基于多要素控制的水利水電工程三維建模技術(shù)分析

徐杰

【摘要】通過開發(fā)水利水電工程防洪預警的三維虛擬仿真平臺，在計算機中將整個沙溪流域以及周邊的情況模擬出來，利用DEM數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等資料采用Terra Vista軟件對沙溪流域內(nèi)的地形地物進行建模，建立三維可視化平臺，實時顯示流域內(nèi)水庫的蓄水量以及洪水的演進過程，以提高防洪決策的科學性和效率，進而為流域內(nèi)的防洪調(diào)度提供良好的虛擬平臺。

【關(guān)鍵詞】水利水電工程；三維建模；多要素控制；虛擬仿真平臺

引言

三維地質(zhì)建模是將地下三維空間中的各種地質(zhì)數(shù)據(jù)信息，綜合起來建立的三維定量模型。地質(zhì)數(shù)據(jù)具有多時態(tài)、多量和多維度的特征，其建模的精確度一直是國內(nèi)外關(guān)注的重點問題。因此如何增加輔助的數(shù)據(jù)確保建模的精確度是本文研究的主要問題。以工程復雜的水電工程的地質(zhì)數(shù)據(jù)為例，通過其他地質(zhì)建模的成功經(jīng)驗為本文的三維建模提供參考的價值。

1、流域概況

沙溪作為三明市最大的河流，是閩江的發(fā)源，全長為328公里，流域內(nèi)面積為10267m2。各級的支流為99條，其中西溪、羅口溪、嵩口溪、羅豐溪、文川溪、巴溪、胡貢溪、漁塘溪、東溪（沙縣）、豆士溪集雨面積超過了300平方千米。沙溪流域內(nèi)全年降水豐沛，平均年降水量在1650-1800mm之間，在4-6月和7-9月春夏之交冷暖氣團和東南沿海臺風的影響造成洪澇災害頻發(fā)，洪水流量大、歷時長，從起漲到落平一般約3-5天。目前沙溪流域內(nèi)建立了安砂水庫，水庫控制流域的面積為5184km2，水庫總庫容7.4億立方米，為沙溪流域內(nèi)的防洪防汛提供了安全保障。近年來隨著三明市經(jīng)濟社會的發(fā)展，沙溪流域內(nèi)的地形和植被遭受了很大的破壞，導致流域內(nèi)的氣象水文呈現(xiàn)特征性的改變，沙溪流域內(nèi)面臨著嚴峻的洪澇災害形勢，給人民的財產(chǎn)安全造成了極大的威脅。因此急需對三明市沙溪流域內(nèi)的情況進行實時的監(jiān)測，提高防洪防汛工作的有效性。

2、軟件平臺與開發(fā)工具

可采用Terra Vista3.0軟件進行地形建模，地物建模采用Multistage Creator2.5軟件進行，三維建模的存儲采用Open Flight格式文件。采用OPen GVS4.5完成三維場景的驅(qū)動。整個系統(tǒng)的開發(fā)采用Visua C++6.0。流域內(nèi)的具體地物包括橋梁、閘門以及建筑物等，采用Open GL對流域內(nèi)的水流進行動態(tài)的模擬，完成函數(shù)的計算。

2.1 仿真數(shù)據(jù)庫以及三維可視化平臺。三維虛擬仿真平臺的開發(fā)以數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)，可以采用空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫兩種形式對沙溪流域內(nèi)的防洪預警進行三維虛擬仿真。空間數(shù)據(jù)庫能夠存儲流域范圍內(nèi)三維地形和地物的模擬，而屬性數(shù)據(jù)庫能夠?qū)⒘饔騼?nèi)的流量數(shù)據(jù)、水位以及遙感影像等以文字、圖片和視頻的方式進行存儲，并且以此為依據(jù)，作為流域內(nèi)防洪防汛預警信息的評估依據(jù)。首先將沙溪流域內(nèi)的地形以1：50000的等高線數(shù)據(jù)和遙感影像進行定位的建模，獲取標準的矢量數(shù)據(jù)。為了將河網(wǎng)水系和蓄洪區(qū)的水流進行動態(tài)的演進，可對流域內(nèi)的地形和河道等進行三角網(wǎng)的加密，并且將其嵌入到地形中，形成鑲嵌式的結(jié)構(gòu)模型。地形的建模采用Terra Vista3.0來完成，集合其DEM、遙感影像和各種的矢量數(shù)據(jù)生成三維模型。從宏觀上將流域內(nèi)的地形形態(tài)反映出來，微觀上以矢量數(shù)據(jù)為支撐獲取流域內(nèi)的細節(jié)地形狀況，進而生成比較逼真的場景。按照流域內(nèi)地物的重要程度，可以分為普通的建模和典型的建模。普通實體的建模主要有流域內(nèi)的道路、建筑物以及標志牌等，能夠在軟件中提供點線面的矢量數(shù)據(jù)，并將對應的實體等模擬出來。典型建模主要是針對流域內(nèi)具有重要性和代表性的水利設(shè)施和建筑物等進行建模，如堤壩、水文站、大壩等，這些水利設(shè)施的模擬可以采用Creator軟件進行精細化的建模，建成后標注相應的地理位置信息。

