三維技術在國內水利行業的應用現狀分析

王學軍，李炳，孫秀國

（1.濟南市南水北調工程建設管理局，山東濟南 250000；2.濟南市水利建筑勘測設計研究院，山東濟南 250014）

三維技術在國內水利行業的應用現狀分析

王學軍1，李炳2，孫秀國2

（1.濟南市南水北調工程建設管理局，山東濟南 250000；2.濟南市水利建筑勘測設計研究院，山東濟南 250014）

首先提出三維技術目前在工程管理中應用，對比GIS技術和VR技術，提出GIS技術主要側重在全局的分析、決策層面，可應用在防洪、防災、數字流域等層面，VR技術主要側重在效果逼真的、精細化業務管理層面，可應用在工程建設管理、工程運行維護管理、安全應急培訓、技能培訓等具體業務上；在此基礎上，筆者預測虛擬現實技術（VR技術）在水量水質監測、安全生產、信息化與自動化管理、工程運行維護等方面將會具有巨大的應用空間。

三維技術；地理信息技術；虛擬現實技術；水利現代化

三維技術是將關注的對象以三維立體的形式呈現，提供直觀化的輔助手段，方便工作人員進行相關的分析、決策、管理等業務。近年來，在大力發展水利事業的背景下，在實現水利現代化的進程中，三維技術在水利行業得到了廣泛應用。從技術層面上看，主要分為地理信息技術（GIS技術）和虛擬現實技術（VR技術）。

1 地理信息系統（GIS）及水利應用

地理信息系統（Geographic Information System或Geo－Informationsystem，GIS）有時又稱為“地學信息系統”或“資源與環境信息系統”，是一種特定的十分重要的空間信息系統，是在計算機硬、軟件系統的支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。

地理信息系統以其對大范圍區域展示和地表真實再現的特性，廣泛應用在水利的分析決策系統上。如，灤河流域水庫群聯合調度三維展示平臺是基于Skyline軟件設計的，主要實現三維信息的展示、查詢、空間數據分析、洪水演進、淹沒分析等功能；遼寧水利工程三維地理信息管理系統項目基于EV-Globe三維地理信息平臺，集成全省水利工程數據、水利矢量地圖、三維模型，可為遼寧省防汛提供全省三維地理信息模擬實況，并可利用衛星雷達信息數據展示災后實際災情狀況，為遼寧省防汛減災提供及時準確的資料。此外，大型灌區水利工程設施通常分布在廣闊的地域上，傳統的基于臺賬和紙質地圖的管理方式，對水利工程設施空間分布的信息缺乏足夠的表現力，灌區工情GIS技術的應用，將整個工程信息通過電子地圖的方式進行展示，能直觀、形象地完成灌區工程設施的管理工作。

2 虛擬現實技術（VR技術）及水利應用

虛擬現實技術是以三維圖形技術為基礎，結合多媒體、主體視覺、傳感技術等技術創造出一個讓人身臨其境的虛擬世界。虛擬現實技術具有3個基本特征——可用3個“I”表示：沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、構想（Imagination）。其中沉浸感是指用戶和計算機的交互方式是自然的，就像現實中人與自然交互一樣，完全沉浸在通過計算機所創建的虛擬環境中；交互性是指在虛擬現實系統中，用戶不再是被動地接受計算機所給予的信息或者是旁觀者，而能夠使用交互輸入設備來操控虛擬物體，以使虛擬世界發生改變。構想是指用戶利用虛擬現實系統可以從定性和定量綜合集成的環境中得到感性和理性的認識，從而深化概念和萌發新意。目前，基于虛擬現實技術的水利三維應用項目大多還處于研究階段或初級階段。

華北水利水電學院的碩士論文基于Unity3D的南水北調三維場景漫游系統，完成了南水北調中線工程中保定市l段設計單元的基本場景漫游展示，并嘗試將系統與數據庫連接，進行數據展示和查詢。天津大學的碩士論文水利工程三維可視化仿真系統真實感實現，采用Visual Studio 2008開發工具，Qt實現界面開發，以三維圖形開發應用庫OSG為基礎，利用C++語言編程實現了“引漢濟渭”水利工程可視化仿真系統，主要解決三維顯示的真實感實現問題。

