三维GIS在水电水利工程中的应用
刘武+项春+夏为
摘 要：该文提出了基于GIS和三维可视化平台的水利水电施工系统模型三维可视化结构及施工过程。首先介绍了基于GIS的三维可视化，讨论了构建三维可视化数字模型的方法，然后介绍了地形数字化技术、特征建模技术，最后，技术路线表明，该方法具有良好的实用性。
关键词：水利水电工程 三维可视化 过程模型 空间分析
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：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
水利工程设计是一个复杂的系统，它涉及地质、地震、测绘、构造、力学以及计算机图形学等多个领域。因其地理条件复杂、地质信息繁多，给前期工程的勘测、后期设计和施工带来了巨大的困难。然而，目前的设计工作大部分仍停留在过去传统二维图纸上的设计。传统的设计理念和方法，不仅造成资料的利用率低、工作效率低，而且提取信息的精度差，往往与实际情况产生较大的差异。在水利水电工程设计中引入三维可视化技术，不仅直观的反映了水利工程的建筑物形态，而且大大提高了设计效率和资料利用率[1]。
通过信息化建设，将信息技术、图像处理技术、现代管理技术与水利工程设计相结合，带动设计方法和工具的创新、工程管理模式的创新，实现工程设计和工程管理的信息化、施工过程的数字化，从而全面提升我国水利工程的竞争力[2]。在水电水利工程设计实施过程中，特别是山塘水坝的建设，充分运用视觉设计技术，将大大提高山塘水坝工程的设计水平和效率，促进施工管理的发展走向现代化，现代化的施工管理可以降低工程成本，为国家的经济发展做出更大的贡献[3]。基于此，该文回顾并总结了三维数字化可视化技术在水利水电工程中的应用，对三维可视化技术在水利水电工程中迅速发展与应用提供一定的借鉴与指导作用。
1 三维可视化技术
可视化是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术[4]。可视化技术是一门综合性学科技术，它是计算机仿真技術、3S 技术、可视化和虚拟现实技术多门学科的综合体[5]，三维可视化技术具有广阔的应用领域和发展前景[6]。
可视化的核心技术包括：（1）将收集阶段获得的地形、测绘数据和结果转换为可视化的图形或图像数据；（2）基于面向对象编程技术实现用户图形界面的可视化建模设计。可视化模型过程如图1所示。
2 基于GIS的三维可视化原理
可视化是将数据处理的抽象结果转化为图像和图形结果。一般由点、线图、网格、体素等基本视觉图元模型组成，然后对建立的模型进行渲染和显示。
2.1 基于GIS建模的思想与优势
在各级水利建设中可以分解成子系统，其中包括主要的临时挡水坝建设等子系统、围堰施工子系统、放电结构和改变水的子系统。利用GIS能够存储和处理不同对象在不同位置的分布式地理空间的拓扑关系，可以实现对周围物质的模拟，然后通过坐标变换将每一个子系统坐标转化成统一的地理空间坐标。在相同地形背景的虚拟工程环境中，实现了每个子模型协调统一，从而在宏观层面形成水利施工建设系统可视化。
在地理信息建模系统中，对模型属性进行编码和基本几何元素建立属性表。由于图形对象与模型的属性特性具有一定的内部关联，因此在访问图形对象的同时可以获取其空间坐标、拓扑结构和相关属性信息。因此，利用数据三维可视化技术，通过直接访问进程便可获取屏幕图形对象各自属性。例如，通过堤坝和地形相交的边界线，可以自动获得相对位置的交叉空间围堰模型和数字地形模型的关系。
2.2 构建各类物理模型
根据材料特点及类型的不同，建模采用的方法也大不相同。
（1）指的是空间几何对象模型可以描述几何特征和拓扑关系，只有一个描述它的构造函数体表面边界表示和计算几何方法，都反映出表面的物理性质也有其内部的空间分解方法的性能特点。三维实体模型是由基本元素的组合而成，并通过对这些基本元素的变形和算术运算，如旋转、缩放、平移、剪切和反射变换构造。点、线、面、体四个基本几何元素可以构成任意三维抽象物体，然后将这四个基本几何元素集合起来并对三维物体进行渲染便可构造更复杂的物体。三维实体模型是建立在绝对真实数字矢量模型基础上的，因此它可对任何可测量的元素进行实际测量。
（2）对于云、山、树等不规则物体，一般采用统计分形几何建模。常用分形建模方法首先是用一般形状或结构来描述物体的整体特征，然后通过光或随机漫反射变换将静止精细结构图像表现出来[4]。对于地形建模而言，则是通过对已知的一系列离散高程数据点进行数据插值方法实现。实际建模方法可通过几何分形法也可采用曲面造型的方法。
