三維可視化技術在水利水電建設中的應用

劉武+項春+夏為

摘 要：該文提出了基于GIS和三維可視化平臺的水利水電施工系統模型三維可視化結構及施工過程。首先介紹了基于GIS的三維可視化，討論了構建三維可視化數字模型的方法，然后介紹了地形數字化技術、特征建模技術，最后，技術路線表明，該方法具有良好的實用性。

關鍵詞：水利水電工程 三維可視化 過程模型 空間分析

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（b）-0060-03

Abstract： This paper put forward the structure and construction process of three-dimensional visualization of hydroelectric construction system model based on GIS and 3D visualization platform. The paper first describes the 3D visualization based on GIS， then discusses the method of constructing 3D visual digital model， and then introduces the terrain digital technology， feature modeling technology. Finally， the technical route shows that this method has good practicability.

Key Words： Water conservancy and hydropower engineering； 3D visualization； Process model； Spatial analysis

水利工程設計是一個復雜的系統，它涉及地質、地震、測繪、構造、力學以及計算機圖形學等多個領域。因其地理條件復雜、地質信息繁多，給前期工程的勘測、后期設計和施工帶來了巨大的困難。然而，目前的設計工作大部分仍停留在過去傳統二維圖紙上的設計。傳統的設計理念和方法，不僅造成資料的利用率低、工作效率低，而且提取信息的精度差，往往與實際情況產生較大的差異。在水利水電工程設計中引入三維可視化技術，不僅直觀的反映了水利工程的建筑物形態，而且大大提高了設計效率和資料利用率[1]。

通過信息化建設，將信息技術、圖像處理技術、現代管理技術與水利工程設計相結合，帶動設計方法和工具的創新、工程管理模式的創新，實現工程設計和工程管理的信息化、施工過程的數字化，從而全面提升我國水利工程的競爭力[2]。在水電水利工程設計實施過程中，特別是山塘水壩的建設，充分運用視覺設計技術，將大大提高山塘水壩工程的設計水平和效率，促進施工管理的發展走向現代化，現代化的施工管理可以降低工程成本，為國家的經濟發展做出更大的貢獻[3]。基于此，該文回顧并總結了三維數字化可視化技術在水利水電工程中的應用，對三維可視化技術在水利水電工程中迅速發展與應用提供一定的借鑒與指導作用。

1 三維可視化技術

可視化是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術[4]。可視化技術是一門綜合性學科技術，它是計算機仿真技術、3S 技術、可視化和虛擬現實技術多門學科的綜合體[5]，三維可視化技術具有廣闊的應用領域和發展前景[6]。

可視化的核心技術包括：（1）將收集階段獲得的地形、測繪數據和結果轉換為可視化的圖形或圖像數據；（2）基于面向對象編程技術實現用戶圖形界面的可視化建模設計。可視化模型過程如圖1所示。

2 基于GIS的三維可視化原理

可視化是將數據處理的抽象結果轉化為圖像和圖形結果。一般由點、線圖、網格、體素等基本視覺圖元模型組成，然后對建立的模型進行渲染和顯示。

2.1 基于GIS建模的思想與優勢

在各級水利建設中可以分解成子系統，其中包括主要的臨時擋水壩建設等子系統、圍堰施工子系統、放電結構和改變水的子系統。利用GIS能夠存儲和處理不同對象在不同位置的分布式地理空間的拓撲關系，可以實現對周圍物質的模擬，然后通過坐標變換將每一個子系統坐標轉化成統一的地理空間坐標。在相同地形背景的虛擬工程環境中，實現了每個子模型協調統一，從而在宏觀層面形成水利施工建設系統可視化。

在地理信息建模系統中，對模型屬性進行編碼和基本幾何元素建立屬性表。由于圖形對象與模型的屬性特性具有一定的內部關聯，因此在訪問圖形對象的同時可以獲取其空間坐標、拓撲結構和相關屬性信息。因此，利用數據三維可視化技術，通過直接訪問進程便可獲取屏幕圖形對象各自屬性。例如，通過堤壩和地形相交的邊界線，可以自動獲得相對位置的交叉空間圍堰模型和數字地形模型的關系。

2.2 構建各類物理模型

根據材料特點及類型的不同，建模采用的方法也大不相同。

（1）指的是空間幾何對象模型可以描述幾何特征和拓撲關系，只有一個描述它的構造函數體表面邊界表示和計算幾何方法，都反映出表面的物理性質也有其內部的空間分解方法的性能特點。三維實體模型是由基本元素的組合而成，并通過對這些基本元素的變形和算術運算，如旋轉、縮放、平移、剪切和反射變換構造。點、線、面、體四個基本幾何元素可以構成任意三維抽象物體，然后將這四個基本幾何元素集合起來并對三維物體進行渲染便可構造更復雜的物體。三維實體模型是建立在絕對真實數字矢量模型基礎上的，因此它可對任何可測量的元素進行實際測量。

