三維仿真技術在黔中水利樞紐工程水資源調度中的應用

王 芳，蔣 聰

(貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴陽 550002)

0 引 言

隨著計算機動畫技術、傳感技術、三維立體建模以及“3S”技術的快速發展，三維仿真技術的應用需求也越來越大。三維仿真技術是運用計算機結合三維GIS對系統模型進行科學模擬的實踐，它具有經濟、可靠、實用、安全、靈活等眾多優點，已經在安全工程、土木工程、巖土工程、防災工程、工程項目招投標等工程中有了廣泛的應用。

黔中水利樞紐工程是貴州首個大型跨地區、跨流域長距離調水工程,是西部大開發標志性工程,也是貴州水利“十一五”規劃的龍頭項目。工程分兩期建設,一期工程解決黔中主要灌區的農灌用水、縣鄉鎮供水、人畜飲水和貴陽缺水問題。黔中水利樞紐工程是一個復雜的系統工程，涉及到防洪、發電、灌溉、引水及供水各項興利功能中的各種水工建筑物。以往的水利水電工程運行一般只體現在2D平面圖和剖面圖等形式，不夠形象、直觀。

文章通過三維GIS模塊，結合黔中水利樞紐一期工程計算機網絡、綜合信息化、軟件系統，建設調度中心三維仿真平臺模型，實現了復雜的黔中水利樞紐工程運行狀態的動態三維仿真，為現場技術人員的操作提供了簡便直觀的手段。

1 技術路線

構件化(組件化)集成開發策略主要是實現業務邏輯的組件化開發，采用接口方式整合公共業務支撐平臺，降低各個業務系統之間的耦合，方便各系統之間的拆分與組合，或者擴展；實現圖形化配置工具，靈活的配置管理，操作簡單方便，易于維護等。

三維基礎平臺通過組件化模塊組成，該平臺需支持數據總線(ESB)技術實現業務服務和渠道服務的統一管理、統一配置、統一維護。提供基礎的框架服務，自身具備系統管理、機構管理等可重用的功能模塊，通過該平臺可自動生成框架代碼，封裝完善代碼方法的標簽，提高開發效率。實現構件化、積木式的規模化軟件生產方式。簡化了軟件開發的復雜度，降低了對開發人員技術多元化的要求，大大縮短了開發周期。提供可視化的界面需求原型設計，實現用戶需求快速準確的采集，并迅速生成軟件界面原型，同時界面原型的代碼可以為后期開發提供基礎，提高用戶需求的準確性，同時還減少了寫代碼的工作量。具有跨操作系統、跨數據庫、跨應用服務器、跨瀏覽器的特性，確保業務系統的穩定和安全運行。針對簡單有規則的功能，平臺實現自動生成與可配置的方式開發。針對復雜界面需求的功能，保留高度的自定義性，以滿足不同類型產品的需求，見圖1。

圖1 技術路線圖

2 平臺系統結構

結合“貴州省黔中水利樞紐一期工程計算機網絡、綜合信息化、軟件系統”項目建設單位的實際需求，建設調度中心三維仿真系統，包括系統的設計、開發、安裝調試、試運行，并且針對三維仿真系統提供技術培訓和維護服務。所開發的虛擬仿真系統以遙感影像和三維傾斜攝影數據為基礎底圖，以三維全景展示黔中水利樞紐工程，該調度中心三維仿真建設內容主要包括：

1)720全景圖拍攝。利用無人機拍攝黔中水利樞紐工程區域范圍內拍攝水源地平寨水庫(庫區、營房、平寨電站、渠首電站)、桂家湖水庫、革寨水庫(水庫，1#、2#泵站)、凱掌水庫、高寨水庫、干渠重要節點水閘等重要區域空中720度全景圖，獲取重要水利工程現場實時圖景，輔助日常管理及指揮決策情境下掌握現場真實的場景等工程120個全景點。

2)低空遙感航飛影像采集(傾斜攝影三維拍攝)。低空遙感航飛影像采集也即傾斜攝影三維拍攝，主要工作是100平方功能區域的數字航空攝影，該100平方功能區域包括兩部分：四個水庫共10平方公里；渠道線路總長約150公里，拍攝寬度0.6公里，共計90平方公里。

