水利水电三维可视化前景

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1三维可视化技术

可视化是指人脑中形成某事物图像的一种心智处理过程(mentalprocess)。可视化技术是把计算机中的数字信息转变为直观的图形图像信息，使得研究者能够形象直观地观察到，即看到传统意义上不可见的事物或现象，同时还提供模拟和计算的视觉交互手段［2］。可视化技术是集科学与工程计算、计算机图形学、图像处理、人机界面等多学科和技术于一体的现代化技术。可视化的核心技术包括:1)将科学计算中产生的数据及结果转化为图形或图像;2)基于面向对象技术的图形用户界面的设计，即可视化建模的实现。可视化的过程模型如图1所示。三维可视化作为可视化的重要组成部分，侧重于以三维的手段反映客观世界，属于科学计算可视化的范畴［3］，在地学领域有着广泛的应用和发展前景［4-7］。三维可视化技术已经渗透到各个学科中去，如地理学、资源环境学、测绘学、海洋学、建筑学、生物医学等，它的应用为这些学科的科学研究提供了极其有用的帮助，促进了这些学科的发展。比如，三维可视化技术在建筑、交通、医学等领域的应用可以提高决策者的预见性，避免不必要的浪费和损失;在动画和虚拟世界领域，三维可视化技术带给了我们强烈的视觉冲击;其仿真技术的应用，提高了我们在医学手术实施、机械制造加工、矿物开采加工、水利设施建设等的精准度和效率。目前三维可视化技术已广泛应用于城市规划、电力、交通、矿业等各个领域，但在水利行业尤其是工程设计方面却很少［8］，三维可视化技术广泛应用于水工设计将大大提高水利水电工程建设的效率和研究水平。

2水利水电工程三维可视化技术

2．1研究现状

目前，水利水电工程设计已经开始从二维CAD设计逐步向三维CAD设计转变。计算机三维建模与可视化模拟技术已开始应用于水利水电工程的设计、施工等各个阶段，如枢纽布置、施工总布置等。天津大学的钟登华等［9-11］从单独研究水利水电工程地质、水利水电工程建筑物及水利水电施工三维可视化建模入手，逐步提出了对工程可视化辅助设计(VCAD)理论的构成体系和实现方法;黄河勘测规划设计有限公司的李斌等［12］、天津大学的顾岩［13］、广西河池水利电力勘测设计研究院的黄尚磊［14］提出了基于CATIA软件的水利水电工程三维设计方法;三峡大学的田斌等［15］、中国葛洲坝集团公司的陈立新［16］对三维空间数据、地形、地物模型的建立以及对施工过程三维模拟技术做了相关研究;武汉大学的陶铁铃等［17］、电子科技大学的魏鲁双［18］、河海大学的杨威［19］、天津大学的张社荣等［20］分别开发了拱坝、重力坝优化设计可视化系统。水利水电工程三维可视化设计已得到国内专家、学者越来越多的重视，并取得了一定的成果，但目前还未形成一套完整的理论体系和软件成果，整体上仍处于探索阶段。

2．2技术路线

按照工程设计流程，水工设计实现三维可视化就要求工程设计条件可视化，设计建模过程可视化，计算分析过程可视化和设计成果可视化。这里可视化是三维工程设计的核心，数字化则是实现可视化设计的基础。目前，地质、地物三维建模是水工三维可视化的基础和研究重点，当前这方面的研究工作主要包括地质、地物的三维空间数据模型，地质、地物模型的整合和匹配三方面。1)构造三维地质模型常用的数据结构包括NURBS结构、B-Rep结构、TIN模型等。基于以上三种模型，钟登华等提出了以NURBS结构为主、结合TIN模型和B-Rep结构的混合数据结构。徐卫亚等［21］提出了基于裁剪NURBS-B-Rep半边结构的三维混合数据结构。2)地物模型都属于静态空间数据结构，包括空间位置、形状和空间拓扑关系等信息［15］。区别于一般的几何模型，地物模型尚需反映其属性信息，并且要确保几何图形及其属性一一对应。对于大规模的地物建模而言，采取单一的建模技术是不能完善地对其进行描述的，针对不同的建筑物，应分别采用有针对性的建模技术，建立相应的三维可视化数据模型。常用的建模技术有实体CAD图形建模技术、特征建模技术和参数化实体建模技术。近年来，利用以上三种技术，许多学者都建立了相应的地物模型。刘东海［22］提出了交互式的参数化图形建模技术。李景茹等［23］提出了基于GIS三维实体化参数模型。蔡宜洲等［24］提出了元件装配法对水工建筑物进行组装式建模。3)地质实体是水利水电工程建设的基本载体，必须将地质模型和地物模型统一起来，才具有实际意义。地物与地形匹配常用的方法有两种［9］:方法一是直接将地物搁置在地形表面上，其优点是简单实用，缺陷是在视景显示时，会出现“争夺Z值”的现象，即同一个Z值上可能有多个面;另一个方法是在生成地形的不规则三角网格前提下逐渐加入地物模型，与地形整合在一起。要实现三维可视化水工设计，除了需要专业的水工知识和工程设计技术外，必要的计算机技术也是不可或缺的，最基本的包括:1)图形建模技术;2)交互技术;3)可视化技术;4)图形学技术;5)软件工程技术。三维可视化的设计有一定的过程，水工三维可视化设计的过程见图2。该图也可详细反映水工三维可视化设计理论和技术的构成体系。

