淺析三維可視化技術(shù)在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用

丁 凱 王 凱

（中國安能集團(tuán)第一工程局有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

水利水電工程建設(shè)過程紛繁復(fù)雜，其中將會(huì)涉及多個(gè)范圍領(lǐng)域的專業(yè)內(nèi)容，信息數(shù)據(jù)量大，將三維可視化技術(shù)應(yīng)用在水利水電工程建設(shè)過程中，能夠提高水利水電工程設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度和有效性，并幫助水利水電企業(yè)形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，提升水利水電工程的具體建設(shè)效果。

1 水利水電工程建設(shè)中三維可視化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技發(fā)展，我國的三維可視化技術(shù)正處于不斷建設(shè)發(fā)展過程中，并被廣泛應(yīng)用于方方面面。在水利水電工程項(xiàng)目中應(yīng)用三維可視化技術(shù)能夠在勘測(cè)階段、設(shè)計(jì)階段以及施工管理階段予以技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)水利水電工程建設(shè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的立體勘測(cè)、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)獲取水利工程勘測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)水電工程關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，并能夠水利水電工程項(xiàng)目勘測(cè)效果，創(chuàng)造社會(huì)價(jià)值。

2 水利水電工程建設(shè)中三維可視化技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 智能應(yīng)用

三維可視化技術(shù)主要是以三維空間的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)，再加上運(yùn)用人機(jī)交互系統(tǒng)，因此被廣泛應(yīng)用于水利水電工程建設(shè)中?，F(xiàn)階段，許多水利工程已經(jīng)在流域管理工作中積累很多工作經(jīng)驗(yàn)，借助三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)表達(dá)，能夠在一定程度上簡(jiǎn)化工作流程，完成科學(xué)管理業(yè)務(wù)。

借助三維可視化技術(shù)獲取而來的三維數(shù)據(jù)和水利水電工程設(shè)計(jì)方案，使相關(guān)工作人員能夠借助現(xiàn)場(chǎng)拍攝照片和視頻資料構(gòu)建水利水電工程的三維模型，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)水電工程現(xiàn)場(chǎng)的虛擬化展示。開啟漫游模式幫助相關(guān)工作人員能夠進(jìn)一步獲取水利水電工程數(shù)據(jù)資料以及設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用情況、完成模型精細(xì)化處理，并將生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等信息體現(xiàn)在三維平臺(tái)上，提高數(shù)據(jù)交互效率[1]。三維可視化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)一般包括2種方法，分別是基于等值面的體繪制和基于體素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行單元繪制。采用基于等值面的體繪制時(shí)間通過數(shù)據(jù)抽取，運(yùn)用多邊形擬合三維數(shù)據(jù)。采用基于體素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行單元繪制，是現(xiàn)階段的1種主流繪制方式，從而將體素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成離散的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)陣。圖1是體素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行單元繪制的工作原理。

三維可視化技術(shù)需要采集盡可能多的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分布處理。數(shù)據(jù)網(wǎng)格化一般采用MATLAB語言中的meshgrid函數(shù)和voxler 軟件中的Gridder模塊進(jìn)行模擬處理，將數(shù)據(jù)信息以切片圖、立體圖的方式進(jìn)行展示。工作人員可以借此實(shí)現(xiàn)智能管理和三維演示，簡(jiǎn)易方便地反映水利水電工程的建設(shè)情況[2]。

圖1 體素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行單元繪制

2.2 智能培訓(xùn)

在水利水電工程建設(shè)過程中一般會(huì)采取集控中心的形式，但是部分集控中心相關(guān)工作人員并不具備相關(guān)的工作經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)技能水平，因此在日常的水利水電工程建設(shè)工作中，如果遇到問題并不能夠及時(shí)解決問題。應(yīng)用三維可視化技術(shù)對(duì)相關(guān)工作人員展開虛擬智能培訓(xùn)，在整個(gè)培訓(xùn)過程中幫助相關(guān)工作人員熟悉設(shè)備操作，有效提高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力和設(shè)備調(diào)度水平[3]。

