劉武+項(xiàng)春+夏為

摘 要：該文提出了基于GIS和三維可視化平臺(tái)的水利水電施工系統(tǒng)模型三維可視化結(jié)構(gòu)及施工過(guò)程。首先介紹了基于GIS的三維可視化，討論了構(gòu)建三維可視化數(shù)字模型的方法，然后介紹了地形數(shù)字化技術(shù)、特征建模技術(shù)，最后，技術(shù)路線表明，該方法具有良好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：水利水電工程 三維可視化 過(guò)程模型 空間分析

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0060-03

Abstract： This paper put forward the structure and construction process of three-dimensional visualization of hydroelectric construction system model based on GIS and 3D visualization platform. The paper first describes the 3D visualization based on GIS， then discusses the method of constructing 3D visual digital model， and then introduces the terrain digital technology， feature modeling technology. Finally， the technical route shows that this method has good practicability.

Key Words： Water conservancy and hydropower engineering； 3D visualization； Process model； Spatial analysis

水利工程設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它涉及地質(zhì)、地震、測(cè)繪、構(gòu)造、力學(xué)以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。因其地理?xiàng)l件復(fù)雜、地質(zhì)信息繁多，給前期工程的勘測(cè)、后期設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了巨大的困難。然而，目前的設(shè)計(jì)工作大部分仍停留在過(guò)去傳統(tǒng)二維圖紙上的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和方法，不僅造成資料的利用率低、工作效率低，而且提取信息的精度差，往往與實(shí)際情況產(chǎn)生較大的差異。在水利水電工程設(shè)計(jì)中引入三維可視化技術(shù)，不僅直觀的反映了水利工程的建筑物形態(tài)，而且大大提高了設(shè)計(jì)效率和資料利用率[1]。

通過(guò)信息化建設(shè)，將信息技術(shù)、圖像處理技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)與水利工程設(shè)計(jì)相結(jié)合，帶動(dòng)設(shè)計(jì)方法和工具的創(chuàng)新、工程管理模式的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)和工程管理的信息化、施工過(guò)程的數(shù)字化，從而全面提升我國(guó)水利工程的競(jìng)爭(zhēng)力[2]。在水電水利工程設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中，特別是山塘水壩的建設(shè)，充分運(yùn)用視覺(jué)設(shè)計(jì)技術(shù)，將大大提高山塘水壩工程的設(shè)計(jì)水平和效率，促進(jìn)施工管理的發(fā)展走向現(xiàn)代化，現(xiàn)代化的施工管理可以降低工程成本，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)[3]。基于此，該文回顧并總結(jié)了三維數(shù)字化可視化技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用，對(duì)三維可視化技術(shù)在水利水電工程中迅速發(fā)展與應(yīng)用提供一定的借鑒與指導(dǎo)作用。

1 三維可視化技術(shù)

可視化是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)[4]?？梢暬夹g(shù)是一門綜合性學(xué)科技術(shù)，它是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、3S 技術(shù)、可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多門學(xué)科的綜合體[5]，三維可視化技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景[6]。

可視化的核心技術(shù)包括：（1）將收集階段獲得的地形、測(cè)繪數(shù)據(jù)和結(jié)果轉(zhuǎn)換為可視化的圖形或圖像數(shù)據(jù)；（2）基于面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)實(shí)現(xiàn)用戶圖形界面的可視化建模設(shè)計(jì)。可視化模型過(guò)程如圖1所示。

2 基于GIS的三維可視化原理

可視化是將數(shù)據(jù)處理的抽象結(jié)果轉(zhuǎn)化為圖像和圖形結(jié)果。一般由點(diǎn)、線圖、網(wǎng)格、體素等基本視覺(jué)圖元模型組成，然后對(duì)建立的模型進(jìn)行渲染和顯示。

2.1 基于GIS建模的思想與優(yōu)勢(shì)

在各級(jí)水利建設(shè)中可以分解成子系統(tǒng)，其中包括主要的臨時(shí)擋水壩建設(shè)等子系統(tǒng)、圍堰施工子系統(tǒng)、放電結(jié)構(gòu)和改變水的子系統(tǒng)。利用GIS能夠存儲(chǔ)和處理不同對(duì)象在不同位置的分布式地理空間的拓?fù)潢P(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍物質(zhì)的模擬，然后通過(guò)坐標(biāo)變換將每一個(gè)子系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的地理空間坐標(biāo)。在相同地形背景的虛擬工程環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)子模型協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而在宏觀層面形成水利施工建設(shè)系統(tǒng)可視化。

在地理信息建模系統(tǒng)中，對(duì)模型屬性進(jìn)行編碼和基本幾何元素建立屬性表。由于圖形對(duì)象與模型的屬性特性具有一定的內(nèi)部關(guān)聯(lián)，因此在訪問(wèn)圖形對(duì)象的同時(shí)可以獲取其空間坐標(biāo)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相關(guān)屬性信息。因此，利用數(shù)據(jù)三維可視化技術(shù)，通過(guò)直接訪問(wèn)進(jìn)程便可獲取屏幕圖形對(duì)象各自屬性。例如，通過(guò)堤壩和地形相交的邊界線，可以自動(dòng)獲得相對(duì)位置的交叉空間圍堰模型和數(shù)字地形模型的關(guān)系。