3)真三維建模。對工程調蓄水庫，主體工程建筑物、相關土建工程建筑物、附屬工程建筑物、泄水建筑物、大壩、電站廠房以及其他附屬設施，以及干渠重要節制閘進行帶有準確地理空間坐標的三維建模，具體建設范圍包括：對水源地平寨水庫(取水閘室、溢洪道閘室)、革寨水庫(6孔泄洪閘、革寨2#泵站)等工程三維建模，通過真三維建模技術獲取建筑物準確模型，輔助用戶直觀、形象了解水利工程的實況。

4)傾斜攝影三維建模。傾斜攝影三維建模，數據生產工藝基于航空攝影測量技術，提供多種測繪成果，并將機載多角度傾斜攝影數據與機載激光掃描(LiDAR)數據集成，通過真三維模型自動構建技術，得到真實、完整、一致和可量測的真三維黔中水利樞紐工程三維模型數據。

3 系統功能設計

1)多元時空一體化技術。三維顯示數據采用文件系統存儲，以提高數據調度響應速度。其中遙感影像數據和DEM數據采用影像金字塔技術和JPEG進行數據組織和壓縮存儲；屬性數據采用數據庫存儲，以滿足屬性數據豐富多樣性、維護更新頻繁等管理特點需要；空間數據采用二維GIS空間數據引擎進行存儲，如Geodatabase+PostGIS或Oracle Spatial等，以滿足矢量分析和查詢需要。屬性數據與空間數據通過關鍵詞進行關聯，以達到功能、管理的相對獨立性；空間數據與三維顯示數據通過關鍵詞進行關聯。將二維和三維統一到一個真實的地理空間(球面空間)中，真正實現了二三維的有機結合。

圖2 大數據GIS的應用模式

2)高效的海量空間信息數據管理。項目針對空間地理信息數據類型豐富、來源多樣、數據量巨大等大數據特征，在傳統的三維模型數據可視化技術的基礎上，融合了實時遮擋數據裁剪算法、四叉樹結構的細節層次(LOD)模型和數據動態裝載技術快速地顯示、分析海量三維數據，優化創新了流程和算法，模擬人的自然觀察方式來表現具有豐富幾何細節和相片質感的三維城市模型，具有與現實世界一致的視覺體驗和空間感知，同時大大提升了系統的三維可視化性能。

3)三維數據網絡實時傳輸技術。對于基于網絡的三維場影模型繪制系統而言，由于大量的幾何數據需要經由網絡傳輸到客戶端，網絡帶寬常常成為系統的瓶頸，因此如何采用緊湊靈活的數據表示方式及高效的網絡傳輸策略一直是三維場景研究領域的重點。本三維仿真平臺對多種三維數據傳輸技術進行了優化。主要包括ActiveX插件技術、漸進傳輸技術、數據組織與壓縮技術和下載分流技術。

4)可裝配式(COTS)的系統架構。將系統的功能按照不同的業務需求封裝成不同層次和顆粒大小的Web服務(Web Services)功能包，內容涵蓋對水利樞紐工程空間數據的訪問權限、瀏覽、查詢、統計、分析等各方面的需求，這些功能包可以按照不同的權限設置分發給任何需要空間信息的其他部門的應用系統，實現了可裝配式(COTS)的系統架構，便于用戶自主維護和系統的拓展。解決了不同應用系統間互操作和融合問題。

5)三維動畫特效表現技術。系統通過粒子系統、骨骼動畫技術、剛體動畫技術的深入使用，支持對溢洪道泄流狀態、渠道水流狀態等動態對象以及雨、雪、霧等天氣特效在三維場景中的模擬仿真。此外，還可通過模擬重力、空氣阻力以及其他物理環境的影響，可以進一步增強模擬的真實感。通過對粒子系統中粒子屬性的不同設置，可以模擬出各種不同的效果，表現為各種不同的自然現象和物理現象，最為常見的如降雨、降雪等。

6)智能感知在三維地理信息的綜合集成。平臺可支撐智能感知設備在三維地理信息的綜合應用技術。該技術以末端感知層——攝像監控作為切入點，通過建立視頻監控與三維坐標的自動匹配和實時畫面傳輸，形成一系列多個地點的視頻畫面的在三維虛擬世界的真實反映，可實現多設備，多現場聯動的視頻管理機制，為水庫大壩監測、泵站運行情況等方面提供技術支撐。

