水利水電三維可視化前景

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1三維可視化技術

可視化是指人腦中形成某事物圖像的一種心智處理過程(mentalprocess)?？梢暬夹g是把計算機中的數字信息轉變為直觀的圖形圖像信息，使得研究者能夠形象直觀地觀察到，即看到傳統意義上不可見的事物或現象，同時還提供模擬和計算的視覺交互手段［2］?？梢暬夹g是集科學與工程計算、計算機圖形學、圖像處理、人機界面等多學科和技術于一體的現代化技術?？梢暬暮诵募夹g包括:1)將科學計算中產生的數據及結果轉化為圖形或圖像;2)基于面向對象技術的圖形用戶界面的設計，即可視化建模的實現?？梢暬倪^程模型如圖1所示。三維可視化作為可視化的重要組成部分，側重于以三維的手段反映客觀世界，屬于科學計算可視化的范疇［3］，在地學領域有著廣泛的應用和發展前景［4-7］。三維可視化技術已經滲透到各個學科中去，如地理學、資源環境學、測繪學、海洋學、建筑學、生物醫學等，它的應用為這些學科的科學研究提供了極其有用的幫助，促進了這些學科的發展。比如，三維可視化技術在建筑、交通、醫學等領域的應用可以提高決策者的預見性，避免不必要的浪費和損失;在動畫和虛擬世界領域，三維可視化技術帶給了我們強烈的視覺沖擊;其仿真技術的應用，提高了我們在醫學手術實施、機械制造加工、礦物開采加工、水利設施建設等的精準度和效率。目前三維可視化技術已廣泛應用于城市規劃、電力、交通、礦業等各個領域，但在水利行業尤其是工程設計方面卻很少［8］，三維可視化技術廣泛應用于水工設計將大大提高水利水電工程建設的效率和研究水平。

2水利水電工程三維可視化技術

2．1研究現狀

目前，水利水電工程設計已經開始從二維CAD設計逐步向三維CAD設計轉變。計算機三維建模與可視化模擬技術已開始應用于水利水電工程的設計、施工等各個階段，如樞紐布置、施工總布置等。天津大學的鐘登華等［9-11］從單獨研究水利水電工程地質、水利水電工程建筑物及水利水電施工三維可視化建模入手，逐步提出了對工程可視化輔助設計(VCAD)理論的構成體系和實現方法;黃河勘測規劃設計有限公司的李斌等［12］、天津大學的顧巖［13］、廣西河池水利電力勘測設計研究院的黃尚磊［14］提出了基于CATIA軟件的水利水電工程三維設計方法;三峽大學的田斌等［15］、中國葛洲壩集團公司的陳立新［16］對三維空間數據、地形、地物模型的建立以及對施工過程三維模擬技術做了相關研究;武漢大學的陶鐵鈴等［17］、電子科技大學的魏魯雙［18］、河海大學的楊威［19］、天津大學的張社榮等［20］分別開發了拱壩、重力壩優化設計可視化系統。水利水電工程三維可視化設計已得到國內專家、學者越來越多的重視，并取得了一定的成果，但目前還未形成一套完整的理論體系和軟件成果，整體上仍處于探索階段。

2．2技術路線

按照工程設計流程，水工設計實現三維可視化就要求工程設計條件可視化，設計建模過程可視化，計算分析過程可視化和設計成果可視化。這里可視化是三維工程設計的核心，數字化則是實現可視化設計的基礎。目前，地質、地物三維建模是水工三維可視化的基礎和研究重點，當前這方面的研究工作主要包括地質、地物的三維空間數據模型，地質、地物模型的整合和匹配三方面。1)構造三維地質模型常用的數據結構包括NURBS結構、B-Rep結構、TIN模型等?；谝陨先N模型，鐘登華等提出了以NURBS結構為主、結合TIN模型和B-Rep結構的混合數據結構。徐衛亞等［21］提出了基于裁剪NURBS-B-Rep半邊結構的三維混合數據結構。2)地物模型都屬于靜態空間數據結構，包括空間位置、形狀和空間拓撲關系等信息［15］。區別于一般的幾何模型，地物模型尚需反映其屬性信息，并且要確保幾何圖形及其屬性一一對應。對于大規模的地物建模而言，采取單一的建模技術是不能完善地對其進行描述的，針對不同的建筑物，應分別采用有針對性的建模技術，建立相應的三維可視化數據模型。常用的建模技術有實體CAD圖形建模技術、特征建模技術和參數化實體建模技術。近年來，利用以上三種技術，許多學者都建立了相應的地物模型。劉東海［22］提出了交互式的參數化圖形建模技術。李景茹等［23］提出了基于GIS三維實體化參數模型。蔡宜洲等［24］提出了元件裝配法對水工建筑物進行組裝式建模。3)地質實體是水利水電工程建設的基本載體，必須將地質模型和地物模型統一起來，才具有實際意義。地物與地形匹配常用的方法有兩種［9］:方法一是直接將地物擱置在地形表面上，其優點是簡單實用，缺陷是在視景顯示時，會出現“爭奪Z值”的現象，即同一個Z值上可能有多個面;另一個方法是在生成地形的不規則三角網格前提下逐漸加入地物模型，與地形整合在一起。要實現三維可視化水工設計，除了需要專業的水工知識和工程設計技術外，必要的計算機技術也是不可或缺的，最基本的包括:1)圖形建模技術;2)交互技術;3)可視化技術;4)圖形學技術;5)軟件工程技術。三維可視化的設計有一定的過程，水工三維可視化設計的過程見圖2。該圖也可詳細反映水工三維可視化設計理論和技術的構成體系。

