三維GIS在水利工程規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用

邵 瀚，茍勝國，李揚杰

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

目前大部分水利工程規(guī)劃設(shè)計的工作還是基于傳統(tǒng)的二維AutoCAD圖形設(shè)計，這種工作方式導(dǎo)致地形資料利用不充分、規(guī)劃方案不直觀、設(shè)計效率低下等問題，所表達(dá)的信息存在著一定的局限性[1]。隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在水利工程規(guī)劃設(shè)計中引入三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)，可以實現(xiàn)流域級別場景的可視化表達(dá)，既可以直觀地反映水利工程各個施工建筑物模型，也可以對工程區(qū)域進行淹沒分析、坡度分析、填挖方分析等三維分析功能，從而為水利工程初期規(guī)劃設(shè)計工作提供科學(xué)的規(guī)劃依據(jù)和理論支撐，使規(guī)劃設(shè)計方案更加科學(xué)和合理，并提高工程規(guī)劃技術(shù)水平和設(shè)計效率[2-3]。

本文探討了三維地理信息系統(tǒng)在水利工程規(guī)劃設(shè)計中應(yīng)用的技術(shù)流程，闡述了三維場景創(chuàng)建、三維地物模型生成、三維服務(wù)發(fā)布等技術(shù)步驟，針對規(guī)劃階段水工建筑物的設(shè)計和利用特點，提出了兩種建模策略，分別針對永久建筑物的精細(xì)化建模和針對變更建筑物的參數(shù)化建模，并調(diào)用3DML API中的接口實現(xiàn)三維服務(wù)發(fā)布模型的自動化建模。最后以某中型水庫為例，引入三維GIS技術(shù)實現(xiàn)工程場景及設(shè)計方案三維可視化表達(dá)的需求，為方案比選提供技術(shù)支撐。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 ArcGIS Pro

ArcGIS Pro是ESRI公司推出的全新一代的64位桌面GIS產(chǎn)品，同上一代桌面產(chǎn)品相比，ArcGIS Pro支持二三維一體化的展示方式，能夠?qū)崿F(xiàn)二三維數(shù)據(jù)交互聯(lián)動，在水利工程初期規(guī)劃階段，可以在三維界面方便查看各類工程布置措施，并在二維界面上進行方案修改。其自身基于64位架構(gòu)為內(nèi)核的特點使得數(shù)據(jù)承載力變得更為強大，在傳統(tǒng)軟件上難以正常加載和展示的空間數(shù)據(jù)，在ArcGIS Pro上可以流暢瀏覽和便捷操作，該特性使得涉及流域范圍大、時空跨度長的水利工程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理非常適應(yīng)于在ArcGIS Pro上完成。除之以外，ArcGIS Pro繼承了Geoprocessing工具和ModelBuilder模塊，能夠?qū)Σ煌δ芄ぞ哌M行組合和流程化建模，提高數(shù)據(jù)處理的正確性和效率。

圖1 技術(shù)流程

1.2 SkylineGlobe

SkylineGlobe系列軟件是一套基于3S技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的三維地理信息系統(tǒng)平臺，通過TerraBuilder、TerraExplorer和TerraGate 3個產(chǎn)品模塊有序?qū)崿F(xiàn)三維場景創(chuàng)建、展示和服務(wù)發(fā)布功能。用戶利用航空和衛(wèi)星影像、地形高程數(shù)據(jù)和其他矢量數(shù)據(jù)、3D模型，可以快速創(chuàng)建自定義的交互式的三維可視化場景，進行瀏覽、查詢、分析和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。對于開發(fā)者來說，軟件開放自身的API，不論是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境還是單機應(yīng)用，都可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求開發(fā)定制功能，建立個性化的三維地理信息系統(tǒng)[4]。

2 三維GIS構(gòu)建技術(shù)流程

水利工程通常涉及范圍廣、戰(zhàn)線長，部分供水線路跨度長，傳統(tǒng)的水利工程布置規(guī)劃設(shè)計方案的三維構(gòu)建方式內(nèi)存消耗較大。本文首先利用對航空和衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型等進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，快速構(gòu)建三維地表場景，然后采取兩種不同的建模方案，針對水利工程中的壩體、溢洪道、發(fā)電廠房等永久建筑物利用外部建模軟件進行精細(xì)建模，對長距離供水管線搭建ModerBuilder模型自動計算三維參數(shù)，進行參數(shù)化自動建模，高效構(gòu)建地物三維模型，最后將三維模型轉(zhuǎn)化為3DML網(wǎng)絡(luò)發(fā)布格式，進行三維地形場景和模型發(fā)布，實現(xiàn)水利工程規(guī)劃階段設(shè)計方案的快速可視化和方案比選。具體三維GIS構(gòu)建技術(shù)流程如圖1所示。

2.1 三維場景的創(chuàng)建和優(yōu)化

利用TerraBuilder快速創(chuàng)建三維地形場景，并優(yōu)化三維場景展示表達(dá)，具體流程如下：

(1)影像數(shù)據(jù)預(yù)處理。包含格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系統(tǒng)建立及轉(zhuǎn)換、影像幾何校正、影像裁剪、影像勻光勻色、影像鑲嵌等步驟。