2.2 視景數(shù)據(jù)庫的存儲。視景數(shù)據(jù)庫的存儲能夠生成三維的圖像景觀，并且非常的精確可靠。Open flight格式的文件能夠根據(jù)地物的幾何構(gòu)造建成三維模型，進而構(gòu)建成不同的三角面，完成不同面的組合，最后構(gòu)造成完整的形體。Open flight格式能夠存儲三維實體顯示的相關(guān)信息，如顏色、文理等，這些信息能夠增強模型的真實感，能夠根據(jù)模型的性質(zhì)便于控制。按照層次化的結(jié)構(gòu)，視景數(shù)據(jù)庫能夠進行有效的組合和管理，便于仿真應用程序?qū)鼍暗恼鎸嶄秩尽?/p>

2.3 三維可視化平臺的建立。三維可視化平臺的建立需要在計算機上將三維的場景和地形進行真實的演示，將流域內(nèi)各種信息資源進行有效的整合和表現(xiàn)。采用圖形工作站建立沙溪流域內(nèi)的防洪預警三維仿真平臺，采用VisualC++進行開發(fā)，由初始化的程序、圖形信息的集中顯示以及程序的安裝和卸載三個部分構(gòu)成三維可視化平臺的控制程序。

3、防洪預警平臺的功能以及應用

3.1 淹沒分析。本研究通過DEM建模計算實現(xiàn)某一點有實測淹沒水深的區(qū)域進行淹沒范圍的分析和計算，同時在地圖上可以選定一個點將該點的經(jīng)緯度輸入，設(shè)定淹沒水深，系統(tǒng)能夠自動生成淹沒的范圍和面積。沙溪流域采用二維水動力學分析，將洪水演進的過程以及淹沒的范圍和水深的分布等情況顯示出來，根據(jù)這些數(shù)據(jù)將堤壩內(nèi)的蓄水量計算出來。流域內(nèi)三維可視化系統(tǒng)能夠真實的表達三維空間的具體情況，真實的反應流域內(nèi)的地形和地貌，并且為數(shù)字模型的計算提供科學的數(shù)據(jù)。將水電站洪水演進過程中的淹沒范圍、水深分布以及流速大小通過三維可視化虛擬仿真平臺演示出來，根據(jù)提供的這些實時參數(shù)，能夠計算出對應時刻水電站的蓄水量，從而為削減沙溪流域洪峰提供正確的依據(jù)。

3.2 災情評估。通過淹沒以及洪水演進過程確定洪水的影響范圍，通過對流域內(nèi)土地利用、人口分布等信息的疊加分析，能夠?qū)⒘饔騼?nèi)受影響的淹沒面積以及人口等詳細的信息顯示出來。收集流域內(nèi)DEM、遙感影像以及實時水情等數(shù)據(jù)，并進行綜合的分析和處理，可用于對流域內(nèi)淹沒的范圍、洪水演進以及災情情況進行具體的評估，并且采用模擬軟件構(gòu)建流域內(nèi)的大場景，綜合開發(fā)流域內(nèi)防汛空間展示與分析、數(shù)據(jù)服務(wù)等功能，為沙溪流域的防汛提供輔助。

4、結(jié)語

本文以沙溪流域內(nèi)的防洪防汛為研究實例，利用計算機技術(shù)和三維仿真技術(shù)構(gòu)建流域內(nèi)的數(shù)字信息，對流域內(nèi)的防洪相關(guān)信息進行實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測和洪水預報，構(gòu)建虛擬化的模型和可視化的平臺，為三明的防汛決策提供科學的數(shù)據(jù)支持。