基于GIS理論的水電工程三維設計新方法研究

趙永輝

淵西藏自治區水利電力規劃勘測設計研究院袁850000袁拉薩冤

水電工程技術研究和應用一直是工程界關注的焦點。近年，隨著我國經濟技術和計算機軟、硬件技術的快速發展，水電工程三維設計與可視化研究進入了全新發展時代。中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司首先開始了三維工程設計，并建立了三維設計團隊。隨后，長江勘測規劃設計研究院、中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司、中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司等相繼建立了三維設計平臺。截至目前，國內各大設計院乃至地質隊紛紛加入三維工程設計行列，提升了設計質量。三維工程設計的魅力在市政、道橋、鐵路等行業同樣受到青睞。

目前，主流的三維設計軟件很多，如 UG、Pro/Engineer、IDEAS、Solid-Works、Inventor、CATIA、Civil 3D、Revit等。但是沒有一款軟件專門為水電工程三維設計量身打造，同時一些三維工程設計產品未能體現三維實景效果。本文通過分析眾多地質軟件的特色功能模塊，并結合地質學理論知識，探索出一套基于GIS理論的水電工程三維設計新方法。

一、水電工程三維工程設計的必要性

眾所周知，水電工程建設周期較長，需要經過決策、實施等階段，參建方眾多，包括業主方、設計方、施工方、監理方等。整個建設周期內，工程設計占據主導地位，其質量直接決定著整個工程的優劣。現行水電工程設計理念主要以二維圖紙為主，施工方以二維設計圖紙為依據在三維實體空間中進行施工作業。不難發現，從二維向三維轉化的過程存在設計盲區，這也增加了施工階段出現設計變更的可能。與交通工程、市政工程等比較，水電工程設計過程相對復雜，對最終設計質量要求較高。因此，水電工程設計技術革新勢在必行，而加強水電工程三維設計不失為一條具有前瞻性的發展途徑。通過分析已完工水電工程三維設計實例，其具有以下優越性：①水電工程三維設計作品形象直觀，可視化程度極高，可從三維空間各個方位進行設計和觀察，激發水工設計人員的創作靈感。②水電工程三維設計集合各個專業技術人員協同工作，極大地提高了設計質量和設計效率。③通過水電工程三維設計，業主、施工和監理能準確理解設計意圖，有助于技術交底和經濟方案必選。④水電工程三維設計還可進行后期數值模擬和渲染水電工程三維效果圖。

二、某水電工程三維設計實例

勘察是設計的基礎，水電工程三維設計也不例外。建立準確的三維地質模型是水電工程三維設計的重點和難點，如果沒有三維地質模型，三維設計無從談起。下面以西南某水電站三維設計為例，介紹整個設計流程，主要分三維地質建模和三維水工設計兩個步驟詳述。

1.三維地質建模

建立三維地質模型需要詳實的基礎地質數據。如果工程規模巨大，一般的工程地質測繪很難滿足其要求。同時，為確保精度要求，現階段三維地質建模數據主要來源于無人機航拍。但是受各方面條件制約，很多地區一般不易開展無人機航拍工作。因此，基于GIS理論，利用SRTM DEM數據和Google Earth影像數據完成了三維地質建模。

眾所周知，SRTM DEM數據和Google Earth影像坐標系為WGS-84地理坐標系，其很容易轉化為UTM（通用橫軸墨卡托投影）投影坐標系。我國采用的坐標系主要為西安80坐標系和北京54坐標系 （高斯—克呂格投影），以及最新的國家CGCS2000地理坐標系。以上坐標系差別較大，如果隨意疊加數據，容易造成數據丟失或引起系統誤差。因此，建模之前，所有數據必須統一坐標系。由于本次建模數據主要為SRTM DEM數據和Google Earth影像，因此選定UTM坐標系為統一坐標系。目前，實現各坐標系之間的數據轉換并非難事，一般采用ArcGIS、Global mapper以及中國地質大學MapGIS和Section等。鑒于本次需要處理的SRTM DEM數據包含強大的地理信息，而Global mapper是專門為地理信息處理技術而生，可將DEM數據處理為不同格式的數據。本次GIS數據處理選用Global mapper，基于UTM坐標系，采用SRTM DEM數據生成間距為10m的等高線，以研究區四個角點處的地理坐標作為控制點，利用Global mapper準確地獲取了研究區的等高線數據。

用AutoCAD打開截圖的研究區等高線數據，可見其中包含多個圖層，但我們并不需要全部數據。因此，對研究區SRTM數據添加閉合邊界線，并進行徹底的數據過濾處理，將文件標注圖層、屬性圖層全部清除，最后只留等高線數據。至此，即可使用該數據生成三維地質模型。目前，有兩種方法可生產三維地質模型。具體如下：

（1）基于三維數據建立3D Surface地表模型

由于AutoCAD等高線數據無法直接建立3D Surface地表模型，且Auto CAD對等高線三維數據的提取功能相對復雜，可操作性較差。因此只能通過接口程序或者其他方式對AutoCAD等高線進行數據提取，然后保留其中的三維數據，刪除其他數據。此時的三維數據存在行列方向上分布不均的可能，如果直接采用將會影響后期三維模型的表現力。因此，采用克里金插值法對保留的三維數據做必要處理，最后生成3D Surface模型。該方法便于生成三維地質模型，且色彩表達效果較強，但是不方便后期的水電工程三維設計，目前只處于三維地質模型階段。如果能突破后期數據轉換，將該格式的三維地質模型導入現存設計平臺，將大大縮短三維設計周期。因此，有待研究人員進一步探索。

