洪水灾害时空过程模拟可视化表达研究进展与展望.pdf

Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54No.843CEditorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.中图分类号：TV8；X43文献标志码：A文章编号：10 0 0-0 8 6 0(2 0 2 3)0 8-0 0 43-11DOI:10.139wrahe.2023.08.004开放科学（资源服务）标志码（OSID）：.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(8):43-53.GAO ZhiguoZHANGLihuietal.Researchoverviewonporalorocesssimulationande11sasterscenarios43-53.高志国，李毅，张利辉，等.洪水灾害时空过程模拟可视化表达研究进展与展望J水利水电技术（中英文），2 0 2 3，54（8）：第54卷2023年第8 期水利水电技术（中英文）洪水灾害时空过程模拟可视化表达研究进展与展望高志国，李毅，张利辉，龚建华2（1.天津城建大学地质与测绘学院，天津300384；2.中国科学院空天信息创新研究院，北京100094)摘要：【目的】虚拟现实三维可视化技术已被广泛地应用于洪水灾害过程的展现。为了应对洪水风险并做出正确的决策，需要对洪水灾害的时空演化过程进行科学逼真的表达。【方法】对洪水灾害时空过程模拟表达的国内外相关研究工作进行了总结和归纳，对其方法的发展脉络进行了回顾和梳理，重点分析了场景建模、模型计算、场景可视化等洪水时空过程表达涉及的关键技术，并对当前的主要技术瓶颈进行了研判。【结果】结果表明，洪水灾害时空过程模拟可视化技术的发展面临着可视化数据量大、观测数据耦合的模拟方法尚不成熟、可视化的逼真度和科学性难以兼顾、增强现实场景有待进一步提升虚实配准和融合染效果、可视化效果缺乏客观评价方法体系等问题和挑战。【结论】未来需要进一步结合气象、水文、地理信息系统、计算机仿真等多学科、多领域的先进技术，以实现更逼真、科学和高效的洪水灾害模拟可视化关键词：洪水灾害；洪水时空过程；三维可视化；虚拟现实；增强现实；混合现实；数值模拟；洪水预报Research overview on spatiotemporal process simulation and expression of flood disaster scenariosGAO Zhiguo,LI Yi?,ZHANG Lihui,GONG Jianhua?2(1.College of Geology and Geomatics,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;2.Aerospace InformationResearch Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing100094,China)Abstract:ObjectiveJ Virtual reality 3D visualization technology has been widely used to display flood disaster process.In orderto deal with flood risk and make correct decision,it is necessary to express the spatiotemporal evolution process of flood disasterscenarios scientifically and realistically.MethodsJ The research works on spatiotemporal process simulation expression of flooddisaster scenes at home and abroad were summarized,and the development of its method was reviewed and sorted out.Then thekey technologies and technical problems