黄土坡面水蚀模拟的关键技术研究
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摘要
黄土高原是世界上水土流失最严重的区域之一,其坡面水蚀模型复杂、涉及到大量的空间数据,如何将预测的水土流失量以可视化形式表达是侵蚀模型研究的一项关键技术。由于水土流失成因分析的复杂性和多样性的增长,传统的水蚀模型不能很综合地刻画黄土坡面特有的水蚀现状,从黄土高原的陡坡地貌和浅沟水蚀出发,实现其数学模型的计算机软件模拟,近而利用二维地图将侵蚀数据图形化成为一个值得研究的方向。因此,地理信息系统在水土流失领域研究的发展,为侵蚀模型的空间数据分析提供了新的思路和方法,针对组件GIS在三维图形模拟方面的功能单一,不能独立开发的不足,可以采用虚拟现实技术完成三维GIS的基本功能。
针对上述问题,本论文主要研究如何将坡面水蚀研究中得到的各类参数因子和各种空间数据的地图信息等在同一应用平台上有机地结合起来,首先利用组件式GIS实现水蚀影响因子二维地形图上的空间分析。其次,完成坡面尺度上水蚀模型计算的中间结果的可视化,并且将模型的数值计算功能嵌入GIS模块中,将数值模拟的结果地图化;最后通过三维坡面地貌形态的模拟将真实的景观构造表达出来,并且在此基础上动态模拟坡面在侵蚀过程中的场景变化过程。本文完成的主要工作如下:
(1)研究MapX组件的空间数据结构,采用MapX把水蚀过程中抽象的地理空间信息以电子地图的形式组织、管理起来,结合VC++实现电子地图的专题制图,图层叠加,坡向、坡度分析等,从景观生态学的角度分析水蚀影响因子的内在联系,定性地分析水蚀原因。
(2)研究水蚀模型的原理,设计侵蚀模数计算的软件模型,定量地分析水蚀强度,应用此模块计算并分析黄土坡面典型试验区的水蚀规律。探索将水蚀数据绑定到组件式GIS功能模块从而实现数据地图化的方法,将参数因子与空间地图相关联,并根据数值计算结果制作侵蚀专题图。
(3)研究分形布朗运动原理和景观分形维数的理论,采用随机中点位移算法生成坡面的虚拟景观,并通过OpenGL增加天空纹理与地形纹理等来增强地形真实感。在此基础上,深入到坡面水蚀的动态过程,从三维可视化角度动态显示坡面的水蚀过程。
本研究完成后,可以为黄土高原的水土流失情况提供可视化的侵蚀模型计算,侵蚀空间数据的二维地图的空间分析,侵蚀坡面景观的三维虚拟和水蚀过程的动态模拟,实现坡面土壤侵蚀研究的数值与图形图像的模拟。
The Loess Plateau is one of the most serious soil erosive regions in the world, the erosion model of it is complex, and involves plenty of spatial data, therefore it is a key technology to find a way that visualizing the predictive data in the field of study on erosion model. As the increasing of variety and complexity for cause of formation for water and soil loss, traditional water erosion models can not depict present specific situations of the Loess Plateau synthetically, from the status of steep slope and gully erosion, using computer software to simulate the erosion model, and changing the erosion parameters to graphic map are becoming a deserved research direction. As a result, the development of Geographic Information System in the study of soil and water loss domain provids new thoughts and methods for analysis of spatial data of erosion model, to the question of the deficiency of unitary function of ComGIS, which can not develop simulation in three-dimension independently, Virtual Reality should be applied to achieve the fundamental functions of 3D GIS.
Aiming at these problems above,this thesis mainly studied on how to combine with kinds of parameters and spatial information maps of water erosion research on slope on a identical platform organically, carried out correlated factors to water erosion in two- dimension by using ComGIS firstly. Secondly, accomplished visualization of intermediate results at water erosive model’s calculation on slope scale, forth more, the function of calculation was embed into the ComGIS module, and then changed the results of those to graphic maps. Finally, generated the conformation of landscape on slope by means of simulating the geomorphologic shape in 3D, besides, simulated the process of scene transformation dynamically. The primarily achieved works have beem done as following:
(1) Studied on spatial data structure of MapX model, adopted MapX to organize and manage the abstract geographic information as the pattern of digital maps,then integrated VC++ to realize establishment of thematic maps, overlay of layers, analysis of slope and aspect for digital maps, qualitatively analyzed the causes and internal relations of water erosion from the perspective of Landscape Ecology.
(2) Investigated the principle of water erosion model, designed the software of calculation of loss amount, and analyzed quantificationally intensity of water erosion, based on this module, water erosion rule of loess slope’s typical testing areas were calculated and contrasted. At last, the method of data binding from water erosion data to GIS functional module was explored to transform factors to maps, contacted factors and spatial maps, created thematic maps for results of numerical value computing as well as.
(3) Researched theories of fractal Brown motion and fractal dimensions of landscape, virtual landscape of slope was constituted with the help of the random mid-point displacement algorithm, and increased sky and terrain textures by OpenGL technology to enhance the reality of sense. After that, went deep into dynamic process of water erosion on slope, displaied the water erosion process in 3D.
