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虚拟现实场景中的三维时态 GIS 应用
唐海涛
河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京江苏（210098）
E-mail: tanghaitao@hhu.edu.cn
摘 要：GIS 在水文集成应用方面存在时态问题，水文要素的地理空间主要描述了水体的运
行环境，这些水文要素随着时间不断地变化，但传统的 GIS 侧重于空间数据与属性数据的
表达和分析，在时态性方面则比较欠缺，这就严重阻碍了两者之间的集成。因此系统采用“二
元结构 GIS”来解决这些问题，实现了模型与 GIS 的集成问题。本系统中包括地球和流域两
个场景，其中流域的两大基本要素是地形和河道。将 DEM 地形和河网表达在三维场景中，
通过读取连续时段的河网网格数据进行水流的动态演示，体现时态 GIS 的历史回溯性。
关键词：数字高程模型；河网；二元结构 GIS
1．引言
GIS 在水文集成应用方面存在时态问题，水文要素的地理空间主要描述了水体的运行
环境，这些水文要素随着时间不断地变化，但传统的 GIS 侧重于空间数据与属性数据的表
达和分析，在时态性方面则比较欠缺，这就严重阻碍了两者之间的集成。因此系统采用“二
元结构 GIS”来解决这些问题。
系统中包括地球和流域两个场景，其中流域的两大基本要素是地形和河道。本文以长
江澄通段的河道及其周围的地形和沿渡河附近的地形为主要对象，利用三维可视化技术将
DEM 地形和河网表达在三维场景中，对流域三维可视化虚拟场景构建及动态演示进行研究，
着重探讨地形的相关处理和河道水流的模拟演示的解决方法。在二元结构 GIS 中模型对象
负责计算流场数据，河流 GIS 对象负责描述对水流的表达。系统在 VC++ 结合
OpenSceneGraph 构建的三维可视化虚拟场景中通过读取连续时段的河网网格数据直观的表
达了水流的运动过程。同时实现了对地形任意点的位置查询和不同时刻河流各网格点的水
位、流速和流向的查询等功能。
2. OpenSceneGraph介绍
OpenSceneGraph （以下简称 OSG）是开源的，跨平台的图形开发库，它可以用来开
发高性能的图形应用，例如飞行模拟、游戏、虚拟现实和科学可视化等。基于场景图的概念，
它提供了建立在 OpenGL 之上的面向对象的框架，使开发者从实现和优化低层次图形调用中
解放出来，还提供了很多用于快速开发图形应用的额外实用库。
OSG包含了一系列的开源图形库，主要为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形
渲染优化的功能。它使用可移植的ANSI C++编写，并使用已成为工业标准的OpenGL底层渲
染API。因此，OSG具备跨平台性，可以运行在Windows，Mac OSX和大多数类型的UNIX
和Linux操作系统上。
3. 三维场景构建
3.1 地球场景的构建
数字流域建设的基础层是建立流域可视化基础信息平台，首先需要对流域场景进行三维
可视化虚拟仿真模拟。利用三维可视化技术对流域地理空间进行三维描述，创建一个直观地