involved in the expression of spatiotemporal process of flod,such as scene modeling,model calculation,scene visualization were reviewed;the current technical bottleneck was analyzed.Results The result indi-cate that the development of visualization techniques for flood disaster spatiotemporal process simulation faces several challenges.收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 6；修回日期：2 0 2 3-0 6-0 2；录用日期：2 0 2 3-0 6-0 2；网络出版日期：2 0 2 3-0 6-15基金项目：国家自然科学基金项目“沉浸式洪灾实验场景全息建模与疏散认知研究”（418 7 132 3）作者简介：高志国（1999一），男，硕士研究生，主要从事虚拟地理环境、洪水模拟与可视化等研究。E-mail：g a o z h i g u o 0 16 3 16 3.c o m通信作者：李毅（198 1一），男，研究员，博士，主要从事虚拟地理环境与数字流域研究。E-mail：l i y i a i r c a s.a c.c n44水利水电技术（中英文）第54卷2023年第8 期高志国，等/洪水灾害时空过程模拟可视化表达研究进展与展望These challenges include large amount of visualization data,immature simulation method coupling observation data,difficult tobalance the fidelity and scientificalness of visualization,need to further improve the virtual reality scene registration and fusionrendering effect,and lack of objective evaluation method system of visualization effect,etc.Conclusionj In the future,it isnecessary to further integrate advanced technologies from multiple disciplines and fields such as meteorology,hydrology,geo-graphic information systems,and computer simulation to realize more realistic,scientific,and efficient visualization of flooddisaster simulation.Keywords:flood disaster;flood spatiotemporal process;three-dimensional visualization;virtual reality;augmented reality;mixed reality;numerical simulation;flood forecast0引言洪水是最典型、最常见的自然灾害，由于城市布局不合理、防洪抗涝设施薄弱等问题，一些位于沿海或者海拔较低的区域，在降雨模式改变或海平面上升的情况下，很容易遭受洪水灾害。面对洪水灾害，公众往往缺乏对其危险性的足够认识，对于防洪公共基础设施的改善支持力度不够，从而在灾害发生时给生命财产造成巨大的损失。因此，洪水时空过程的模拟表达，对于洪涝过程的理解和灾害的防治具有重要的意义2-5传统的一维、二维洪水演进可视化方式不能够形象生动地表达洪水的时空过程变化，在过去几年中，将三维可视化和虚拟现实技术用于洪水场景表达的研究越来越多6-9。洪水三维时空过程模拟具有更好的视觉直观性，更容易为公众所理解10 ，通过立体、动态的表达，帮助人们分析数据的特征和内涵已成为洪水建模与模拟的重要发展方向。