三維動態可視化技術在水利工程中的應用研究

楊慶運

（山東水利建設集團有限公司，山東 濟南 250109）

經濟建設增加了各地對水利工程的基建需求，較大的需求量和水利工程在國家基建的重要地位加大了國家對于水利工程的重視程度，但是水利工程建筑的繁多品種和其中錯綜復雜的關系加大了水利工程的建筑難度。三維可視化技術誕生于20世紀80年代，作為一種集圖像顯示、計算機圖像處理、素描等多種處理方式為一體的技術，三維可視化技術被廣泛應用于地質測繪等專業，文章主要是通過實例發掘三維可視化技術在水利工程中的應用價值。

1 三維動態可視化技術的基本原理和發展現狀

1.1 三維動態可視化技術的基本原理

三維可視化就是利用三維數據，通過建模的方法，以3D的形式把測量數據顯示在屏幕上。三維建模作為三維可視化技術的關鍵，三維技術的優化程度與三維圖像的逼真科學程度成正比。根據科學原理分析，客觀上實現三維可視化技術可分為以下兩種方法：第一種方法是以等值面為基準進行圖像繪制，具體操作流程就是將數據抽取等值面，然后使用三維數據進行建模；第二種方法是以體素數據為基準進行單元繪制，體素大致分為顯示和透明度調節兩部分，其主要目的就是通過對透明度的調節顯示內部變化，避免了傳統顯示方法的內部遮擋問題。相較于傳統的數據建模，三維可視化的數據建模需要大量的按照面、體分布的數據[1]。

1.2 三維動態可視化技術的發展現狀

現階段隨著經濟發展和市場需求的穩步提升，三維可視化技術的發展速度逐年上升。市場需求不僅促進了三維動態可視化技術的廣泛應用，還推動了可視化工具等三維可視化相關儀器的研發，例如Open GL和Direct X。其不僅作為現階段最大的3D圖像（3 Dimensions）的應用程序接口，而且實現了3D圖像的底層設計。隨著經濟的發展推動，現階段國內外的三維可視化應用程序層出不窮，例如AVS（信源編碼標準）、VR Map等。這些軟件促進了三維動態可視化技術的應用率提升。

將三維動態度可視化技術與水利工程建筑相結合來看，三維動態可視化技術是服務于水利工程建設的，其實際數據對水利工程進行的實際檢測所產生的數據可以真實宏觀地反映水利建設的真實情況。三維動態可視化技術的本質就是通過圖像和圖形的方式對方針計算過程的追蹤與追蹤結果的處理分析。把三維可視化技術廣泛應用于水利工程建筑不僅能夠降低工作人員的工作量，而且數字化的檢測分析平臺和科學的檢測數據增加了檢測工作的安全性。通過數據進行仿真建模分析，可以對施工環境進行仔細分析，避免因為施工場地的測量漏洞導致施工后期頻頻出現問題。

2 水利工程的三維可視化系統構建

2.1 數據管理模塊構建

在三維動態可視化技術中，空間數據庫和屬性數據庫的調節工作主要依靠數據管理模塊來完成，通過數據管理模塊來實現對繁多數據的多重管理和各個類別數據的科學整合。數據管理模塊不僅包括各種基礎數據的組織工作，而且對每組數據之間的拓撲關系進行整合，整體數據不僅涵蓋了基礎數據的時間序列和空間序列，而且記錄了各項時間數據和空間數據的變化細節[2]。在三維動態可視化技術中，整體的數據管理模塊不僅是系統科學運轉的基石，而且為應用三維可視化技術的水利工程、地質檢測提出了基礎的技術保障。

2.2 圖形顯示模塊構建

圖形顯示就是利用不同的繪制手段將三維空間數據和三維空間屬性數據轉變為三維圖形，通過把繪制的三維圖形展現在可視化平臺上進行基礎的圖像數據分析。圖形顯示模塊之所以作為數據庫建立運行的基礎，是因為通過三維圖形的顯示不僅可以讓技術人員更加直觀地認識監測的整體數據和基本形態，而且面對工程中的突發問題也可以根據顯示圖形進行全面分析[3]。由此可見，進行圖形顯示模塊的構建不僅能完善水利建筑工程企業的三維動態可視化技術的工作流程，而且有利于解決實際建設中的突發問題。

2.3 圖形操作模塊構建

對可視化界面顯示的圖形進行更新、改進和完善就是圖形操作的主要工作。在水利工程的基建建設過程中，要根據建設施工場地的實際環境和招標文件中的具體要求進行設計，這不僅關系到水利建筑在面對后期驗收工作的達標率，而且關系到水利建筑工程在投入使用后期的意外發生率。由此可見，圖形操作模塊與水利工程設施的安全程度有著直接聯系，因此在采用三維動態可視化技術于水利工程建設過程中一定要注重圖形操作模塊的構建，便于進行安全分析的技術人員及時解決水利工程建筑施工過程中的安全問題[4]。