2．3应用效果

地形地质三维可视化为水利水电工程建筑物选址、布置、设计和施工等各方面提供多方面可行的地质分析手段。更为重要的是，利用仿真三维实体技术建立的三维地貌可以实现三维模型的任意剖切分析;可对任意部位的体积、表面积进行精确的计算;可实现对山体进行旋转、切剖面、开挖等操作。三维设计在工程设计领域的应用彻底改变了二维图纸表现和三维实际形态之间进行思路转换的设计模式。它的应用将大大提高设计质量和效率。参数化工程三维模型不仅使工程建筑物建模变得简单易行，而且在工程方案需要调整修改时其更加快速、灵活、准确。已有成果的重复利用率大幅度提高，在减少设计错误和返工现象同时，又缩短设计周期，极大地提高了工程设计工作的效率和质量。工程精确数值模型的建立，使得精确计算坝体工程量、各坝段各截面的面积、各点的坐标以及体积变得方便快捷。对建筑物及地质分类建模后，不仅能够计算不同材料的用量，同时为概预算及施工期业主的材料供应计划提供科学的依据。采用三维动态布置施工平台，在设置明确的制约条件的前提下，能够方便准确地生成水利水电工程施工场地布置困难的地形相应的平面、剖面图。采用三维可视化模拟技术不但能充分、更直观地考虑多种可行方案，而且能快速、方便地进行进度分析，并能定量地分析各种施工措施对工程进度的影响。

2．4实例应用

在溪洛渡水电站，因思公司以C#开发语言和access数据库等为基础建立溪洛渡施工信息管理系统，它不仅在前期对大坝的整体进行三维可视化，还将大坝整体的细部构造分解出来，让溪洛渡工程的参建者可以很透彻地剖析溪洛渡大坝的各个细部，方便查看监测仪器埋设布置以及对细部的结构分析。

2．5应用前景

集成化、智能化、网络化、协同化是三维设计的发展方向。应努力实现远程协助设计、自动协同设计、集成协同设计，充分体现设计的团体性、交互性、协作性，建立跨学科的、以人际合作关系为基础、协同工作、合作设计的新格局。水工三维设计是工程设计的必然趋势，三维技术在机械、电子、航班、航天以及建筑等部门得到了广泛的应用。把三维设计应用到水利水电工程上，可以实现真正意义上的工程方案优化及多方案的比较，对于提高工程的技术指标和品质、降低工程造价、缩短设计周期、提高设计质量均可起到重要作用。

3结语

水工三维可视化研究涉及水工设计学、数学、计算机科学、图形学等多个学科，研究的内容包含了三维模型与数据结构、可视化绘制、三维拓扑分析等方面。目前其对于水工设计全过程的描述、基于复杂地基模型的建立、真三维的空间拓扑关系和空间分析能力还有待于进一步提高。同时我国目前还缺乏成熟的商业化专业应用软件，这在一定程度上制约了国内的水工三维可视化研究及其应用的深化。但是，将三维可视化技术熟练运用到水利水电工程中后，将会对水利水电工程的设计、研究等带来利处。

作者：王瑞瑶工作单位：三峡大学水利与环境学院