2．3應用效果

地形地質三維可視化為水利水電工程建筑物選址、布置、設計和施工等各方面提供多方面可行的地質分析手段。更為重要的是，利用仿真三維實體技術建立的三維地貌可以實現三維模型的任意剖切分析;可對任意部位的體積、表面積進行精確的計算;可實現對山體進行旋轉、切剖面、開挖等操作。三維設計在工程設計領域的應用徹底改變了二維圖紙表現和三維實際形態之間進行思路轉換的設計模式。它的應用將大大提高設計質量和效率。參數化工程三維模型不僅使工程建筑物建模變得簡單易行，而且在工程方案需要調整修改時其更加快速、靈活、準確。已有成果的重復利用率大幅度提高，在減少設計錯誤和返工現象同時，又縮短設計周期，極大地提高了工程設計工作的效率和質量。工程精確數值模型的建立，使得精確計算壩體工程量、各壩段各截面的面積、各點的坐標以及體積變得方便快捷。對建筑物及地質分類建模后，不僅能夠計算不同材料的用量，同時為概預算及施工期業主的材料供應計劃提供科學的依據。采用三維動態布置施工平臺，在設置明確的制約條件的前提下，能夠方便準確地生成水利水電工程施工場地布置困難的地形相應的平面、剖面圖。采用三維可視化模擬技術不但能充分、更直觀地考慮多種可行方案，而且能快速、方便地進行進度分析，并能定量地分析各種施工措施對工程進度的影響。

2．4實例應用

在溪洛渡水電站，因思公司以C#開發語言和access數據庫等為基礎建立溪洛渡施工信息管理系統，它不僅在前期對大壩的整體進行三維可視化，還將大壩整體的細部構造分解出來，讓溪洛渡工程的參建者可以很透徹地剖析溪洛渡大壩的各個細部，方便查看監測儀器埋設布置以及對細部的結構分析。

2．5應用前景

集成化、智能化、網絡化、協同化是三維設計的發展方向。應努力實現遠程協助設計、自動協同設計、集成協同設計，充分體現設計的團體性、交互性、協作性，建立跨學科的、以人際合作關系為基礎、協同工作、合作設計的新格局。水工三維設計是工程設計的必然趨勢，三維技術在機械、電子、航班、航天以及建筑等部門得到了廣泛的應用。把三維設計應用到水利水電工程上，可以實現真正意義上的工程方案優化及多方案的比較，對于提高工程的技術指標和品質、降低工程造價、縮短設計周期、提高設計質量均可起到重要作用。

3結語

水工三維可視化研究涉及水工設計學、數學、計算機科學、圖形學等多個學科，研究的內容包含了三維模型與數據結構、可視化繪制、三維拓撲分析等方面。目前其對于水工設計全過程的描述、基于復雜地基模型的建立、真三維的空間拓撲關系和空間分析能力還有待于進一步提高。同時我國目前還缺乏成熟的商業化專業應用軟件，這在一定程度上制約了國內的水工三維可視化研究及其應用的深化。但是，將三維可視化技術熟練運用到水利水電工程中后，將會對水利水電工程的設計、研究等帶來利處。

作者：王瑞瑤工作單位：三峽大學水利與環境學院