一种描述湿地植被生态水文响应的三维可视化装置及方法

摘要

一种描述湿地植被生态水文响应的三维可视化装置及方法，数据库与输入模块连接接收并存储地物分布数据；纹理编辑模块和生态水文模型控制模块分别与数据库连接接收地物分布数据并存入三维可视化计算模块，生成并输出植被纹理数据；生态水文模型控制模块接收生态水文模型，生成并输出生态水文模型数据；数据库接收植被纹理数据和生态水文模型数据，建立植被纹理和生态水文模型的数据信息；三维可视化计算模块与数据库连接，接收植被纹理和生态水文模型的数据信息并进行栅格计算，生成并输出每个网格结点的植被类型、植被高度以及该群落的植被密度；显示模块与三维可视化计算模块连接，对植被类型、植被高度以及该群落的植被密度进行植被三维可视化。

说明书

技术领域

本发明属于水资源管理、生态环境保护与湿地恢复技术领域，具体涉及一种描述湿地植被生态水文响应的三维可视化方法，特别是基于可视化技术的湿地生态系统管理决策支持与湿地生态水文科普教育。

背景技术

近年来湿地的保护与恢复成为改善生态环境的一项重要途径，而在具体的实施过程中需要了解湿地植被的生态水文响应。传统的方法从模型、统计的角度分析生态水文响应，预测水文环境对湿地植被的生理生态影响。传统的方法输出结果表现为数字或二维尺度的图件，缺乏形象的描述。一些动画技术虽然具备可视化的形式却缺乏定量的生态水文响应机理，无法提供具有明确物理意义的描述。

因此有必要开发出一种新型实用的方法，综合生态水文响应机理与三维可视化表现形式，对湿地植被的生态水文响应进行三维可视化表达。特别是对于一些不具备专业知识的决策者和中小学生来说，定量的、三维的、可视化的湿地植被生态水文响应描述将更有助于他们理解水文环境对湿地植被的影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于通过三维可视化的形式准确地描述湿地植被的生态水文响应，解决当前方法在描述湿地植被生态水文响应时无法兼顾定量化与形象化的问题，为此，本发明提供一种描述湿地植被生态水文响应的三维可视化装置及方法。

为达成所述目的，本发明的第一方面是提供一种描述湿地植被生态水文响应的三维可视化装置，该装置的技术方案包括：输入模块、纹理编辑模块、数据库、控制模块、三维可视化计算模块和显示模块，其中：

数据库与输入模块连接，数据库接收输入模块输出的地物分布数据，并以二进制的形式存储在数据库中；输入模块对地物分布数据中的地下水埋深的钻孔数据进行双克里金方法(DK)插值，生成与数字高程模型网格大小、范围一致的地下水埋深格网；输入模块通过基于数字高程模型的洪水淹没模拟，利用洪水淹没模型模拟得到无源淹没或有源淹没情况下的地表水深；

纹理编辑模块和控制模块分别与数据库连接，纹理编辑模块从数据库接收地物分布数据并存入三维可视化计算模块，对植被纹理进行编辑，生成并输出植被纹理数据；控制模块从数据库提取生态水文模型，并通过控制模块实现模型编辑，生成并输出生态水文模型的数据；数据库接收并建立植被纹理数据和生态水文模型的数据信息；所述生态水文模型形式表现为：H＝f(gwd，swd，GWD_i，SWD_i，H_i)；D＝f(gwd，swd，GWD_i，SWD_i，D_i)，其中H、D分别表示植被高度和群落密度，gwd、swd为当前环境下的地下水埋深和地表水深，GWD_i、SWD_i为第i种情况下的地下水埋深和地表水深，H_i、D_i为该i种情况下的植被高度和群落密度；对选择的不同植被建立模型数组，模型编号与植被在数据库中的顺序一致

三维可视化计算模块与数据库连接，三维可视化计算模块接收植被纹理和生态水文模型的数据信息并进行栅格计算，生成并输出每个网格结点的植被类型、植被高度以及该群落的植被密度；

显示模块与三维可视化计算模块连接，显示模块根据三维可视化计算模块输出的植被类型、植被高度以及该群落的植被密度进行植被三维可视化。

为达成所述目的，本发明的第二方面是提供使用描述湿地植被生态水文响应的三维可视化装置的三维可视化方法，该方法的步骤如下：

步骤S1：以文件的形式读入数字高程模型、地下水埋深钻孔数据、植被分布矢量数据；对地下水埋深钻孔数据进行双克里金方法(DK)插值，生成与数字高程模型网格大小、格网范围一致的地下水埋深格网；利用洪水淹没模型模拟得到无源淹没或有源淹没情况下的洪水淹没范围和地表水深；

步骤S2：根据植被分布矢量数据，建立植被分布矢量数据的数据库；

步骤S3：从数据库中选定需要建立生态水文模型的植被，根据所选择植被在不同地下水埋深、地表水深情况下的植被高度、群落密度建立其生态水文模型；

步骤S4：从数据库中选择需要三维可视化的植被，然后通过文件的形式为各种植被选择其对应的纹理图像，建立纹理数组，纹理编号与植被在数据库中的顺序一致；利用Adobe Photoshop软件对纹理图像进行处理，然后输出为位图格式的纹理数据；