（2）對于云、山、樹等不規則物體，一般采用統計分形幾何建模。常用分形建模方法首先是用一般形狀或結構來描述物體的整體特征，然后通過光或隨機漫反射變換將靜止精細結構圖像表現出來[4]。對于地形建模而言，則是通過對已知的一系列離散高程數據點進行數據插值方法實現。實際建模方法可通過幾何分形法也可采用曲面造型的方法。

曲面造型是離散的數據點通過曲線擬合和插值的方法對離散數據的重構。曲面也可通過離散的多邊形網格逼近曲面。曲面的精度是由離散的近似四邊形或三角形網格的數量決定的。

（3）通過粒子系統建模方法，可以實現一些模糊而且不規則的物體模型的構建，如火花、煙、水等。粒子系統建模的基本思想是：利用大量具有一定大小和性質的微小粒子的基本元素來描述模糊不規則對象，這些微小基本元素具有自己的屬性，如形狀、坐標系、顏色、生存時間等[5]。粒子流模擬系統基于大量的粒子在運動過程中被看作是由一組預先定義的隨機過程來控制粒子的形狀特征、流動方向、速度和動態特性的位置。通過程序給定的期望平均值和最大方差的隨機過程統計分析，每個粒子具有隨機運動特性。該方法考慮了建模的模型在外部環境和干擾的情況下的隨機擾動，更符合真實運動情況[7]。

3 靜態實體造型系統的構建

通過3D可視化技術對水利水電施工現場地形和各種地物進行數字化建模。它能夠真實反映施工地形、建筑物的整體布局、地基等方面的挖掘和填充三維過程以及外觀及其他有用的信息。其創建過程的流程圖如圖2所示。

（1）通過數字地形模型（DTM）或實際測繪收集地表點的空間坐標（x、y、z）以及各物體的屬性，并建立相應的數據特性表來表征地物模型的特征。

（2）通過施工現場的DTM表對地形進行切割和充填。由于DTM模型是由許多不規則的三角形組成，并且每個三角形的性質特征大不相同（其中包括面積、海拔、坡度、角度等）。

（3）通過建立施工系統三維數字化模型，可以實現實際圖像的輸出，同時可以進行實時可視化操作以及三維GIS空間分析。

（4）基于CAD圖形建模技術。實體CAD圖形建模技術（圖3）。用CAD軟件實現整個過程建模系統，或者用鼠標直接繪制模型庫的一個構件，具有拼合成幾何空間在計算機屏幕上使用的功能。

4 結語

與傳統方法相比，三維可視化建模作為一種可視化建模的新技術不僅具有更加真實三維動態實時顯示效果，使不熟悉的地質結構和構造設計工作者對地質空間結構關系有一個十分直觀的認識。該文回顧并總結了三維數字化可視化技術在水利水電工程中的應用，對三維可視化技術在水利水電工程中迅速發展與應用提供一定的借鑒與指導作用。

參考文獻

[1] 鐘登華，李景茹，黃河，等.可視化仿真技術及其在水利水電工程中的應用研究[J].中國水利，2003（1）：67-70.

[2] 左健揚，倪萬魁，景博.三維可視化滑坡地質模型的研究與應用[J].災害學，2017，32（1）：60-64.

[3] Huang Wenbin，Xiao Keyan，Chen Xuegong，et al.Development of 3D visualization prototype system of mineral reserves estimation[J].Mineral deposit geology，2006， 25（2）：207-212.

[4] Zhu Liangfeng，Pan letter，Wu Xincai.Design and development of 3D geological modeling and visualization system[J].Rock and soil mechanics，2006，27（5）：829-832.

[5] Zhong Denghua，Song Yang.With the application of GIS water resources and hydropower engineering 3D visual graphic simulation method[J].Journal of engineering graphics，2004（1）：52-58.

[6] Huang Shanglei.Introduction and analysis of three dimensional design method for hydraulic and Hydroelectric Engineering[J].Guangdong science and technology， 2012（9）：75-76.

[7] 郁智，朱茂濤.基于ENVI和ArcScene三維地表可視化研究——以云南會澤鉛鋅礦為例[J].價值工程，2017，36（5）：189-191.