導(dǎo)語：水利水電三維可視化前景一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1三維可視化技術(shù)

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(shù)是把計算機(jī)中的數(shù)字信息轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^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(tǒng)意義上不可見的事物或現(xiàn)象，同時還提供模擬和計算的視覺交互手段［2］?？梢暬夹g(shù)是集科學(xué)與工程計算、計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、人機(jī)界面等多學(xué)科和技術(shù)于一體的現(xiàn)代化技術(shù)?？梢暬暮诵募夹g(shù)包括:1)將科學(xué)計算中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及結(jié)果轉(zhuǎn)化為圖形或圖像;2)基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的圖形用戶界面的設(shè)計，即可視化建模的實現(xiàn)?？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(cè)重于以三維的手段反映客觀世界，屬于科學(xué)計算可視化的范疇［3］，在地學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景［4-7］。三維可視化技術(shù)已經(jīng)滲透到各個學(xué)科中去，如地理學(xué)、資源環(huán)境學(xué)、測繪學(xué)、海洋學(xué)、建筑學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等，它的應(yīng)用為這些學(xué)科的科學(xué)研究提供了極其有用的幫助，促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。比如，三維可視化技術(shù)在建筑、交通、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用可以提高決策者的預(yù)見性，避免不必要的浪費和損失;在動畫和虛擬世界領(lǐng)域，三維可視化技術(shù)帶給了我們強(qiáng)烈的視覺沖擊;其仿真技術(shù)的應(yīng)用，提高了我們在醫(yī)學(xué)手術(shù)實施、機(jī)械制造加工、礦物開采加工、水利設(shè)施建設(shè)等的精準(zhǔn)度和效率。目前三維可視化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、電力、交通、礦業(yè)等各個領(lǐng)域，但在水利行業(yè)尤其是工程設(shè)計方面卻很少［8］，三維可視化技術(shù)廣泛應(yīng)用于水工設(shè)計將大大提高水利水電工程建設(shè)的效率和研究水平。

2水利水電工程三維可視化技術(shù)

2．1研究現(xiàn)狀

目前，水利水電工程設(shè)計已經(jīng)開始從二維CAD設(shè)計逐步向三維CAD設(shè)計轉(zhuǎn)變。計算機(jī)三維建模與可視化模擬技術(shù)已開始應(yīng)用于水利水電工程的設(shè)計、施工等各個階段，如樞紐布置、施工總布置等。天津大學(xué)的鐘登華等［9-11］從單獨研究水利水電工程地質(zhì)、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(shè)計(VCAD)理論的構(gòu)成體系和實現(xiàn)方法;黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司的李斌等［12］、天津大學(xué)的顧巖［13］、廣西河池水利電力勘測設(shè)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(shè)計方法;三峽大學(xué)的田斌等［15］、中國葛洲壩集團(tuán)公司的陳立新［16］對三維空間數(shù)據(jù)、地形、地物模型的建立以及對施工過程三維模擬技術(shù)做了相關(guān)研究;武漢大學(xué)的陶鐵鈴等［17］、電子科技大學(xué)的魏魯雙［18］、河海大學(xué)的楊威［19］、天津大學(xué)的張社榮等［20］分別開發(fā)了拱壩、重力壩優(yōu)化設(shè)計可視化系統(tǒng)。水利水電工程三維可視化設(shè)計已得到國內(nèi)專家、學(xué)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(shù)路線

按照工程設(shè)計流程，水工設(shè)計實現(xiàn)三維可視化就要求工程設(shè)計條件可視化，設(shè)計建模過程可視化，計算分析過程可視化和設(shè)計成果可視化。這里可視化是三維工程設(shè)計的核心，數(shù)字化則是實現(xiàn)可視化設(shè)計的基礎(chǔ)。目前，地質(zhì)、地物三維建模是水工三維可視化的基礎(chǔ)和研究重點，當(dāng)前這方面的研究工作主要包括地質(zhì)、地物的三維空間數(shù)據(jù)模型，地質(zhì)、地物模型的整合和匹配三方面。1)構(gòu)造三維地質(zhì)模型常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括NURBS結(jié)構(gòu)、B-Rep結(jié)構(gòu)、TIN模型等。基于以上三種模型，鐘登華等提出了以NURBS結(jié)構(gòu)為主、結(jié)合TIN模型和B-Rep結(jié)構(gòu)的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。徐衛(wèi)亞等［21］提出了基于裁剪NURBS-B-Rep半邊結(jié)構(gòu)的三維混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2)地物模型都屬于靜態(tài)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括空間位置、形狀和空間拓?fù)潢P(guān)系等信息［15］。區(qū)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(yīng)。對于大規(guī)模的地物建模而言，采取單一的建模技術(shù)是不能完善地對其進(jìn)行描述的，針對不同的建筑物，應(yīng)分別采用有針對性的建模技術(shù)，建立相應(yīng)的三維可視化數(shù)據(jù)模型。常用的建模技術(shù)有實體CAD圖形建模技術(shù)、特征建模技術(shù)和參數(shù)化實體建模技術(shù)。近年來，利用以上三種技術(shù)，許多學(xué)者都建立了相應(yīng)的地物模型。劉東海［22］提出了交互式的參數(shù)化圖形建模技術(shù)。李景茹等［23］提出了基于GIS三維實體化參數(shù)模型。蔡宜洲等［24］提出了元件裝配法對水工建筑物進(jìn)行組裝式建模。3)地質(zhì)實體是水利水電工程建設(shè)的基本載體，必須將地質(zhì)模型和地物模型統(tǒng)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(yōu)點是簡單實用，缺陷是在視景顯示時，會出現(xiàn)“爭奪Z值”的現(xiàn)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(guī)則三角網(wǎng)格前提下逐漸加入地物模型，與地形整合在一起。要實現(xiàn)三維可視化水工設(shè)計，除了需要專業(yè)的水工知識和工程設(shè)計技術(shù)外，必要的計算機(jī)技術(shù)也是不可或缺的，最基本的包括:1)圖形建模技術(shù);2)交互技術(shù);3)可視化技術(shù);4)圖形學(xué)技術(shù);5)軟件工程技術(shù)。三維可視化的設(shè)計有一定的過程，水工三維可視化設(shè)計的過程見圖2。該圖也可詳細(xì)反映水工三維可視化設(shè)計理論和技術(shù)的構(gòu)成體系。