現(xiàn)階段，我國三維可視化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在水利水電工程施工過程中，并在地質(zhì)勘測(cè)以及土木建筑方面都取得了顯著的成效。三維可視化技術(shù)的仿真性和渲染動(dòng)畫性都在不斷提高，將三維可視化技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程建設(shè)領(lǐng)域也成為當(dāng)前國際科技競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，三維可視化技術(shù)能夠幫助工作人員提高工作效率、減少數(shù)據(jù)誤差，通過在模型對(duì)象間或根據(jù)對(duì)象高進(jìn)行計(jì)算，形成仿真性計(jì)算，在一定程度上提高水利水電工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，將三維可視化技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程建設(shè)中不僅提高工作人員的經(jīng)濟(jì)效益，還能夠減少不必要的工作時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高管理效率。

2.3 工程建設(shè)

將三維可視化技術(shù)應(yīng)用在水利水電工程建設(shè)中，能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)工作予以數(shù)據(jù)支持，為水利水電工程建筑的布置、選址等多個(gè)流程提供技術(shù)保障。三維可視化技術(shù)能夠構(gòu)建水利水電工程三維地貌，進(jìn)一步剖析和研究水利水電工程三維模型，通過設(shè)計(jì)圖表就可以對(duì)工程建設(shè)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，極大地簡(jiǎn)化了水利水電工程工作流程，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率[4]。此外，運(yùn)行三維可視化技術(shù)構(gòu)建而成的參數(shù)化模型相比于傳統(tǒng)的建筑模型，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，數(shù)據(jù)效果直觀簡(jiǎn)潔，工作人員也可以根據(jù)水利水電工程建設(shè)需求與建設(shè)情況調(diào)整建設(shè)模型，使其更加準(zhǔn)確清晰。

需要注意的是，應(yīng)用三維可視化技術(shù)能夠有效增強(qiáng)水利水電工程既有成果的重復(fù)利用率，從而使水利水電工程返工情況和犯錯(cuò)概率有所降低，有效縮短水利水電工程設(shè)計(jì)時(shí)間，提高整個(gè)水利水電工程建設(shè)效果。三維可視化技術(shù)在水利水電工程建設(shè)過程中壩體工程以及不同點(diǎn)位的體積計(jì)算更加簡(jiǎn)單，完成對(duì)地質(zhì)建模材料用量的計(jì)算。

借助三維可視化技術(shù)手段進(jìn)行水利水電工程建設(shè)也能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)布置施工平臺(tái)，并添加相應(yīng)的水利水電工程制約條件，提高水利水電工程現(xiàn)場(chǎng)布置地形平面圖的精準(zhǔn)度。三維可視化水利水電工程信息管理系統(tǒng)主要應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)、三維可視化與虛擬仿真等技術(shù)，并依托于三維可視化技術(shù)管理平臺(tái)，集合并應(yīng)用各類數(shù)據(jù)信息，很大程度地豐富和拓展了水利水電工程信息管理的內(nèi)涵，提高了水利水電工程的建設(shè)水平和效果，為水利水電工程建設(shè)的全方位管理提供數(shù)據(jù)支撐。

從施工導(dǎo)流和圍堰的角度進(jìn)行分析，水利水電工程和水保持著緊密關(guān)聯(lián)，在水利水電工程建設(shè)中，水的存在將會(huì)促使施工難度增加，采用導(dǎo)流技術(shù)能將“活水”引開，降低施工時(shí)的不良影響。水利水電工程建設(shè)在河流上游，上游水勢(shì)湍急，危險(xiǎn)性高，將三維可視化技術(shù)應(yīng)用其中可以預(yù)先進(jìn)行判斷，考慮到各種不良影響，盡可能地減少水利水電施工對(duì)于周邊居民的干擾，影響施工工期。

2.4 地理信息模型

通過在水利水電工程測(cè)繪工作中獲取得到的各類數(shù)據(jù)信息資料，能夠幫助水利水電工程建設(shè)相關(guān)工作人員構(gòu)建流域地理信息模型，在一定程度上對(duì)水利水電工程的河道信息、流域地形等內(nèi)容集中進(jìn)行展示，并可以根據(jù)水流演進(jìn)算法計(jì)算洪水演進(jìn)情況和水利工程中的水位漲落情況。借助三維可視化技術(shù)獲取得到的汛限水位進(jìn)行信息處理，從而為整個(gè)指揮決策工作提供基本的信息支撐和信息保障。與此同時(shí)，水利水電工程建設(shè)工作人員可以通過構(gòu)建流域三維模型，全方位、系統(tǒng)地展示水電大壩、雨水遙測(cè)站以及公共安全機(jī)構(gòu)的信息數(shù)據(jù)，發(fā)揮流域數(shù)據(jù)圖的應(yīng)用功能。