步骤S5：首先建立需要三维可视化的植被编号数组，植被编号与其在数据库中的顺序一致，并结合植被分布矢量数据对数字高程模型上网格结点与植被分布范围进行拓扑分析，获得拓扑分析结果，则根据拓扑分析结果判断数字高程模型上每个网格结点的植被编号，如果网格结点在当前植被分布范围内，把该网格结点的植被类型属性赋值为当前植被编号，如果网格结点不在当前植被分布范围内，把该网格结点的植被类型属性赋值为0；然后遍历数字高程模型上所有网格结点，对植被类型属性不为0的网格结点进行生态水文响应计算：根据该网格结点的植被类型属性得到该结网格结点的植被编号和生态水文模型，利用生态水文模型判断该网格结点地下水埋深与地表水深符合此模型的第几种水文情况，并由此得到该网格结点的植被高度和群落密度；

步骤S6：根据上述得到的数字高程模型上所有网格结点的植被高度和群落密度，利用纹理绘制技术进行三维可视化，首先根据网格结点的植被类型属性得到它的植被编号和纹理编号，并利用植被高度表示纹理大小、群落密度表示格网密度；然后根据格网密度在数字高程模型网格结点进行纹理绘制。

与现有技术相比，本发明技术具有以下优点：

本发明提供一种描述湿地植被生态水文响应的三维可视化装置及方法，以便综合湿地植被生态水文模型与三维可视化表现形式，提供定量的、三维的、可视化的湿地植被生态水文响应描述。本发明的特征在于将湿地植被生态水文模型与三维可视化表现形式相结合，实现了湿地植被生态水文响应的三维可视化描述。本发明技术可以根据二维的植被分布矢量数据得到不同地下水埋深、地表水深环境下的植被个体高度、群落密度的植被三维可视化。

(1)通过控制模块实现了多种类型植被对于地下水埋深、地表水深的响应建模，使得植被生态水文响应具有明确的物理意义。

(2)通过三维可视化计算模块实现了多种类型植被的生态水文响应与三维可视化视觉效果的关联，使得植被生态水文响应的三维可视化可以定量化。

(3)通过显示模块实现了地下水埋深、地表水深对多种类型植被影响的三维表达，使得植被生态水文响应具有三维的可视化表现形式。

(4)通过双克里金方法(DK)克服了湿地区域钻孔数量少而引起的地下水埋深插值效果差的问题。

附图说明

图1是本发明描述湿地植被生态水文响应的三维可视化装置示意图。

图2是本发明的描述湿地植被生态水文响应的三维可视化流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1示出本发明一种描述湿地植被生态水文响应的三维可视化装置，实现本发明装置在计算机中实现，所需的基本的硬件条件为：一台主频为1.66GHz，内存为512M的计算机；所需软件条件为：MicrosoftVisual C++6.0编程环境。本发明装置的结构包括：输入模块1、纹理编辑模块2、数据库3、控制模块4、三维可视化计算模块5和显示模块6，其中：

数据库3与输入模块1连接，数据库3接收输入模块1输出的地物分布矢量数据，并以二进制的形式存储在数据库3中。输入模块1对地物分布数据中的地下水埋深的钻孔数据进行双克里金方法(DK)插值，生成与数字高程模型网格大小、范围一致的地下水埋深格网；输入模块1通过基于数字高程模型的洪水淹没模拟，模拟无源或有源情况下的洪水淹没范围和水深；

纹理编辑模块2和控制模块4分别与数据库3连接，纹理编辑模块2从数据库3接收通过Microsoft sqlserver 2000存储的地物分布矢量数据(shapefile格式文件)并存入三维可视化计算模块5，对植被纹理进行编辑，生成并输出植被纹理数据；控制模块4从数据库3接收生态水文模型，并通过控制模块实现模型编辑，生成并输出生态水文模型数据；数据库3接收植被纹理数据和生态水文模型的数据，建立植被纹理和生态水文的数据信息。

三维可视化计算模块5与数据库3连接，三维可视化计算模块5接收植被纹理和生态水文模型的数据信息并进行栅格计算，生成并输出每个网格结点的植被类型、植被高度以及该群落的植被密度。

显示模块6与三维可视化计算模块5连接，显示模块6根据三维可视化计算模块5输出的植被类型、植被高度以及该群落的植被密度进行植被三维可视化。

输入模块1的地物分布矢量数据包括水文环境、植被分布、地形三部分，其中：

所述水文环境是地下水埋深和地表水深，所述地下水埋深的具体表现形式为点坐标(x，y，z)，分别表示横坐标x、纵坐标y和地下水埋深z；所述地表水深具体表现形式点坐标(x，y，z)，分别表示横坐标x、纵坐标y和z值表示地表水深。