此外，VR（Vi r t u a l R e a l i t y，虚拟现实）、AR（A u g me n t e d R e a l i t y，增强现实）、MR（M i x e d R e a l i t y，混合现实）等技术也为洪水场景的时空过程可视化发展注人了新的活力。虚拟现实的沉浸式体验、增强现实的信息扩展和混合现实的虚实融合，都为洪水风险管理及决策提供了新的技术手段。本文从洪水时空过程模拟表达方法的相关研究出发，对其技术的发展脉络进行回顾和梳理；然后就洪水灾害时空过程模拟表达这一跨学科问题，分别探讨洪水灾害场景建模、洪水模型计算、洪水场景可视化等关键技术进展和技术难题；最后围绕当前的洪水灾害时空模拟可视化研究的技术瓶颈等问题，提出相应的解决措施建议，并对未来的研究方向进行展望1洪水时空过程模拟表达方法的发展洪水灾害现象具有多主体、多因素、多尺度的特征，其时空动态发展过程往往比最终形成的空间格局更为重要12】，随着计算机图形学和地理信息技术的发展，洪水时空过程表达方法也在不断更新，目前洪水的时空过程模拟表达已被广泛地应用在洪涝防灾减灾领域。在早期的研究中，洪水可视化大多基于二维地图，将洪水过程中不同时间的淹没范围绘制在地图上，用颜色表示洪水的深度13-15。如在二维矢量地图上叠加洪水淹没变化栅格，来表达洪水淹没范围和对经济热点区的淹没情况，以评价经济热点区在洪涝灾害下的脆弱性16 。这种方法虽然能够在一定程度上反应洪水的时空过程和分布情况，但是对洪水三维场景的直观表达不足，从而难以准确评估洪水对人类以及公共设施的影响。考虑到早期研究中数据获取和处理受技术限制，模拟模型的计算精度可靠性和准确性也较低。到了本世纪初期，随着计算机图形学技术和数字地球概念的不断发展，谷歌公司在2 0 0 5年6 月底，推出了桌面工具软件谷歌地球（GoogleEarth），极大推动了各行各业对于三维空间信息的理解和应用，洪水时空过程的表达技术也迎来了变革，洪水的三维可视化技术得到了迅速发展和应用。李清泉等17 基于OpenGL技术实现了对三维场景和三维建筑实体的可视化。ZHANG等18 合成了三维可视化环境中的建筑物、道路和树木等对象，在视觉上复制了现实世界的特征以及地理参考，并在此基础上模拟了洪水的淹没过程。JIANG等19 使用开源三维引擎WorldWind，实现了基于WebCIS的不同水位洪水淹没情况的三维可视化，为决策者和科研人员提供了便捷的人机交互功能。CHAN等2 0 基于GoogleEarth和ArcGIS的水文分析模块开发了基于Web的洪水监测系统，并进行了三维洪水模拟。李毅等2 1 提出了一种将CIS、水文与水力建模技术相结合的元胞自动机模型，并基于三维可视化引擎表达洪水时空过程，验证了其模拟溃坝洪水灾害时空过程的有效性。以上学者通过洪水模型计算出了洪水的运动的变化规律，并以三维可视水利水电技术（中英文）45第54卷2023年第8 期高志国，等/洪水灾害时空过程模拟可视化表达研究进展与展望化技术对其进行展现，进入2 0 10 年后，高分辨率对地观测技术和物联网技术得到了进一步快速发展，洪水模拟与可视化表达中涉及到的多源数据也越来越丰富。倾斜摄影建模2 2 以及分布式水文模型2 3-2 5 等相关研究，能够实现多角度的观测分析以及多尺度模拟，从而更加全面准确地反映洪水的影响。章旭2 6 基于Cesium平台，利用SWMM模型模拟计算引擎，将水文模拟计算与三维可视化平台相结合，设计了面向城市内涝的三维可视化系统，解决了内涝模型结果展示不直观、信息共享能力差等问题。HADIMLIOGLU27综合考虑了摩擦、降水和土壤吸收等多个参数，通过流体力学模拟和三维可视化，开展了实时洪水蔓延的可视化和分析。HUTANU28通过LiDAR获取的高精度高程信息构建了3D建筑模型，并与HEC-RAS软件的洪水流量分析相结合，开展了不同流量的洪水模拟。以上学者利用水文和水动力模型结合多源数据来模拟洪水过程的变化规律不断丰富的多源数据同时促进了学者们采用数据挖掘、深度学习等技术来预测洪水的发生和发展，进而展示洪水的时空过程。YANG等2 9 考虑到全球水文模型（global hydrological models，G H M）在具体应用时其准确度的欠缺性，采用深度学习方法，将长短期记忆模型(Long short-term memory，LST M)结合 CHM水文模型实现洪水的模拟，并验证其显著提高了洪水模拟的能力，特别是在洪水峰值流量的幅度方面。