2.2 構(gòu)建各類物理模型

根據(jù)材料特點(diǎn)及類型的不同，建模采用的方法也大不相同。

（1）指的是空間幾何對(duì)象模型可以描述幾何特征和拓?fù)潢P(guān)系，只有一個(gè)描述它的構(gòu)造函數(shù)體表面邊界表示和計(jì)算幾何方法，都反映出表面的物理性質(zhì)也有其內(nèi)部的空間分解方法的性能特點(diǎn)。三維實(shí)體模型是由基本元素的組合而成，并通過(guò)對(duì)這些基本元素的變形和算術(shù)運(yùn)算，如旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、剪切和反射變換構(gòu)造。點(diǎn)、線、面、體四個(gè)基本幾何元素可以構(gòu)成任意三維抽象物體，然后將這四個(gè)基本幾何元素集合起來(lái)并對(duì)三維物體進(jìn)行渲染便可構(gòu)造更復(fù)雜的物體。三維實(shí)體模型是建立在絕對(duì)真實(shí)數(shù)字矢量模型基礎(chǔ)上的，因此它可對(duì)任何可測(cè)量的元素進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。

（2）對(duì)于云、山、樹(shù)等不規(guī)則物體，一般采用統(tǒng)計(jì)分形幾何建模。常用分形建模方法首先是用一般形狀或結(jié)構(gòu)來(lái)描述物體的整體特征，然后通過(guò)光或隨機(jī)漫反射變換將靜止精細(xì)結(jié)構(gòu)圖像表現(xiàn)出來(lái)[4]。對(duì)于地形建模而言，則是通過(guò)對(duì)已知的一系列離散高程數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)插值方法實(shí)現(xiàn)。實(shí)際建模方法可通過(guò)幾何分形法也可采用曲面造型的方法。

曲面造型是離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)曲線擬合和插值的方法對(duì)離散數(shù)據(jù)的重構(gòu)。曲面也可通過(guò)離散的多邊形網(wǎng)格逼近曲面。曲面的精度是由離散的近似四邊形或三角形網(wǎng)格的數(shù)量決定的。

（3）通過(guò)粒子系統(tǒng)建模方法，可以實(shí)現(xiàn)一些模糊而且不規(guī)則的物體模型的構(gòu)建，如火花、煙、水等。粒子系統(tǒng)建模的基本思想是：利用大量具有一定大小和性質(zhì)的微小粒子的基本元素來(lái)描述模糊不規(guī)則對(duì)象，這些微小基本元素具有自己的屬性，如形狀、坐標(biāo)系、顏色、生存時(shí)間等[5]。粒子流模擬系統(tǒng)基于大量的粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被看作是由一組預(yù)先定義的隨機(jī)過(guò)程來(lái)控制粒子的形狀特征、流動(dòng)方向、速度和動(dòng)態(tài)特性的位置。通過(guò)程序給定的期望平均值和最大方差的隨機(jī)過(guò)程統(tǒng)計(jì)分析，每個(gè)粒子具有隨機(jī)運(yùn)動(dòng)特性。該方法考慮了建模的模型在外部環(huán)境和干擾的情況下的隨機(jī)擾動(dòng)，更符合真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況[7]。

3 靜態(tài)實(shí)體造型系統(tǒng)的構(gòu)建

通過(guò)3D可視化技術(shù)對(duì)水利水電施工現(xiàn)場(chǎng)地形和各種地物進(jìn)行數(shù)字化建模。它能夠真實(shí)反映施工地形、建筑物的整體布局、地基等方面的挖掘和填充三維過(guò)程以及外觀及其他有用的信息。其創(chuàng)建過(guò)程的流程圖如圖2所示。

（1）通過(guò)數(shù)字地形模型（DTM）或?qū)嶋H測(cè)繪收集地表點(diǎn)的空間坐標(biāo)（x、y、z）以及各物體的屬性，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)特性表來(lái)表征地物模型的特征。

（2）通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)的DTM表對(duì)地形進(jìn)行切割和充填。由于DTM模型是由許多不規(guī)則的三角形組成，并且每個(gè)三角形的性質(zhì)特征大不相同（其中包括面積、海拔、坡度、角度等）。

（3）通過(guò)建立施工系統(tǒng)三維數(shù)字化模型，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際圖像的輸出，同時(shí)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化操作以及三維GIS空間分析。

（4）基于CAD圖形建模技術(shù)。實(shí)體CAD圖形建模技術(shù)（圖3）。用CAD軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程建模系統(tǒng)，或者用鼠標(biāo)直接繪制模型庫(kù)的一個(gè)構(gòu)件，具有拼合成幾何空間在計(jì)算機(jī)屏幕上使用的功能。

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)方法相比，三維可視化建模作為一種可視化建模的新技術(shù)不僅具有更加真實(shí)三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示效果，使不熟悉的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造設(shè)計(jì)工作者對(duì)地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)關(guān)系有一個(gè)十分直觀的認(rèn)識(shí)。該文回顧并總結(jié)了三維數(shù)字化可視化技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用，對(duì)三維可視化技術(shù)在水利水電工程中迅速發(fā)展與應(yīng)用提供一定的借鑒與指導(dǎo)作用。

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