水工結構工程與三維可視化技術研究

袁鳳娟

(安徽省阜陽市水利規劃設計院有限公司，安徽 阜陽 236000)

0 引 言

三維可視化技術是一種高效的、高精度的繪制建模技術，不僅可以在一幅數字場景中實現物理世界全要素的還原，同時還可以結合實時數據的處理、計算，實現數字世界與物理世界的互聯互通，并以此為基礎構建數字孿生體。因此，有必要對水工結構工程與三維可視化技術展開分析，以便三維可視化技術在水工結構工程中得到更好的應用。

1 可視化仿真技術主要內容

三維可視化技術與多媒體、網絡技術的結合，使得數據處理虛擬化，通過對對象的全方位監控，建立以現實為基礎的3D虛擬現實效果，可使數據呈現更加直觀、易于理解[1]。可視化應用可分為以下三類。

1.1 宏觀態勢可視化

宏觀態勢的可視化是指在特定環境下，能夠感知隨時間推移而不斷變化的目標實體，直觀、靈活、生動地展現宏觀態勢，迅速把握某一領域的總體態勢、特征[2]。

1.2 設備仿真運行可視化

將計算機程控技術與實體模型、圖像、三維動畫等技術相結合，實現了設備的可視化表達，使管理者對設備有了具體的管理理念，了解了設備的位置、外形及所有參數，大大降低了管理者的勞動強度，提高了管理效率和水平。

1.3 數據統計分析可視化

現已被廣泛應用于商業智能、政府決策、公共服務、市場營銷等諸多領域。借助直觀的數據圖表，能夠清晰、有效地傳達和傳遞信息[3]。

2 水工結構工程三維可視化關鍵技術

2.1 三維數據結構

水工結構工程體一般為不規則形，如圖1所示。在計算機圖形學中，通常都是用許多微小的直線段和三角面來模擬地層的巖性和巖層的表面。也就是說，巖層界面和地表曲線、地下水位等地質界面，以及巖層曲面等，是由許多微小的直線段和三角面構成的集合。在水工結構工程中，地質體的三維空間數據結構是三維建模和可視化的基礎，這就要求具有高效的三維數據結構，以保證人機交互和查詢的實現。

圖1 水工結構工程三維可視化圖

2.2 曲面求交

在地層不整合、斷層錯斷巖層、地層尖滅、地下水出露于河谷地表的情況下，地質體中存在著大量的層面，這就使地質體三維模式的上部邊界成為地表曲面，通過數學方法擬合出的巖層表面或地下水位面不應超過表面，即不應超出局部顯示。同理，當顯示多層地層時，巖層下方的每一層都應以其上巖層作為界限。所以，要實現可視化地層界面，就必須解決地層面與地表、斷層面及其他地層面的交叉。而在剖面圖成圖中，地質界線的繪制則是通過顯示剖面平面和各種地質界面曲面的交點來完成的。所以，曲面求交是一個在地質界面層面上的交集，而在地質界面上的交集又包括兩類問題。

2.3 三維拓撲結構分析

拓撲是一種地質學意義上的地質學對象間關系的形式，拓撲表儲存了層間上覆、下伏和交切(由斷層斷裂帶的拓撲表現)等地層學關系和地質空間位置關系。拓撲學還可以被看作是允許這些地質關系被合理存儲的數據結構。舉例來說，考慮多層地層時，上部巖層的底面和與其相鄰下一巖層的頂面是上下巖層兩個實體的共同部分或共享邊界，二者之間的拓撲關系是相鄰且相同的關系。當存儲數據時，可將上一層巖層的底面或相鄰下一層巖層的頂面，也就是相鄰巖層的邊界曲面作為地層曲面保存，從而大大減少數據的存儲難度與空間需求。在此基礎上，提出了一種基于網絡的地質體拓撲結構評價方法。

2.4 可視化技術

水工程復雜地質體的可視化是利用計算機技術對工程勘測所獲得的數據進行處理，以可視化為目的，將工程數據和測量數據轉化為一種便于交互分析的地下地質結構空間形態立體圖和剖面圖。應用可視化技術，可以從大量的地質調查資料中，構造出地質工程中對于邊坡穩定、地下洞室變形破壞等關鍵作用的巖體結構面，并顯示出其范圍、走向和交叉關系，可使水工結構工程師能夠對原始數據做出正確解釋，從而為水工結構工程分析的具體問題提供決策支持[4]。

3 水工結構工程三維可視化系統的基本框架

3.1 基本框架設計

三維可視化系統的基本框架設計，包括模型選取、縮放漫游設計、坐標查詢設計等。基礎運算模塊基本上涵蓋了系統中所用到的所有運算，在基礎運算模塊的設計過程中，坐標查詢的運算是非常重要的，只有保證坐標查詢的準確性，才能保證三維可視化的查詢精度和分析精度。利用正解變換法和逆解變換法，都可以實現坐標查詢操作模塊的設計。正解變換法是將三維空間中的不同點坐標，通過特殊的轉換方法轉化為二維屏幕，并與鼠標點擊的目標進行匹配，從而得到目標點的三維坐標。逆解變換方法是將三維空間中與投影矩陣相對應的逆矩陣轉化為三維點坐標，從而得到選定目標的坐標值。該系統采用逆解變換法完成了坐標系查詢模塊的設計。

3.2 地標模塊設計

地標模塊設計系統中，地標編輯模塊是非常關鍵的部分，利用這個模塊可以實現地標的各種操作。在編輯過程中，可以將視點作為目標點，以完成目標點的編輯。名稱編輯過程中，要精確地確定視點的具體位置，確定父節點，然后把對應的名字輸入其中，這樣就可以在父節點下面形成特定的子節點。該系統通過設置子節點的具體漫游方式，實現了相機編輯操作中漸變、跳躍、移動、路徑等四種不同的漫游方式，以滿足用戶的多種功能需求。最關鍵的是查找功能，對于不同的節點屬性，可以進行模糊查詢，例如，用戶輸入“山”，就能顯示出“山東”“山西”“唐山”“鞍山”“馬鞍山”“黃山”等所有具有“山”字的節點。特性內容包含有地名和經緯度等，當用戶點擊要查詢的節點時，系統可以自動漫游到這個節點位置。

3.3 編輯模塊設計

模式編輯模組的功能是對某些外界輸入的立體視覺模組執行作業命令。在模型編輯模塊中，包含了大量的圖形信息資源和符號信息資源，模型符號包含了兩個不同的類型，分別是三維模型和四維符號。三維模型指的是使用相應的建模軟件，如3D MAX軟件，建立的與現實事物非常接近的某些尺寸按照一定比例縮放的模型。模型符號具有直觀性、形象性等特點，可以應用于多種領域。該系統有一個“編輯”按鈕，它主要是用來編輯一些外部導入的模型，可以改變導入模型的自身屬性，如改變模型的高度、經緯度和角度等。通過改變模型的這些屬性信息，可以將模型放至更合適的位置[5]。

4 結束語

綜上所述，利用3D MAX、GIS等技術實現三維可視化，使人們在認識環境的過程中，既有了更多的方法和途徑，又能預測未來的變化趨勢，在遇到水工結構工程難題時，能更準確地把握全局，更直觀地模擬現實空間。因此，對水工結構工程與三維可視化技術的融合研究具有重要意義。