YAN等30 为满足洪水应急管理的需要，提出了一种耦合神经网络和数值模型的方法，识别城市洪水高风险区域，快速预测这些区域的积水深度。刘昌军等31 考虑到小流域洪水模拟缺乏相关资料的问题，采用机器学习方法，提出了一种适用于我国山丘区中小流域暴雨洪水模拟的时空变源混合产流模型，来模拟非线性产流过程和机理。通过这类研究，洪水时空过程模拟的精度愈来愈高，其结果也更加准确。随着虚拟现实技术的不断发展，2 0 15年也被称为“虚拟现实元年”，诸多厂商开始布局VR/AR设备的研发。Unity3D、U r e a l En g i n e、Cr y En g i n e 等游戏引擎的成熟也进一步推动了洪水过程模拟表达的逼真度和效率的提升。在最新的虚拟现实/增强现实可视化技术中，AR具有将灾难场景在现实生活中重建，并帮助用户迅速理解和分析数据深层含义的能力。VR具备沉浸式体验，眼动追踪、全身动作捕捉等功能，它们都一定程度上弥补了传统可视化手段的缺陷32】，拓展了交互性。由于VR/AR的洪水可视化具备沉浸度高、交互性强、模拟程度强等优势，因此在洪水灾害可视化的应用越来越广泛，且具有重要的发展前景。基于相关技术的洪水模拟演练包括严肃游戏33 和指挥系统34 等形式，目前主流的交互方式有眼动35】、手势、位姿、触觉【36 、情感反应、大数据交互37 等方法，其中大数据交互有助于预测自然灾害，同时允许用户快速评估情况并迅速采取行动38 但是，对于洪水的大场景模拟需要较高的硬件计算能力，目前相关设备还难以满足需求，因此需要更加高效的场景加载优化方法和数据调度算法以提升洪水场景大数据调度效率综上所述，洪水过程可视化主要经历了二维地图表达、三维可视化和虚拟现实可视化三个阶段。到目前，洪水时空过程的表达，在数据质量和实时性、过程表达逼真性、用户的体验和交互性上都取得了显著的进展。高分辨率地形数据、遥感数据以及三维模型数据的广泛获取，结合虚拟现实技术和增强现实技术的应用，极大提升了洪水时空过程可视化效果的交互性和沉浸感。2洪水时空过程模拟表达关键技术研究进展从目前洪水时空过程模拟可视化表达的相关研究工作来看，其涉及到的主要关键技术包括洪水场景建模技术、洪水模型计算和洪水场景可视化等技术，以下分别进行介绍，并对其中不同的方法进行对比分析。2.1洪水场景建模技术洪水灾害真实场景的建模，按照建模对象主要可分为两类：地形建模和地物建模。地形建模是流域场景模拟的基础，地物建模用于表现流域环境的特征，是洪水真实场景模拟的主要内容。国内外学者对场景建模提出了不同的方法，成毅39 使用遥感影像与DEM进行三维建模，将高分辨率遥感影像映射到DEM上，以快速生成具备真实纹理的三维地形；张慧莹等40 1使用机载LiDAR结合倾斜摄影测量技术提取地物表面纹理特征并映射到白模上以获得精度高、面积大的实景三维模型；李德仁等41 提出基于倾斜影像的自动空中三角测量方法，实现了快速自动获取城市三维表面模型且效果逼真。COSTABILE等42 采用三维激光扫描技术对城市进行实景三维建模，并将二维洪水模拟、三维视觉技术和地面激光扫描相结合，可以对处于危险中的要素（如人、建筑）提供淹没程度的形象表示。NOFAL等43 通过将BIM模型叠加到虚拟地理环境当中，模拟计算了洪水灾害情景中的洪水46水利水电技术（中英文）第54卷2023年第8 期高志国，等/洪水灾害时空过程模拟可视化表达研究进展与展望风险与建筑物损失，并提出不同的应对措施洪水三维可视化的逼真效果依靠场景建模技术和水体仿真技术，根据目前的主流三维建模方法可分为以下几类，如表1所列。对于大面积的三维场景建模，一般选择倾斜摄影建模或基于DEM贴图的方法；若需要高精度的建筑物模型，可采用BIM的人工建模方法或者三维点云建模的方法，但效率较低。表1三维场景建模方法对比Table1Comparison of 3D scene modeling methods建模方法描述基于卫星遥感影像快速建模，适合大面积三维建模，需平衡与DEM的三维建模39建模效率与高精度影像的矛盾基于倾斜摄影建模建模效率高，适用于大范围建模，降低建技术41模成本机载LiDAR结合倾斜适用于大范围建模，精确模拟真实地形，摄影测量建模40.42 三维模型精度高人工将建筑物进行三维数字化还原，包含基于BIM建模技术/43详细的内部空间信息，精度高但效率一般2.2洪水模型计算洪水运动规律的研究主要是基于水动力模型，依据数学模型对洪水实现模拟，并实现形象和直观的洪水灾害时空过程表达。