基于ＷｅｂＧＩＳ的洪水淹没三维可视化技术研究［Ｄ］．郑州大　及仿真研究［Ｊ］．计算机工程与应用，２０１１，１３：２１９—２２２．　［４］刘仁义，刘南．一种基于数字高程模型ＤＥＭ的淹没区灾害评估方法　［Ｉ］．中国图象图形学报，２００１，０２：１８—２２＋１０４．　［５］祝红英，顾华奇，桂新，朱朝＠．基于ＡｒｃＧＩＳ的洪水淹没分析模拟及　可视化［Ｉ］．测绘通报，２００９，０５：６６—６８．　［６］陈俊明．基于情景模拟的小山洪灾害预警方法研究与系统实现［Ｄ］．　福建师范大学，２０１２．　［７］张明明．基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ虚拟校园漫游的研究与实现［Ｄ］．云南大学，　２０１４　２ｏ１５年第１期Ｉ福建电脑　・５３・