7)支持統一地圖服務需求。項目中統一地圖服務是基于采購的地理信息平臺，建設空間信息服務系統，利用3S技術建設多比例尺基礎地理信息數據庫、影像數據，在收集整理與加工黔中水利樞紐工程空間地理要素信息基礎上，建立工程專題圖。空間信息服務平臺一方面實現對黔中水利樞紐工程信息數據的空間存儲管理、空間查詢、空間分析及多維展示，另一方面將空間服務作為一種應用，與其他業務系統相結合，來實現系統空間數據的查詢和瀏覽。

8)支持水庫調度及渠道水動力分析。系統基于流體力學原理，根據質量守恒定率、動量守恒定率、能量守恒定率，采用有限差分數值方法，可計算模擬一定流量下多閘孔閘門不同組合開啟方式下的堰面流態、挑距、壩下河道流速、河底壓強四項要素及水流主流區域的水力特性；可分析計算河道在不同頻率洪水過程中水深及流量變化情況，并用三維圖的形式展示自由液面位置和河道沿程速度和流線分布情況。

4 仿真實現過程

1)數據收集。水利工程數據根據從具體建筑物或景觀的設計規劃圖、效果圖、立面圖中獲取；對黔中水利樞紐工程范圍內的平寨水庫、桂家湖水庫、革寨水庫、凱掌水庫、平寨電站、渠首電站、革寨2#泵站、干渠(不含隧洞)等范圍進行低空遙感航飛影像采集；利用無人機拍攝水源地平寨水庫(庫區、營房、平寨電站、渠首電站)、桂家湖水庫、革寨水庫(水庫，1#、2#泵站)、凱掌水庫(5處)、高寨水庫、干渠重要節點水閘等重要區域空中720度全景圖，獲取重要水利工程現場實時圖景，輔助日常管理及指揮決策情境下掌握現場真實的場景。

2)數據處理。一是空間數據處理。對電子地圖、DEM數據、影像地圖進行預處理。針對黔中水利樞紐信息化的應用，參考地理信息系統數據標準和主流地理信息應用系統數據格式等因素，處理對象主要包括數據格式、矢量數據、柵格數據及文本數據。二是數據高程處理。數字高程模型(DEM)，是描述地面高程或海拔空間分布的有序數值陣列，是以高程表達地面起伏形態的數據集合。DEM的格網間隔應與其高程精度相適配，并形成有規則的格網系列。完成激光掃描飛行任務之后，所獲取的數據可以分為兩類，一類為定位定向數據(POS數據)，它包括差分GPS數據和慣性測量數據(IMU數據)；另一類就是激光掃描測距數據，利用這些數據可將激光點的坐標計算出來，最終生成DEM。

3)真三維建模。對水源地平寨水庫(取水閘室、溢洪道閘室)、革寨水庫(6 孔泄洪閘、革寨1#2#泵站)進行帶有準確地理空間坐標的工程三維建模，通過真三維建模技術獲取建筑物準確模型，輔助用戶直觀、形象了解水利工程的實況，與現實的物體幾乎一致，逼真度達到95%以上，見圖3。

圖3 平寨水庫溢洪道3dMax模型

4)傾斜攝影三維建模。對革寨水庫、平寨水庫、凱掌水庫、桂家湖水庫、干渠(不含隧洞)沿線及相關工程采用傾斜攝影三維建模的方式建立三維仿真。模型精度0.1m、分辨率5cm。

5 結 論

文章主要是基于GSI三維地球引擎，研發了貴州省黔中水利樞紐工程調度中心三維仿真，通過地形、影像等的集成加載構建三維虛擬交互場景，解決了傳統客戶端模式或為瀏覽器安裝插件進行瀏覽的模式下存在的兼容性差等問題， 證明了通過WebGL技術構建水利水電工程三維地理信息平臺的可能性和優越性。但是，本研究只是初步的探索，還有許多需要完善的部分。首先本研究只應用了小范圍的數據，對于大范圍的海量數據還需進一步測試優化；其次，平臺目前只具備 基本的功能，對于具體項目應用，仍需進一步完善和優化。