MEHTA等【44 基于一维水动力模型，对Ambica河进行了洪水模拟，分析了水流剖面、速度、流量。BELLOS等45 将SWMM模型和基于栅格的二维水动力模型进行耦合，模拟城市洪涝以实现量化的可视化模拟结果，为洪水风险管理提供决策帮助。YANG等46 】采用FLOW-R2D（二维流体动力学)构建二维模型，重建了希腊阿提卡的洪水演进过程。林源君等47 采用一二维耦合水动力模型，模拟了松阴溪流域多尺度的洪水灾害，进行了淹没分析，为小流域洪水风险评价提供依据。GHIMIRE等48 为评估一维（1D）、二维（2 D）、耦合的一维/二维（H EC-R A S）模型的预测能力，分别进行了洪水模拟，得出二维模型精度高、HEC-RAS模型敏感度高的结论。王自明等49 采用地表二维水动力模型与SWMM模型耦合，对城市暴雨内涝进行模拟，其结果较为准确。王旭滢等50 对浦阳江流域上游山区采用新安江水文模型模拟降雨径流过程，模拟了历史洪水，分析极端降水下的淹没情况。上述学者的研究工作，主要是基于水文水动力模型的洪水建模方法，为降低洪水模型的复杂性，还涌现了基于波动方程、CA（c e l l u l a rautomaton，元胞自动机），基于GIS的模拟方式，其中针对CA模型的研究越来越多，学者们还提出将数值方程结合到CA模型之中51-53 来模拟洪水。综上所述，依据洪水模型能够计算流域洪水的时空变化，如水深、流速、淹没面积等，但单一的模型难以满足复杂流域洪水模拟的要求，水文水动力耦合模型、CA模型的研究越来越广泛。另外大部分研究针对小流域开展模拟计算，解决大型复杂水域模型计算和复杂城市模型计算的研究尚不多542.3洪水场景可视化技术2.3.1场景染技术场景的煊染技术决定了虚拟洪水场景的真实感与沉浸感，是洪水灾害场景的时空过程模拟表达中的重要研究内容。JIANG等19 使用Unity3D软件加载了城市模型，谊染了大面积的城市场景。CHAN等2 0 使用ArcGISEngine结合DEM与遥感影像数据，搭建了澜沧江流域的三维地形场景。KUMAR等55 通过cesium可视化引擎提供的API接口，加载染了GLTF格式的三维模型数据、地形高程数据、影像数据。赵忠琛56 使用Unity3D软件加载染了城市建筑三维模型和城市内设施模型（汽车、路灯等），逼真地还原了城市部分的三维场景。LUO等57 使用OpenSceneGraph三维可视化引擎，将DEM与影像重叠并加载矢量数据构建三维场景，展现了环境植被覆盖、水分布、地形坡度、高度等特征。朱海南等58 使用UE4加载ClobalMapper解析过的DEM文件，并添加3DMAX模型（基础设施、植被等）搭建了高逼真度流域场景。综上所述，目前应用洪水模拟可视化引擎如表2所列，相比于unity3D、U E4/5等游戏引擎来说，cesium等GIS引擎更注重准确的还原事物在真实世界的位置，而游戏引擎更侧重于染的效果表2虚拟洪水可视化引擎Table 2Virtual flood visualization engine可视化引擎适用性浏览器端的可视化引擎，能够展示多源数据，支持Cesium多种数据格式展示，具有出色的三维动态展示能力ArcCISGIS引擎，多用于洪水时空变化的空间分析可视化游戏引擎，更加侧重构建逼真的场景，多用于城市Unity3D/UE4内涝三维可视化，支持多种场景特效的染开源三维引擎，封装了OpenCL染代码，支持多OpenSceneGraph种场景特效的煊染2.3.2水流煊染水流染主要包括水流视觉染和水流科学可视化方式，水流煊染指将已有的水流数据或者水流仿真的结果，以图像或者视频的形式呈现出来，强调视觉效果和艺术表现，使得人们能够直观地感受水流的特47水利水电技术（中英文）第54卷2023年第8 期高志国，等/洪水灾害时空过程模拟可视化表达研究进展与展望性。洪涝中的水体的实时动态建模和煊染，一方面能够提高流域虚拟场景的真实感和沉浸感，另一方面也能为洪涝风险管理提供决策帮助。不同的洪水场景（如山洪溃堤、城市内涝等），适用的水体染方法也不尽相同。李贺59 基于噪声函数的思想，利用凹凸/多重纹理映射技术并添加风速因子，使用Open-SceneGraph三维引擎对河道水体煊染，实现了具有波纹效果的虚拟水体。王少辉等6 0 根据水底DEM建立TIN，复制水底TIN各个顶点作为水面高程顶点，建立水面模型，对城市内的湖泊、水库、河流进行了染。