(2)地形數(shù)據(jù)預(yù)處理。通常情況下，在工程區(qū)和庫區(qū)擁有大比例尺地形圖，而在輸水管線區(qū)擁有1∶10 000地形圖，為了構(gòu)建精細(xì)化地形數(shù)據(jù)，需要對地形數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包含異常值去除、地形校正、地形拼接、創(chuàng)建TIN、地形填洼、地形修改等步驟。

(3)影像與地形的融合。在TerraBuilder中新建工程文件，根據(jù)工程區(qū)域大小選擇相應(yīng)的投影模型，TerraBuilder提供了以WGS84為基準(zhǔn)的球面投影和平面投影兩種模型，若選擇平面投影模型需要設(shè)置合適的平面坐標(biāo)系統(tǒng)。然后導(dǎo)入處理后的影像數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，根據(jù)工程展示精度要求，對數(shù)據(jù)進行地理參數(shù)設(shè)置、色彩直方圖調(diào)整、場景范圍裁切、高程設(shè)置等。最后建立多級金字塔MPU文件，便于流暢分級展示三維場景，并將數(shù)據(jù)打包生成三維地表模型MPT文件。

2.2 三維地物模型的生成

三維地物模型的生成主要包含兩種方法，在水利工程規(guī)劃設(shè)計階段，大壩、溢洪道、綜合泵站、取水建筑物、發(fā)電廠房等永久性建筑物可以采用SketchUp、3ds Max、CATIA等外部建模軟件進行精細(xì)建模；供水管線、設(shè)計道路在規(guī)劃階段經(jīng)常變更的簡單模型，結(jié)合Geoprocessing工具搭建Modelbuilder模型進行參數(shù)化自動建模。

2.2.1 外部建模工具精細(xì)建模

以擋水大壩建模為例，首先根據(jù)設(shè)計底圖進行建模處理，將CAD設(shè)計文件導(dǎo)入到3ds Max軟件中，設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)，使X、Y、Z軸線與地基平行，將建模單位設(shè)置為米，模型比例為1∶1，利用建模工具進行建模。模型建成后，需要對模型進行紋理映射，選定模型對象，點擊菜單欄上材質(zhì)編輯器，點擊貼圖，選擇漫反射并選擇賦予對象的材質(zhì)或貼圖[5]。由于TerraGate暫不支持發(fā)布各種外部建模軟件的模型格式，因此需要將精細(xì)建模的模型輸出為.fbx格式，在輸出參數(shù)幾何體選項中選擇“平滑組”、“渦輪平滑”、“將變形虛擬轉(zhuǎn)化為骨骼”、“保留邊緣方向”選項，以保證輸出模型的完整性和紋理貼圖的正確性。然后將.fbx模型文件導(dǎo)入到CityBuilder軟件中，在模型屬性頁里設(shè)置其Positon參數(shù)，定義坐標(biāo)系統(tǒng)并賦予坐標(biāo)信息和高度值，使手工建模的模型具備正確的空間位置信息，最后利用Create 3DML工具使模型轉(zhuǎn)化為支持三維服務(wù)發(fā)布的.3dml格式文件。

2.2.2 結(jié)合Geoprocessing工具的參數(shù)化建模

以輸水管線建模為例，傳統(tǒng)輸水管線方案通常在1∶10 000比例尺地形圖文件上進行二維布設(shè)，設(shè)計方案缺少直觀的三維呈現(xiàn)方式，難以反映各管線的立體空間位置關(guān)系以及工程周圍現(xiàn)場環(huán)境。在水利工程規(guī)劃設(shè)計階段，輸水管線布設(shè)方案經(jīng)常變更，采用手工精細(xì)建模的方法會導(dǎo)致建模時間成本增加，造成三維建模效率的降低。因此，本文結(jié)合Geoprocessing工具對管線模型進行參數(shù)化建模。

2.2.2.1管線關(guān)鍵節(jié)點的提取

輸水管線三維建模是以二維設(shè)計文件為基礎(chǔ)的，首先利用ArcGIS Pro中CAD to Geodatabase工具將CAD文件轉(zhuǎn)換為FeatureClass標(biāo)準(zhǔn)GIS格式，利用Simplify Line工具提取特征管線，參數(shù)設(shè)置選擇Douglas-Peucker算法并設(shè)置合理容差，可避免管線節(jié)點過于密集，影響管線自動建模效果。利用Feature vertices to points工具提取特征管線的關(guān)鍵節(jié)點[6]。

2.2.2.2管線三維空間參數(shù)的計算

為了實現(xiàn)管線自動參數(shù)化建模，需要獲取管線節(jié)點的三維空間參數(shù)，首先利用Add Fields工具為其添加管線節(jié)點的空間和屬性數(shù)據(jù)字段，其中管線空間信息包含節(jié)點的三維坐標(biāo)(X、Y、Z)、管段長度Length和姿態(tài)(航偏角Yaw、傾斜角Pitch、旋轉(zhuǎn)角Roll)，屬性數(shù)據(jù)包含類型Type、管線材質(zhì)Texture、半徑Radius等信息。然后管線節(jié)點坐標(biāo)X和Y可以利用Add XY Coordinates工具寫入；利用Extract Multi Value to Points工具提取工程區(qū)DEM管點對應(yīng)的高程值作為Z值；假設(shè)A點為當(dāng)前管點，B點為連接管點，管段長度Length計算公式為