3 兩種技術的比較

文章從兩種技術的費用成本、應用的深度挖掘、集成性、擴展性、靈活性等方面進行了綜合比較。

1）GIS技術應用模式主要是以成熟軟件進行二次開發。從成本上講，首先需要購買GIS軟件，目前主流GIS軟件價格都在十幾萬至幾十萬間，費用較高，VR技術的核心是三維引擎，目前有逐步開源的趨勢，像UE4、Unity3D相繼推出了免費版本，收費版本每個月也就十幾美元。

2）應用的深度挖掘上，GIS技術局限于軟件架構，只能是和地理信息應用相關，無法進行虛擬角色在場景漫游、添加天氣特效、進行協同作業模擬等。VR技術不僅能使地理信息三維再現，更能夠在三維場景中進行漫游、特效處理、協同作用、運行模擬等，其在應用的深度挖掘上不存在瓶頸。

3）集成性、擴展性、靈活性上，GIS技術局限于軟件架構，集成性、擴展性、靈活性上受軟件架構影響較大。VR技術大多是開源的，或采用跨平臺的組件技術，集成性、擴展性、靈活性上優勢明顯，可靈活地進行關系數據庫、實時數據庫的集成；可進行業務功能的擴展，不僅能夠進行三維靜態管理，也可以進行三維動態管理；可靈活地進行應用部署。

綜合以上對兩種技術的比較，GIS技術主要側重在全局的分析、決策層面，可應用在防洪、防災、數字流域等層面。VR技術主要側重在效果逼真的、精細化業務管理層面，可用在工程建設管理、工程運行維護管理、安全應急培訓、技能培訓等具體業務上。

4 發展趨勢

山東省水利廳黨組高度重視現代水網建設，明確提出要以工程建設為主抓手，加快推進山東水利現代化進程。在此背景下，濟南市大力發展水利工程基礎建設，近幾年，已完成或正在進行的就有多項市級重點工程，如玉符河臥虎山水庫輸水工程、田山灌區與濟平干渠連通工程等。這些水利工程的特點就是以連通多種水源、多條輸水干線為目標，實現跨區域、多路徑調水。這些水利工程建成后，怎樣利用現代最新技術手段進行安全生產、信息化與自動化調度、水量水質監測、工程運行維護等運行、技術、經營等方面的高效率、低成本、高效益管理成為當務之急。

安全生產、信息化與自動化管理、水量水質監測、工程運行維護等都屬于具體的業務范疇，采用某種信息化手段輔助這些具體業務管理時，隨著與業務不斷結合，會不斷有新的業務需求提出，這就要求采用的信息化手段具備與具體業務深度融合的潛能。隨著業務的深入，在三維再現的基礎上，不僅需要關聯各類關系數據庫和實時數據庫，而且還需要多種形式滿足安全生產、自動化管理、工程運行維護等業務，如設置事故狀態進行應急處置模擬、基于三維畫面的自動控制、運行維護業務技能培訓等。濟南市南水北調工程建設管理局在玉符河臥虎水庫輸水工程中進行了實踐，將30 km長的輸水線路，包括泵站、管道、閘閥等，全部建立了三維可視化模型，并按照管理需求將工程動態信息管理、風險點控制、安全預警、安全管理標準化及演練、操作培訓、場景地圖等與三維模型結合，建立了三維可視化管理平臺，使管理參與者達到“身在其中”的效果。

[1]邱林，等.灤河流域水庫群聯合調度及三維仿真[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[2]王冉.基于Unity 3D的南水北調三維場景漫游系統[D].河南：華北水利水電學院，2012.

[3]魏瑩.水利工程三維可視化仿真系統真實感實現[D].天津：天津大學，2012.

（責任編輯 崔春梅）

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1009-6159（2016）-11-0003-02

王學軍(1968—)，男，高級政工師