GARCIAFEAL等6 1】在平滑粒子流体动力学（SPH)技术的基础上加入了流体和固体碰撞的溅射效果，模拟了浅水区域动态水体逼真的视觉效果。王志强等6 2 提出一种基于多项式函数的实时水波模拟算法，通过对比传统的波形函数算法，发现该方法能更出色地对水波、卷浪进行模拟。目前主流的水体染方法如表3所列，其中水体染方法的适用性和优缺点各不相同，需要针对不同的场景选择合适的水体煊染方法。如果对水面的仿真要求较低，一般选择几何曲面，同时结合粒子系统模拟水花飞溅效果；如果在河道水体平稳的地方要求较高的仿真效果，一般会选择噪声函数的方式模拟水体。水流科学可视化研究的重点则不在水流模拟的视觉效果，而是以图形或动画形式展示流体的运动状态和流线分布情况，让人直观地了解流体的特性和行为，便于人们对流体的运动规律和行为进行分析和研究。如粒子跟踪的方式，利用大量粒子的运动变化模拟洪水的传播过程2 7.6 3，使用不同颜色，增强洪水可视化的信息，如在洪水地图上使用渐变颜色表达水深6 4，使用不同颜色表达洪水溃堤后的到达时间6 5。还有使用流线、箭头线模拟洪水的演进方向和速度快慢(6-6 7 。水流的科学可视化方式虽然在视觉效果上表现一般，但能直观地显示洪水水流的运动状态、特征属性等信息，让人迅速的理解洪水时空过程的传播变化2.3.3基于AR/VR载体的洪水可视化本文对近年来AR/VR载体的洪水可视化研究工作进行归纳，并对不同方法的场景适用性进行了分析。ZAALBERG等6 8 在三维虚拟环境中使用VR来表达真实世界洪水风险和应对威胁时个人的反应。SIMPSON等6 9 基于Unity3D搭建了一种真实地理信息系统数据三维可视化的风暴潮模拟系统，通过将地面高程与开放街道地图（open streetmap，O SM）提供的建筑信息结合在一起以重建现实生活中的城市，再集成到计算机增强虚拟环境（I-CAVE）中，使用户能够以第一人称视角沉浸式体验风暴洪水。HAYNES等7 0)提出了一个实时沉浸式原型MAR（mo b i l e a u g-mentreality，移动增强现实）应用程序结合现场内容创作和洪水可视化技术，并将沉浸式AR应用于洪水风险管理，为洪水风险管理决策提供建议。胡亚等7 1 将移动虚拟现实与洪水灾害场景三维可视化相结合，提出了移动VR洪水灾害场景构建与交互方法，实现了在智能手机上对洪水灾害场景进行流畅地沉浸式展示与交互探索分析。TSAI等7 2 实现了一种沉浸式VR系统，通过游戏的方式为用户普及防洪知识以应对灾害发生。张国永等7 3 提出了一种基于3D打印地形的洪水AR可视化方法，将虚拟洪水场景叠加到物理地形模型（PTM）上，直观地表达了洪水与地形环境的关系，帮助参与者了解洪水灾害。阮舜毅等7 4 在Unity3D中使用数字高程模型（DEM）、遥感影像以及3DMAX制作的建筑模型，构建了洪水灾害模拟基础场景，使用MicrosoftHoloLensVR设备实现了对江西瑞金市的洪水无源淹没可视化，并针对场景调度效率问题，提出了一种基于流的场景加载优化方法。WANG等7 5 基于Microsoft HoloLens开发了一种虚拟现实工具，能够让将用户带入模拟世界，让用户表3水流渣染方法对比Table3Comparison of water flow rendering methods水流谊染方法描述适用范围模拟方法简单快速，包括静态、动态纹理贴图和凹凸纹理映射纹理贴图59.6 1远景或静止水面，无交互三种方式波形函数6 2 通过构造的函数近似模拟水波形状以及转播过程不同波形函数适应水面形态不同，如卷浪，波浪等将整个水体看作一个由大量的粒子构成的一个粒子集。通常模粒子系统6 1瀑布、喷泉、浪花、洪水等细节部分拟火、烟、云、雾、雪、尘等抽象视觉效果通过叠加不同频率和振幅得噪声函数来模拟水波的状态，缺点Perlin噪声函数59适用于平静的水面是交互难以实现采用几何参数曲面来表示水面的起伏效果，建模过程简单，参几何曲面6 0 适用于深水区的水面模拟数控制灵活，远点的视觉效果好，近距离观察的真实感较低48第54卷2023年第8 期水利水电技术（中英文）高志国，等/洪水灾害时空过程模拟可视化表达研究进展与展望在洪水发生地点以第一人称视角了解洪水造成的破坏。MOL等7 6 在沉浸式虚拟现实中实现了洪水模拟，以测试模拟灾害是否会影响人们在风险措施投资方面的决策。