所述植被分布是某一种类型植被的空间分布范围，为shapefile格式数据。

所述地形是数字高程模型(DEM)，为ArcGIS的二进制格式规则格网栅格数据。水文环境的地表水深通过洪水淹没模型模拟得到；针对湿地区域钻孔数量比较少的特点，本发明通过对离散钻孔的水位埋深进行双克里金(Double Kriging，简称DK)插值，得到数字高程模型上所有网格结点的地下水埋深。地形数据来源于相关数据中心或部门。

图2是本发明的描述湿地植被生态水文响应的三维可视化方法的流程图，按照图2的步骤描述实现本发明方法的步骤如下：

步骤S1：以文件的形式读入数字高程模型、地下水埋深钻孔数据、植被分布矢量数据。对地下水埋深钻孔数据进行双克里金方法(DoubleKriging，简称DK)插值，生成与DEM网格大小、格网范围一致的地下水埋深格网，利用洪水淹没模型模拟得到无源淹没或有源淹没情况下的洪水淹没范围和地表水深。所述DK插值方法：先利用现有技术的克里金(Kriging)，以钻孔地下水埋深数据为观测数据，插值生成与数字高程模型范围一致、网格大小为5倍的地下水埋深格网；然后再次利用现有技术的克里金，以地下水埋深网格结点为观测数据，插值生成与数字高程模型范围一致、网格大小一致的地下水埋深格网。通过基于数字高程模型的洪水淹没模型模拟得到无源淹没(降水)或有源淹没(溃坝)情况下的洪水淹没范围、地表水深。无源淹没通过比较数字高程模型上网格结点高程Z₀与洪水高程Z₁来确定，如果Z₀≥Z₁则该网格结点不淹没，反之Z₁≥Z₀则该网格结点淹没并且该网格结点的地表水深为Z₁-Z₀。有源淹没通过种子蔓延算法实现步骤如下：对于一个给定的洪水淹没起始网格结点，把该网格结点作为种子点，然后利用种子蔓延算法找出DEM上所有淹没网格结点并计算地表水深Z₁-Z₀，所述模拟无源为降水，所述模拟有源为溃坝。

步骤S2：根据步骤S1读入的植被分布矢量数据(shapefile格式数据)，建立植被分布矢量数据的Microsoft sqlserver 2000数据库3。

步骤S3：从数据库3中选定需要建立生态水文模型的植被(可以多选)，根据所选择植被在不同地下水埋深、地表水深情况下的植被高度、群落密度建立其生态水文模型。生态水文模型形式表现为：H＝f(gwd，swd，GWD_i，SWD_i，H_i)；D＝f(gwd，swd，GWD_i，SWD_i，D_i)，其中H、D分别表示植被高度和群落密度，gwd、swd为当前环境下的地下水埋深和地表水深，GWD_i、SWD_i为第i种情况下的地下水埋深和地表水深，H_i、D_i为该种情况下的植被盖度和群落密度。某种植被在不同情况(如，生长状况好、一般、差)下的水文环境及其对应的植被状况可以通过野外调查或根据经验知识得到。对选择的不同植被建立模型数组，模型编号与植被在数据库3中的顺序一致。

步骤S4：从数据库3中选择需要三维可视化的植被(可以多选)，然后通过文件的形式为各种植被选择其对应的纹理图像，建立纹理数组，纹理编号与植被在数据库中的顺序一致。利用Adobe Photoshop软件对纹理图像进行处理，然后输出为位图格式的纹理数据，所述纹理图像是普通植被照片。

步骤S5：首先建立需要三维可视化的植被编号数组，植被编号与其在数据库3中的顺序一致，并结合植被分布的矢量数据对数字高程模型上网格结点与植被分布范围进行拓扑分析，获得拓扑分析结果，则根据拓扑分析结果判断DEM上每个网格结点的植被编号，如果网格结点在当前植被分布范围内，把该网格结点的植被类型属性赋值为当前植被编号，如果网格结点不在当前植被分布范围内，把该网格结点的植被类型属性赋值为0。然后遍历数字高程模型上所有网格结点，对植被类型属性不为0的网格结点进行生态水文响应计算：根据该网格结点的植被类型属性得到该网格结点的植被编号和生态水文模型，利用生态水文模型判断该网格结点地下水埋深与地表水深符合此模型的第几种水文情况，并由此得到该网格结点的植被高度和群落密度。

步骤S6：根据上述得到的数字高程模型上所有网格结点的植被高度和群落密度，利用纹理绘制技术进行三维可视化。首先根据网格结点的植被类型属性得到它的植被编号和纹理编号，并利用植被高度表示纹理大小、群落密度表示格网密度。然后根据格网密度在数字高程模型结点进行纹理绘制。所述群落是植被分布图上各个多边形所包含的范围，格网密度通过群落内的数字高程模型网格大小来控制。例如，当群落密度为50％时，纹理绘制时的数字高程模型网格大小是原始大小的1/0.5＝2倍。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。