曲面造型是离散的数据点通过曲线拟合和插值的方法对离散数据的重构。曲面也可通过离散的多边形网格逼近曲面。曲面的精度是由离散的近似四边形或三角形网格的数量决定的。
（3）通过粒子系统建模方法，可以实现一些模糊而且不规则的物体模型的构建，如火花、煙、水等。粒子系统建模的基本思想是：利用大量具有一定大小和性质的微小粒子的基本元素来描述模糊不规则对象，这些微小基本元素具有自己的属性，如形状、坐标系、颜色、生存时间等[5]。粒子流模拟系统基于大量的粒子在运动过程中被看作是由一组预先定义的随机过程来控制粒子的形状特征、流动方向、速度和动态特性的位置。通过程序给定的期望平均值和最大方差的随机过程统计分析，每个粒子具有随机运动特性。该方法考虑了建模的模型在外部环境和干扰的情况下的随机扰动，更符合真实运动情况[7]。
3 静态实体造型系统的构建
通过3D可视化技术对水利水电施工现场地形和各种地物进行数字化建模。它能够真实反映施工地形、建筑物的整体布局、地基等方面的挖掘和填充三维过程以及外观及其他有用的信息。其创建过程的流程图如图2所示。
（1）通过数字地形模型（DTM）或实际测绘收集地表点的空间坐标（x、y、z）以及各物体的属性，并建立相应的数据特性表来表征地物模型的特征。
（2）通过施工现场的DTM表对地形进行切割和充填。由于DTM模型是由许多不规则的三角形组成，并且每个三角形的性质特征大不相同（其中包括面积、海拔、坡度、角度等）。
（3）通过建立施工系统三维数字化模型，可以实现实际图像的输出，同时可以进行实时可视化操作以及三维GIS空间分析。
（4）基于CAD图形建模技术。实体CAD图形建模技术（图3）。用CAD软件实现整个过程建模系统，或者用鼠标直接绘制模型库的一个构件，具有拼合成几何空间在计算机屏幕上使用的功能。
4 结语
与传统方法相比，三维可视化建模作为一种可视化建模的新技术不仅具有更加真实三维动态实时显示效果，使不熟悉的地质结构和构造设计工作者对地质空间结构关系有一个十分直观的认识。该文回顾并总结了三维数字化可视化技术在水利水电工程中的应用，对三维可视化技术在水利水电工程中迅速发展与应用提供一定的借鉴与指导作用。
参考文献
[1] 钟登华，李景茹，黄河，等.可视化仿真技术及其在水利水电工程中的应用研究[J].中国水利，2003（1）：67-70.
[2] 左健扬，倪万魁，景博.三维可视化滑坡地质模型的研究与应用[J].灾害学，2017，32（1）：60-64.
[3] Huang Wenbin，Xiao Keyan，Chen Xuegong，et al.Development of 3D visualization prototype system of mineral reserves estimation[J].Mineral deposit geology，2006， 25（2）：207-212.
[4] Zhu Liangfeng，Pan letter，Wu Xincai.Design and development of 3D geological modeling and visualization system[J].Rock and soil mechanics，2006，27（5）：829-832.
[5] Zhong Denghua，Song Yang.With the application of GIS water resources and hydropower engineering 3D visual graphic simulation method[J].Journal of engineering graphics，2004（1）：52-58.
[6] Huang Shanglei.Introduction and analysis of three dimensional design method for hydraulic and Hydroelectric Engineering[J].Guangdong science and technology， 2012（9）：75-76.
[7] 郁智，朱茂涛.基于ENVI和ArcScene三维地表可视化研究——以云南会泽铅锌矿为例[J].价值工程，2017，36（5）：189-191.