2.4 圖形分析模塊構建

隨著科技發展和市場需求，可視化交互系統的逐漸完善不僅促進了計算機計算施工區域中各項參數的準確性，還促進了可視化界面的更新換代，通過圖形分析模塊的構建，不僅實現了實際數據輔助水利工程施工的目的，而且促進了各項基礎數據與時間相結合的科學數據對整體施工進度的科學化把控。由此可見，在水利建筑工程施工過程中，先進技術的應用不僅能夠完善工程管理模式，還可達到施工進程的科學控制，在保證建筑質量的前提下進行科學的速度把控，避免在盲目增速大環境中對水利工程建筑的質量忽略問題的頻繁發生。

3 三維動態可視化技術在水利工程中的應用

3.1 水閘水下沖坑監測

水下部位的止水失效、閘基土流失、結構斷裂、沖坑和塌陷現象是造成水閘地基滲流異常和閘水流流態異常的主要原因。為了避免此類現象頻繁發生而造成人民群眾生命財產的較大威脅，不僅在前期的施工和中期的質檢驗收中嚴格把關，在水利工程投入使用后也要進行定期質檢[5]。我國境內大量水利工程建筑需求和現存的大量水利工程不僅增加了水利工程的建筑施工工作量，而且加深了投入使用的定期檢測的檢測工作量。現階段通過科技手段對水利工程建筑進行監控，通過監控數據進行科學檢修。這種方法的使用不僅節省了定期檢測的人力成本和物力成本，而且相較于傳統的檢測方式，科技手段測量的數據更加全面準確。例如，一個運行多年的水庫，因為下流水流的沖坑對水閘的安全運行有較大影響。在進行維修之前的數據監測中需要幾十條的測量數據，人力測量不僅費時、費力，而且測量產生的誤差較大。但是使用三維動態可視化技術進行測量不僅可以得到準確的數據，而且可以繪制出精確形象的三維可視化圖幫助維修。

3.2 滲透監測

無論是傳統施工技術建造的水利工程還是新型建造技術建造的水利工程，其常見的隱患都是水利工程的滲漏。造成水利工程滲漏的原因有很多，對于未發生的滲漏和破壞，現階段的檢測技術還做不到全面檢測，在檢測過程中存在較多的漏洞，在水利工程建筑已發生滲漏在檢測中會出現波形不均勻的現象[6]。因此這一性質被滲透檢測工作和防滲工作廣泛應用，其主要過程：把實際考察檢測的數據作為三維體數據，然后把三維體數據進行可視化，最后對可視化圖形進行數據分析，使用分析數據作為滲漏檢測工作的指導方針。

3.3 地下連續墻質量監測

在水利工程中，對于地下連續墻的質量檢測主要以高頻彈性脈沖波的波形記錄作為依據。在湖區探測檢查區域內不同的混凝土密實度參數后，將這些信息參數進行信息處理加工，然后通過三維可視化一起進行質量檢測。這樣不僅能夠較為直觀地進行地下連續墻的展示，而且可以通過形象直觀的可視圖進行地下墻的質量分析[7]。此項方法常用于堤防加固工程，主要方法是采用切槽混凝土對地下墻進行加固防滲處理，在處理后采用三維高密度電法對加固范圍的地下墻進行質量檢測，檢測結果一般采用voxler軟件進行三維可視化效果圖的繪制，通過分析三維可視化效果圖，得到質量良好的結果后進行存檔，以便于下次堤壩維修。如果分析結果出現質量問題，則采用科學方法進行加固，以保證加固后的堤壩可以投入使用。

3.4 內部隱患監測

水利工程并不是某一項工程的具體表達，水閘工程、水庫工程、堤防工程等工程都是水利工程，這些工程長期處于水流與堤岸間干濕交替的惡劣環境，不僅前期的施工建設難度大于陸地建設施工建設難度，而且因為水流的沖刷后期容易出現各種各樣的問題，為了保證樹立工程建筑的實際作用，在投入使用后要對其進行定期檢修工作[8]。相較于傳統檢修工作耗費的巨大人力、物力，三維動態可視化技術這種以數據建模為技術的可視化技術不僅在檢測結果的準確性方面有較大提高，而且有助于基礎數據信息向標準涂層化信息的轉變，這就是圖層可視化的基本原理。與傳統的基礎圖像可視化相比，圖層可視化對于水利建筑內部的基礎情況可以清晰展現，從而在檢修工程中通過全面的水利工程基礎信息進行針對性地加固或者維修，不僅可以合理解決內部隱患，而且增加了水利工程的使用壽命。

4 結束語

綜上所述，三維動態可視化技術在水利工程專業中起著重要作用，其精確的數據模擬和逼真的場景呈現技術不僅極大地增加了用戶體驗感，而且提高了水利工程工作人員的工作效率，在保證水利建筑工程質量的同時為國家水利工程事業做出了較大幫助。由此可見，三維動態可視化技術作為可以提高工作效率的重要技術，一定會成為一個重要的研究方向。