在三維可視化技術(shù)應(yīng)用過程中，地標(biāo)數(shù)字地形模型是水利水電工程三維空間模型建設(shè)過程中的重要組成部分，也是整個(gè)運(yùn)算操作的受體。以地形表面模擬的角度進(jìn)行分析，通常包括規(guī)則格網(wǎng)模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型方面，并在整個(gè)地表數(shù)字地形模型的整體構(gòu)建中，將獲得信息數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，通過對(duì)應(yīng)算法生成水利水電工程建設(shè)的TIN模型。水利水電工程建設(shè)而成的TIN模型，精確度相對(duì)較高。在水利水電工程開展淺基礎(chǔ)施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照作業(yè)面展開后續(xù)施工，確保地基土結(jié)構(gòu)的完整性，結(jié)合地質(zhì)情況和土地規(guī)劃，確保水利水電工程安全有效。

水利水電工程結(jié)構(gòu)本身存在建模方式的區(qū)別。1）從參數(shù)化實(shí)體建模方法的角度進(jìn)行分析，在整個(gè)三維空間模型的構(gòu)建過程中，水利水電工程相關(guān)工作人員需要一定的數(shù)據(jù)分析能力，可以通過幾何參數(shù)與關(guān)系構(gòu)建約束方程，并在此后根據(jù)約束方式獲取各種圖素信息資料。從參數(shù)設(shè)計(jì)過程的角度進(jìn)行分析，需要水利水電工程相關(guān)工作人員能夠?qū)Ρ憩F(xiàn)對(duì)象的設(shè)計(jì)要素和約束條件建立數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，當(dāng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)構(gòu)建完成后，模型能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整和更新位置信息。圍堰、溢洪道工程結(jié)構(gòu)通常會(huì)采用參數(shù)化實(shí)體建模方法，工程圍堰截流如圖2所示。2）從實(shí)體建模的角度進(jìn)行分析，在實(shí)體建模過程中主要通過運(yùn)用AutoCAD實(shí)現(xiàn)整個(gè)模型搭建過程、實(shí)現(xiàn)對(duì)于水利水電工程結(jié)構(gòu)不同部件范圍內(nèi)三維模型的搭建過程，并將模型進(jìn)行處理，從而呈現(xiàn)許多不易顯現(xiàn)的特殊部位結(jié)構(gòu)[5]。

圖2 水利水電工程圍堰截流圖

2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)控

在水利水電工程建設(shè)過程中應(yīng)用三維可視化技術(shù)能夠在一定程度上幫助工作人員實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程的全程監(jiān)控，有效實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)防控。當(dāng)水利水電工程維護(hù)和檢修時(shí)，其中存在許多點(diǎn)位的工作現(xiàn)場(chǎng)，整個(gè)維護(hù)檢修流程復(fù)雜，涉及范圍廣泛全面，其中包括大量的交叉性作業(yè)，因此應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高水利水電工程建設(shè)項(xiàng)目的安全風(fēng)險(xiǎn)防控水平，加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)控力度，提高安全風(fēng)險(xiǎn)防控水平，并可以在水利水電項(xiàng)目建設(shè)工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，當(dāng)相關(guān)工作人員長(zhǎng)期不在項(xiàng)目工程點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，保證水利水電工程項(xiàng)目整體建設(shè)安全。將三維可視化技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程項(xiàng)目中能夠在一定程度上完成對(duì)整體建設(shè)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)報(bào)警，有效提高風(fēng)險(xiǎn)防范水平。

