图像技术

用3D图像技术预测洪水

今年6月,在美国中西部的艾奥瓦州、伊利诺伊州泛滥起百年一遇的大洪水。大雨接近几周不见消停,成千上万的人不得不背井离乡,防汛部门则焦头烂额地寻找对策。国会议员和科学家们都很想知道,是什么原因使得今年的洪水来势如此之猛?来年又该怎样应对这样的汛期?美国《大众机械》杂志报道称,对这个问题,研究人员的回答是:让我看一场3D电影再给你答案。

他们所说的“电影”,是用计算机系统得出的3D效果图像序列。该系统的开发者,是美国圣路易斯大学地球科学家蒂姆·柯斯基带领的团队。或许有人会说:暴雨见了柯斯基的系统不会停下,洪水见了也不会绕道,这种虚拟的系统到底有何作用?

该系统的最大意义在于,给洪灾提供精确预期以避免大的损失,这种预期是一般的天气预报所做不到的。一般说来,钢筋混凝土建筑物不怕来自空中的风吹雨打,但对地面的洪灾却无能为力。如果一名开发商打算在密西西比河这样“危险”的大河沿岸开发房产,那么他最好付点钱给柯斯基,用他的系统先做一次全面分析,否则来年洪水上房顶就等着哭吧。

该系统对城市规划也很有帮助。如果一条大河贯穿某座城市,只要根据历年数据分析出洪水泛滥范围的变化,就可以因地制宜地利用土地。

柯斯基的这套系统名曰“地质墙”,光是建立系统就花了25万美元。“地质墙”现在位于圣路易斯大学环境科学中心,它的底层数据包括密西西比河上游盆地各种对象详细的三维模型,建模对象细至山脉、山谷、河床、堤坝、停车场、摩天大楼。有了这些数据,再结合实时降雨量等气候数据,就能分析出洪水的覆盖范围。当政府内部为洪水会经过哪里而争得不可开交时,柯斯基可以站出来当一回裁判。

对于计算结果,人们一般会用平面图像指代立体效果。但为了使效果更逼真,“地质墙”的研究人员采用了3D技术。柯斯基团队使用两台高端投影仪,生成两幅清楚、互相偏移的图像,再用类似电影院里使用的3D眼镜观察,所看到的就是立体效果。研究人员会输入河流流量、降雨量等数据,再结合数学模型,观察洪水的蔓延过程。有时,研究人员看到的3D效果甚至能媲美电影画面,他们感觉自己“飞翔在广阔的冲积平原上”,“像飞机一样在山谷间猛冲”。

这个能预测洪水的系统所依赖的数据有两种:宏观的地形数据,以及微观的地质数据。为了使模拟接近真实,地形数据基本来自大型的卫星遥感测量,如美国国家航空航天局的星载热量散发和反辐射仪、远程传感地球资源卫星、航天飞机雷达地形测量。用到的地质数据,则是基于地质部门官方公布的数据与实地测量,如植被厚度、土层成分组成、渗透性。因此,“防火墙”能准确反映当年汛期的洪水变化情况。

除了防患于未然,研究人员的工作还能帮助了解洪水泛滥与土地使用情况的关系。根据过去几年间拍摄到的图像,可以跟踪土地使用情况的变动,这些变动主要是人为活动造成的,如植树造林、围湖造田、沼泽地填埋、城区扩建、新建工厂等。结合洪水泛滥情况,可以总结出人类某项活动对洪水泛滥的影响,从而选择在后续的变化中做出调整。

例如,研究人员分析得知,过度开发湿地与兴建堤坝都会加大洪水危险。湿地在缓冲洪水方面的作用已得到公认,但如今,多数地区的湿地被过度开发。数据显示受开发影响,密西西比河沿岸湿地蓄水能力降低到原来的1/5。这是近年来这条大河兴风作浪的重要原因。人们为了保护城区的商业街、工业园区和居民区,动辄兴建几十公里长的堤坝,但这反而造成了恶果:当河流被限制到更窄的河道里,再遇强降雨时,洪峰来势更加凶猛。

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