2．3應(yīng)用效果

地形地質(zhì)三維可視化為水利水電工程建筑物選址、布置、設(shè)計和施工等各方面提供多方面可行的地質(zhì)分析手段。更為重要的是，利用仿真三維實體技術(shù)建立的三維地貌可以實現(xiàn)三維模型的任意剖切分析;可對任意部位的體積、表面積進(jìn)行精確的計算;可實現(xiàn)對山體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、切剖面、開挖等操作。三維設(shè)計在工程設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用徹底改變了二維圖紙表現(xiàn)和三維實際形態(tài)之間進(jìn)行思路轉(zhuǎn)換的設(shè)計模式。它的應(yīng)用將大大提高設(shè)計質(zhì)量和效率。參數(shù)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(diào)整修改時其更加快速、靈活、準(zhǔn)確。已有成果的重復(fù)利用率大幅度提高，在減少設(shè)計錯誤和返工現(xiàn)象同時，又縮短設(shè)計周期，極大地提高了工程設(shè)計工作的效率和質(zhì)量。工程精確數(shù)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(biāo)以及體積變得方便快捷。對建筑物及地質(zhì)分類建模后，不僅能夠計算不同材料的用量，同時為概預(yù)算及施工期業(yè)主的材料供應(yīng)計劃提供科學(xué)的依據(jù)。采用三維動態(tài)布置施工平臺，在設(shè)置明確的制約條件的前提下，能夠方便準(zhǔn)確地生成水利水電工程施工場地布置困難的地形相應(yīng)的平面、剖面圖。采用三維可視化模擬技術(shù)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(jìn)行進(jìn)度分析，并能定量地分析各種施工措施對工程進(jìn)度的影響。

2．4實例應(yīng)用

在溪洛渡水電站，因思公司以C#開發(fā)語言和access數(shù)據(jù)庫等為基礎(chǔ)建立溪洛渡施工信息管理系統(tǒng)，它不僅在前期對大壩的整體進(jìn)行三維可視化，還將大壩整體的細(xì)部構(gòu)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(xì)部，方便查看監(jiān)測儀器埋設(shè)布置以及對細(xì)部的結(jié)構(gòu)分析。

2．5應(yīng)用前景

集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化是三維設(shè)計的發(fā)展方向。應(yīng)努力實現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)助設(shè)計、自動協(xié)同設(shè)計、集成協(xié)同設(shè)計，充分體現(xiàn)設(shè)計的團(tuán)體性、交互性、協(xié)作性，建立跨學(xué)科的、以人際合作關(guān)系為基礎(chǔ)、協(xié)同工作、合作設(shè)計的新格局。水工三維設(shè)計是工程設(shè)計的必然趨勢，三維技術(shù)在機(jī)械、電子、航班、航天以及建筑等部門得到了廣泛的應(yīng)用。把三維設(shè)計應(yīng)用到水利水電工程上，可以實現(xiàn)真正意義上的工程方案優(yōu)化及多方案的比較，對于提高工程的技術(shù)指標(biāo)和品質(zhì)、降低工程造價、縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量均可起到重要作用。

3結(jié)語

水工三維可視化研究涉及水工設(shè)計學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、圖形學(xué)等多個學(xué)科，研究的內(nèi)容包含了三維模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、可視化繪制、三維拓?fù)浞治龅确矫?。目前其對于水工設(shè)計全過程的描述、基于復(fù)雜地基模型的建立、真三維的空間拓?fù)潢P(guān)系和空間分析能力還有待于進(jìn)一步提高。同時我國目前還缺乏成熟的商業(yè)化專業(yè)應(yīng)用軟件，這在一定程度上制約了國內(nèi)的水工三維可視化研究及其應(yīng)用的深化。但是，將三維可視化技術(shù)熟練運(yùn)用到水利水電工程中后，將會對水利水電工程的設(shè)計、研究等帶來利處。

作者：王瑞瑤工作單位：三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院