航偏角計算公式為

傾斜角Pitch計算公式為

旋轉(zhuǎn)角Roll表示繞管道中心線旋轉(zhuǎn)的角度，此參數(shù)不影響管段的形狀和姿態(tài)，統(tǒng)一賦值為0，管段姿態(tài)參數(shù)如圖2所示[7]。最后管點屬性數(shù)據(jù)根據(jù)初步規(guī)劃設(shè)計方案的實際情況給其賦予相應(yīng)屬性信息。上述步驟可以結(jié)合Geoprocessing工具搭建ModelBuilder模型，實現(xiàn)三維管線參數(shù)化建模，如圖3所示。

圖2 管段姿態(tài)示意

圖3 三維管點ModelBuilder模型

2.2.2.3管線三維模型自動創(chuàng)建

通常管點類型包含了主管pipe、連接器connector、管點形狀sphere等類型，若要自動創(chuàng)建三維管線模型，還需要針對不同的管點類型制作.xpl模型模板，可以利用外部建模工具建立相應(yīng)的.3ds模型，導(dǎo)入進TerraExplorer中，使用Make XPL工具轉(zhuǎn)化為.xpl格式模型。最后，在C#應(yīng)用程序中引入3DML.Api.dll動態(tài)鏈接庫，利用3DML API提供的_3DMLCreator接口創(chuàng)建3DML對象，使用AddDataSource方法，三維空間參數(shù)的管點數(shù)據(jù)和XPL模型作為傳入?yún)?shù)，自動創(chuàng)建3DML格式管線模型。

2.3 三維服務(wù)的發(fā)布及訪問

通過上述步驟，已經(jīng)生成了三維地表場景和三維地物模型，可以利用TerraGate對地表場景和地物模型進行服務(wù)發(fā)布，方便水利工程規(guī)劃設(shè)計人員快速訪問和比選設(shè)計方案。TerraGate提供了Terrain Service地形服務(wù)模塊和SFS管理器分別用來發(fā)布三維場景MPT文件和3DML三維地物模型。針對地形場景發(fā)布，進入TerraGate Manager頁面，啟動Terrain Service模塊，在General分頁中IP地址填寫服務(wù)器地址，TCP端口避免使用默認(rèn)80端口，防止引發(fā)沖突。在Terrain Database Directories分頁中，添加三維場景MPT文件所在的目錄并對MPT文件命名，再通過TerraGate Manage啟動地形服務(wù)。針對矢量數(shù)據(jù)和3DML地物模型的發(fā)布，打開TerraGate SFS Administration，通過Data Sources界面填寫數(shù)據(jù)所在目錄，在Layers界面選擇要發(fā)布的要素和模型既可實現(xiàn)服務(wù)發(fā)布。在TerraExplorer加載MPT窗口中輸入服務(wù)地址可實現(xiàn)服務(wù)訪問，通過SFS連接工具即可輕松加載已經(jīng)部署的矢量要素服務(wù)和3DML三維模型服務(wù)。

3 應(yīng)用實例

本文實驗以黔東南州某中型水庫為例，在制作了該區(qū)域三維場景MPT模型的基礎(chǔ)上，對面板堆石壩、溢洪道、取水建筑物、綜合泵房、施工導(dǎo)流洞等永久性建筑物使用外部建模工具進行精細(xì)建模，對縣城供水管線、灌溉管線、進場道路等在規(guī)劃設(shè)計階段容易變更的模型采用了結(jié)合Geoprocessing工具的參數(shù)化建模方案。設(shè)計人員遠(yuǎn)程訪問各類三維服務(wù)，實現(xiàn)了水利工程規(guī)劃設(shè)計方案的三維瀏覽和查詢分析。三維GIS在水利工程規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用示例如圖4所示。

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng)二維的CAD圖上規(guī)劃設(shè)計方案相比，引入三維GIS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水利工程規(guī)劃設(shè)計方案的真實三維可視化展示，使得設(shè)計人員對工程區(qū)域現(xiàn)場環(huán)境和地形條件有一個直觀的認(rèn)識。本文闡述了三維GIS應(yīng)用于水利工程規(guī)劃階段的技術(shù)流程，針對規(guī)劃階段水工建筑物的特點，提出了兩種地物模型的建模策略，并結(jié)合Geoprocessing工具搭建ModelBuilder模型實現(xiàn)管線數(shù)據(jù)的參數(shù)化建模，并以某水庫為例試驗論證了該方法在水利工程規(guī)劃階段方案設(shè)計和比選的可行性，對三維GIS技術(shù)在水利工程中的迅速發(fā)展和應(yīng)用提供一定的經(jīng)驗參考。

圖4 水利工程規(guī)劃設(shè)計方案三維GIS展示