我國的水利水電工程設(shè)計(jì)一般都是在二維平面上完成的，無法直觀地獲取和觀察地貌信息，給工程設(shè)計(jì)造成阻礙，三維可視化技術(shù)的應(yīng)用能夠有效解決這個(gè)問題。運(yùn)用三維可視化技術(shù)將整個(gè)水利水電工程項(xiàng)目中所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行施工和維修等，技術(shù)能夠有機(jī)將水利水電工程項(xiàng)目中涉及的數(shù)據(jù)信息和材料內(nèi)容都整合到模型當(dāng)中，并通過三維可視化技術(shù)獲取得到的數(shù)據(jù)資料為水利水電工程設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁?shù)據(jù)支持和保障。在水利水電工程建設(shè)發(fā)展過程中，對(duì)項(xiàng)目信息和工作人員的實(shí)時(shí)監(jiān)督十分重要。水利水電工程項(xiàng)目建設(shè)從開始落實(shí)到維修檢測(cè)，每個(gè)環(huán)節(jié)都將會(huì)經(jīng)歷1個(gè)漫長(zhǎng)又煩瑣的工作流程，會(huì)在很大程度上影響水利水電工程建設(shè)項(xiàng)目的順利進(jìn)行。通過三維可視化技術(shù)對(duì)水利水電工程項(xiàng)目的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠?qū)㈨?xiàng)目變更數(shù)據(jù)、工作人員工作情況進(jìn)行記錄和保存，并提供給相關(guān)工作人員，提高水利水電工程建設(shè)項(xiàng)目的效率。

2.6 質(zhì)量檢測(cè)

將三維可視化技術(shù)和水利水電工程相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)工程質(zhì)量的檢測(cè)工作，三維可視化技術(shù)能夠與水利工程質(zhì)量共同構(gòu)建出1種仿真體，從而模擬出實(shí)際數(shù)據(jù)信息，通過圖像現(xiàn)實(shí)的方式提高工作人員的工作效率和工作質(zhì)量。可視化技術(shù)能夠保證檢測(cè)環(huán)節(jié)的高效運(yùn)行。圖3是水利質(zhì)量檢測(cè)可視化關(guān)鍵技術(shù)模擬圖。

圖3 水利質(zhì)量檢測(cè)可視化關(guān)鍵技術(shù)

以水閘水下沖坑檢測(cè)為例進(jìn)行分析，某水閘在運(yùn)行多年的情況下會(huì)因?yàn)橄掠嗡鏖L(zhǎng)期沖刷形成沖坑，嚴(yán)重影響了水閘安全。可以通過三維可視化技術(shù)，借助matlab軟件設(shè)置相應(yīng)的水下三維地形圖，從而通過圖片直觀了解水閘情況和沖坑大小。

此外，三維可視化技術(shù)還普遍應(yīng)用于水利水電工程項(xiàng)目的智能檢查驗(yàn)證中，通過平臺(tái)監(jiān)測(cè)，幫助工作人員實(shí)時(shí)檢查和驗(yàn)證工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)信息。不同的水利水電工程巡視工作人員可以設(shè)定與其工作內(nèi)容相符的工程巡查線路，顯示儀表等數(shù)據(jù)信息。一旦水利水電工程監(jiān)控裝置出現(xiàn)問題，工作人員可以結(jié)合報(bào)警信息情況進(jìn)行三維智能定位，查看報(bào)警設(shè)備信息，及時(shí)了解實(shí)際問題情況。需要注意的是，在整個(gè)施工過程中一定要嚴(yán)加關(guān)注水利水電工程中的隱蔽工程，嚴(yán)格把控質(zhì)量符合規(guī)定，通過強(qiáng)有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)于施工全過程多環(huán)節(jié)的監(jiān)控，將風(fēng)險(xiǎn)性因素降到最低。

3 水利水電工程建設(shè)中三維可視化技術(shù)的發(fā)展前景

從當(dāng)前的發(fā)展情況來看，三維可視化技術(shù)正在不斷發(fā)展的過程中，在水利水電工程項(xiàng)目的建設(shè)應(yīng)用中還有一定進(jìn)步空間。通過應(yīng)用三維可視化技術(shù)能夠在一定程度上幫助相關(guān)工作人員降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少工程建設(shè)周期，為水利水電工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持和信息保障。實(shí)際上，應(yīng)用三維可視化技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而以現(xiàn)代信息技術(shù)手段方便數(shù)據(jù)獲取，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)展示，極大程度節(jié)約水利水電工程項(xiàng)目建設(shè)過程中耗費(fèi)的人力物力財(cái)力，提高水利水電工程項(xiàng)目建設(shè)效率。

4 結(jié)語

綜上所述，將三維可視化技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程項(xiàng)目建設(shè)，能夠幫助工作人員提高工作效率。通過數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘測(cè)，為水利水電工程項(xiàng)目建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持和數(shù)據(jù)保障。未來，將不斷加快三維可視化技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程的步伐，使水利水電工程建設(shè)朝向?qū)I(yè)領(lǐng)域發(fā)展，獲取更多的經(jīng)濟(jì)效益。