王峰等7 7 通过3DMax软件制作三维实景模型，基于Unity3D软件实现了洪水模拟仿真，使用VR头盔，搭建了基于VR的洪水灾害模拟教学实验平台，为用户感知城市洪涝灾害、学习洪水防灾减灾科普知识提供了VR教学体验环境支撑。SIMPSON等7 8 在沉浸式环境中评估风暴潮洪水以进行风险分析，研究结果表明，基于VR技术更容易进行洪水影响的风险分析，同时用户可以在沉浸式虚拟现实中了解不同洪水水位的影响。KIKUCHI等7 9 实现了基于一种基于数字李生的洪水模拟系统，用于模拟大规模城市洪水场景，使用AR遮挡处理，用户可以从高处鸟瞰或以第一人称视角观看城市洪水没的可视化模拟状况。综上所述，对目前的洪水灾害可视化方式进行总结，如表4所列2.4当前洪水灾害模拟可视化的主要技术瓶颈从前文内容的论述中可以看出，洪水灾害模拟可视化是一个涉及多学科领域的复杂问题，并且当前仍存在以下若干技术瓶颈和关键性技术难题（1)大规模洪水数据可视化的挑战。我国大江大河纵横交错，流域面积广衰，洪水时空过程的模拟通常涉及到大范围流域区域，因此在进行洪水模拟可视化时常常需要解决海量地理和流域专题数据的组织和调度的技术问题(2）观测数据耦合的模拟计算方法尚不成熟。洪水灾害模拟模型的建立和参数的调整对模拟结果的准确性和可靠性具有重要影响。洪水模型的建立需要大量的数据支持，从数据的输人到模型的建立是一个复杂的过程，目前数据驱动的模型构建技术逐渐斩露头角。机理驱动模型基于人对流域水循环及其伴生过程的机理认知，取决于人对自然规律理解的深刻性，数据驱动模型基于样本数据对隐含的内在规律进行挖掘，如何将机理驱动模型与数据驱动模型耦合也是后续需要突破的关键技术（3）洪水灾害可视化的逼真度和科学性难以兼顾。洪水模型的计算往往是基于时空离散的计算单元来开展，与目前基于游戏引擎为主的可视化技术所采用的数据存储格式并不相同。然而，洪水灾害模拟可视化的逼真程度是决定用户理解洪水风险的重要因素，如果逼真程度不够，不仅会降低用户对可视化模拟的信任度和使用意愿，还会使用户无法准确判断洪水灾害的影响和趋势，从而做出错误的决策。因此，如何在洪水模型科学计算结果的基础上，更加充分地与可视化染技术相结合，提供逼真的表达效果，也是当前洪水灾害模拟可视化面临的挑战（4)增强现实洪水场景的虚实配准和融合染问题。增强现实洪水场景表达将灾难场景在现实生活中重建，是未来的重要发展趋势。但是需要将真实世界的地形地物与模拟计算得到的虚拟场景对象进行空间精确配准，并开展场景融合以确保虚实场景的一致性和逼真度。（5）可视化效果缺乏客观评价方法体系。洪水灾害模拟的结果的可视化表达的目的是为了便于用户理解和决策，但是洪水可视化的外观效果通常为创作者主观评价，目前缺少客观的评价体系，难以制作出能为公众快速理解洪水灾害风险的洪水时空可视化系统。3未来展望在未来，随着水利模型计算、对地观测、大数据以及VR/AR等信息技术的持续进步，洪水灾害时空过程模拟与可视化表达也将继续得到迅速发展，并且将在数据、模型和可视化表达等方面进一步突破相关的技术瓶颈。表5对于主要技术难题以及相关的解决措施和未来建议进行了分析和展望从表5中可以看出，洪水灾害模拟可视化研究的重点不仅局限在对洪水数据的表达方面，洪水数据的处理、模型的建立、效果的评价也同样重要。大规模洪水数据可视化能帮助人们更加清晰地了解洪水的分表4洪水可视化方式Table 4HFlood visualization method可视化方式特点适用性屏幕端可视化19-2 6 基于屏幕的可视化方式，包括电脑、手机、平板多用户端适用于数字流域、虚拟防洪等业务系统AR可视化7 0-7 1.7 9基于AR的洪水三维可视化，具备对洪水信息增强显示适用于虚实场景融合的洪水现场体验和应急演练基于沙盘场景的洪水时空过程三维表达，更加直观的表达洪水与结合地形数据和洪水溃堤演进、淹没的可视化沙盘AR可视化7 3地理环境的关系表达VR可视化6 8-6 9,7 2,7 4-7 8 基于VR的可视化表达，具有良好的沉浸式体验适用于沉浸式的洪水应急演练、科普教育等49水利水电技术（中英文）第54卷2023年第8 期高志国，等/洪水灾害时空过程模拟可视化表达研究进展与展望表5洪水灾害模拟可视化的主要技术难题和解决措施Table 5Main technical problems and solutions of flood disaster simulation