After the investigation, it could provide visualized calculation of erosion model for the circumstances of water and soil loss on the Loess Plateau, analyzed spatially 2D maps of erosive spatial data, virtualized the erosive landscape on slope in 3D and simulated the process of water erosion dynamically. In a word, it implemented simulation of numerical value and images of soil erosion research.
针对上述问题,本论文主要研究如何将坡面水蚀研究中得到的各类参数因子和各种空间数据的地图信息等在同一应用平台上有机地结合起来,首先利用组件式GIS实现水蚀影响因子二维地形图上的空间分析。其次,完成坡面尺度上水蚀模型计算的中间结果的可视化,并且将模型的数值计算功能嵌入GIS模块中,将数值模拟的结果地图化;最后通过三维坡面地貌形态的模拟将真实的景观构造表达出来,并且在此基础上动态模拟坡面在侵蚀过程中的场景变化过程。本文完成的主要工作如下:
(1)研究MapX组件的空间数据结构,采用MapX把水蚀过程中抽象的地理空间信息以电子地图的形式组织、管理起来,结合VC++实现电子地图的专题制图,图层叠加,坡向、坡度分析等,从景观生态学的角度分析水蚀影响因子的内在联系,定性地分析水蚀原因。
(2)研究水蚀模型的原理,设计侵蚀模数计算的软件模型,定量地分析水蚀强度,应用此模块计算并分析黄土坡面典型试验区的水蚀规律。探索将水蚀数据绑定到组件式GIS功能模块从而实现数据地图化的方法,将参数因子与空间地图相关联,并根据数值计算结果制作侵蚀专题图。
(3)研究分形布朗运动原理和景观分形维数的理论,采用随机中点位移算法生成坡面的虚拟景观,并通过OpenGL增加天空纹理与地形纹理等来增强地形真实感。在此基础上,深入到坡面水蚀的动态过程,从三维可视化角度动态显示坡面的水蚀过程。
本研究完成后,可以为黄土高原的水土流失情况提供可视化的侵蚀模型计算,侵蚀空间数据的二维地图的空间分析,侵蚀坡面景观的三维虚拟和水蚀过程的动态模拟,实现坡面土壤侵蚀研究的数值与图形图像的模拟。
The Loess Plateau is one of the most serious soil erosive regions in the world, the erosion model of it is complex, and involves plenty of spatial data, therefore it is a key technology to find a way that visualizing the predictive data in the field of study on erosion model. As the increasing of variety and complexity for cause of formation for water and soil loss, traditional water erosion models can not depict present specific situations of the Loess Plateau synthetically, from the status of steep slope and gully erosion, using computer software to simulate the erosion model, and changing the erosion parameters to graphic map are becoming a deserved research direction. As a result, the development of Geographic Information System in the study of soil and water loss domain provids new thoughts and methods for analysis of spatial data of erosion model, to the question of the deficiency of unitary function of ComGIS, which can not develop simulation in three-dimension independently, Virtual Reality should be applied to achieve the fundamental functions of 3D GIS.
Aiming at these problems above,this thesis mainly studied on how to combine with kinds of parameters and spatial information maps of water erosion research on slope on a identical platform organically, carried out correlated factors to water erosion in two- dimension by using ComGIS firstly. Secondly, accomplished visualization of intermediate results at water erosive model’s calculation on slope scale, forth more, the function of calculation was embed into the ComGIS module, and then changed the results of those to graphic maps. Finally, generated the conformation of landscape on slope by means of simulating the geomorphologic shape in 3D, besides, simulated the process of scene transformation dynamically. The primarily achieved works have beem done as following:
(1) Studied on spatial data structure of MapX model, adopted MapX to organize and manage the abstract geographic information as the pattern of digital maps,then integrated VC++ to realize establishment of thematic maps, overlay of layers, analysis of slope and aspect for digital maps, qualitatively analyzed the causes and internal relations of water erosion from the perspective of Landscape Ecology.
(2) Investigated the principle of water erosion model, designed the software of calculation of loss amount, and analyzed quantificationally intensity of water erosion, based on this module, water erosion rule of loess slope’s typical testing areas were calculated and contrasted. At last, the method of data binding from water erosion data to GIS functional module was explored to transform factors to maps, contacted factors and spatial maps, created thematic maps for results of numerical value computing as well as.
(3) Researched theories of fractal Brown motion and fractal dimensions of landscape, virtual landscape of slope was constituted with the help of the random mid-point displacement algorithm, and increased sky and terrain textures by OpenGL technology to enhance the reality of sense. After that, went deep into dynamic process of water erosion on slope, displaied the water erosion process in 3D.
After the investigation, it could provide visualized calculation of erosion model for the circumstances of water and soil loss on the Loess Plateau, analyzed spatially 2D maps of erosive spatial data, virtualized the erosive landscape on slope in 3D and simulated the process of water erosion dynamically. In a word, it implemented simulation of numerical value and images of soil erosion research.
引文
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