（2）利用等高線數據建立GOCAD Surface地表模型

本方法簡單方便，不必生成三維地質數據，使用AutoCAD等高線數據即可完成。將AutoCAD過濾數據加載到GOCAD的Curve中，直接利用GOCAD生成Surface地表曲面模型，然后保存為CATIA可識別格式。

將上述CATIA可識別數據利用CATIA的DSE模塊中的Export功能加載，生成CATIA地表模型。至此，完全可以基于CATIA三維設計平臺，進行后期全面的三維水工、機電等方面的設計。同時，還可以借助CATIA三維模型進行三維數值計算與效果圖制作。長江勘測規劃設計研究院張德文、黃少華、胡瑞華等多位業內專家對此已經完成了多項研究，對國內三維設計的推廣影響較大。但是，CATIA三維設計也存在一些不便之處，一方面，CATIA三維設計需要團隊協同合作，個人很難完成高質量設計；另一方面，CATIA三維設計平臺不是專門為水電工程設計量身打造，使用過程中需要數據接口程序，如鉆孔數據的錄入程序等，而接口開發難度相對較大，一般短期內不易實現。鑒于上述原因，通過分析各款軟件的優勢功能模塊，又將CATIA地表模型加載至3D Max進行后期設計。

3D Max的強大在于其優秀的三維設計與渲染功能，為三維設計人員提供了一個完整的設計平臺，幫助設計人員充分發揮設計靈感。3D Max地表數據模型加載成功后，可實現多種數據格式和視圖方位間的切換，方便后期設計。具體可通過平面建模、修改、剪切等命令，在3D Max中得到三維地質模型的實體，然后為實體模型添加相應的材質和Google Earth二維圖紙貼圖，即得到研究區三維地質模型。

2.三維水工設計

就三維水電工程設計而言，3D Studio Max的優勢毋庸置疑，但是缺點也顯而易見，其并非為水電工程三維設計行業量身打造，難以建立復雜的三維地質模型。本例基于GIS理論， 借助Global mapper、AutoCAD 等一系列軟件協同工作，建立了工程區的三維地質模型。在此基礎上，根據水電工程設計資料和設計人員的要求，3D Studio Max可完成幾乎所有的后期任務。下面以重力壩和拱壩為例，分述采用3D Studio Max完成不同水電工程三維設計任務的具體步驟。

（1）三維重力壩模型

如果擬建電站大壩壩型為重力壩，三維設計人員可利用二維設計圖紙、設計高程、壩軸線位置等一系列相關數據，在Max修改器的幫助下完成相應的三維重力壩模型。然后，將設計部件按圖紙進行裝配。最后，將其按設計要求與三維地質模型結合（見圖 1）。

（2）三維拱壩模型

如果設計壩型為拱壩，設計流程與重力壩相同，按拱壩原始設計圖紙建立相應的三維拱壩實體模型，然后將其與三維地質模型相結合，根據工程布置的需要，添加水電站啟閉平臺等其他模型，即可得到拱壩三維設計模型。

本例只介紹具有代表性的步驟，在實際水電工程三維設計中，還需實現水電站輸水洞、溢洪道等整套水工構筑物三維設計。

圖1 重力壩三維設計模型

三、結論與展望

1.結論

本項水電工程三維設計技術有效解決了水電工程行業乃至其他三維工程設計的重點、難點，即準確建立三維地形模型。與以往的三維水電設計技術相比，本項技術的特點主要有以下幾方面：

①本項技術基于GIS理論完成了Google Earth地形數據的準確投影，建立了真實的三維地形，并已將其成功應用至水電工程三維設計中。結果表明，其可視化程度更高，能更好地服務于難以開展工程測繪地區的水電工程三維設計。

②本項技術對無人機測量依賴程度較低，在缺少無人機或者無法獲取工程測繪數據的條件下可以較好地完成水電工程三維設計任務。

③本項技術不僅適用于三維水電工程設計，而且適用于公路、市政建設、防災減災等諸多領域的三維工程設計，應用與普及范圍較廣。

④本項技術不依賴于某單一方法，最終的三維設計任務由多款軟件多種渠道協同完成。本著 “取其精華，去其糟粕”的設計理念，利用各款軟件自身的優勢功能模塊發揮其最大價值。同時，技術流程中的各個環節并非一成不變，只要善于嘗試多加思考，每個操作環節都有技術突破的可能，便于后期完善和改進。

2.展望

由于該項技術為初期成果，有待完善與改進。根據本人對本項三維設計技術存在問題和三維設計行業的認識，結合自身知識儲備展望如下：

①水電工程三維設計的整個過程涉及計算機、地質、水工設計等專業。其中計算機和地質專業是整個三維工程設計的重點和難點，如果沒有三維地質模型，水電工程三維設計無從談起。因此，專業技術人員必須加強相關專業的學習。

②水電工程三維設計的全部任務幾乎都由計算機實現，整個設計過程中并非“會用軟件”即可，還需要設計人員開發接口程序并結合地質專業知識進行操作。本人認為后期可利用NET平臺基于C#開發接口程序，實現三維設計模型與FLAC 3D等之間的數據共享，便于數值計算。

③目前本項技術定格在靜態三維階段，加強后期學習，突破動態三維，即可逐步接近BIM（Building Information Modeling）理念。 ■