visualization洪水灾害模拟可视化主要技术难题解决措施和未来建议通过构建洪水场景多层次细节LOD，开展数据结构优化，同时结合高性能并行计算等方法提高大规模洪水数据可视化数据的处理和染速度结合洪水机理驱动模型与数据驱动模型的特点，开展模型融合，数据模型修正机理模型，机理观测数据耦合的模拟计算方法模型驱动数据模型等方式提高计算结果的准确性和可靠性综合考虑现实需求合理利用视觉效果，在科学性和逼真度之间做出取舍，研究更先进的洪水模兼顾逼真度和科学性的洪水灾害可视化拟计算和染表达策略使用精确的配准算法来对洪水场景进行空间配准，对增强现实场景中虚实目标对象的光影等效增强现实洪水场景的虚实配准和融合煊染果进行进一步融合深人分析可视化表达的不同需求，根据洪水的物理过程表达、场景的还原度、洪水风险的感知可视化效果的客观评价方法能力、用户的理解程度等指标建立科学的评价体系布情况和演化趋势，这对数字李生流域和智慧水利建设有着重要作用；观测数据耦合的模拟计算方法通过取长补短，能更好的满足实际应用需求，但未来需要进一步深入分析模型与观测数据之间的关联作用关系；可以通过使用激光雷达和倾斜摄影技术构建精细的三维场景，提高洪水场景的逼真程度，使洪水风险造成的危害更加直观，兼顾逼真度和科学性的洪水模拟可视化是未来的研究重点；基于AR、V R 技术的洪水灾害可视化因其沉浸性和信息扩展能力的优势，未来仍是洪水风险可视化、防洪抗灾等领域的重要部分，增强现实洪水可视化需要注重虚实场景配准和一致性的问题，而虚拟现实洪水可视化可以从图像、声音等方面加强洪水场景的真实度，给人们提供更加全面深入的洪水信息总之，洪水时空过程三维模拟可视化表达技术未来的研究重点在于海量洪水数据组织的高效性、模拟计算的准确性、场景表达的逼真性三方面的有机结合。这就需要跨领域合作的加强，包括气象、水文、地理信息系统、计算机仿真等多个领域的专家共同参与，以提高研究的全面性和可操作性。因此，未来的洪水灾害模拟可视化研究将更加注重数据、算法、可视化技术、跨领域合作以及实时预警和响应系统等方面的创新，以实现对洪水灾害的更加精准、全面、高效的模拟和表达。4结论本文从洪水时空过程模拟可视化方法的发展脉络出发，并详细探讨了洪水时空过程模拟可视化涉及的关键技术和技术难题，主要得出如下结论：（1)洪水过程可视化主要经历了二维地图表达、三维可视化和虚拟现实可视化三个阶段。在洪水过程表达的逼真度、科学性、多样性、交互性、实时性上都取得了显著的进展。目前，洪水的三维可视化是主要的研究方向，在应急管理，灾害评估，风险管理决策、数字李生流域建设等领域具有重要价值。（2 洪水时空过程模拟可视化涵盖多个学科领域的知识，包括洪水场景建模、洪水模型计算、洪水场景可视化等多种技术手段，需要平衡和互补多种技术之间的优缺点，实现洪水时空过程模拟的科学逼真可视化。（3)洪水时空过程可视化的表达方式主要包括桌面式、沉浸式、增强现实式等，其中虚拟现实技术因其良好的用户体验和交互性，是目前洪水时空过程可视化表达研究的一个研究热点，在应急管理、VR/AR教学、风险感知、逃生训练等领域广泛应用。（4)随着计算机技术和地理信息系统技术的发展，洪水的时空模拟可视化研究取得了显著进展。但也遇到了很多技术难题，目前主要包括大规模洪水数据可视化、洪水模型可靠性、计算效率和精度、可视化效果、可视化手段等问题。这些难题和瓶颈的解决有望提升我国的洪水风险应急处置水平，促进多学科、多领域的共同进步参考文献(References):1林珲，吴贤宇，潘家祎，等。中国城市洪涝实时预报研究：现状与挑战J测绘学报，2 0 2 2，51（7）：130 6-1316.LIN Hui,WU Xianyu,PAN Jiayi,et al.Realtime forecast of urbanflood in China:past,present and future J.Acta Geodaetica etCartographica Sinica,2022,51(7):1306-1316.2刘成堃，张力，范青松，等基于3DCIS的洪水时空态势推演与调度模拟研究J水利水电技术（中英文），2 0 2 2，53（8）：50-57.LIU Chengkun,ZHANG Li,FAN Qingsong,et al.Research of floodspatioltemporal deduction and control dispatching simulation b