可視化仿真技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

畢慶雙

(通河縣水務(wù)技術(shù)服務(wù)中心，黑龍江通河150900)

1 可視化仿真技術(shù)簡介

可視化仿真技術(shù)結(jié)合了可視化技術(shù)與系統(tǒng)建模技術(shù)，利用可視化仿真技術(shù)可快速處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)，然后通過建立數(shù)字模型并將其以圖形或動態(tài)圖像的方式反映在人機(jī)交互界面，因此具有直觀、高效的優(yōu)點(diǎn)[1]。其主要功用反映在以下3個方面:①可將數(shù)據(jù)場內(nèi)的各個建筑物直觀地以圖形或圖像的方式反映出來;②便于操作人員深入分析，操作人員可通過人機(jī)交互界面隨意改變仿真圖像的角度，也可將局部無限放大，有利于發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)[2];③可將數(shù)據(jù)場內(nèi)的情況進(jìn)行動態(tài)顯示，以便使管理人員或技術(shù)人員直觀地了解數(shù)據(jù)場內(nèi)構(gòu)筑物的演變過程。水利工程中的三維可視化仿真技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 水利工程中的三維可視化仿真技術(shù)路線

2 在水利工程中可視化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 三維空間數(shù)據(jù)模型

水利工程的設(shè)計及施工過程中，為便于進(jìn)行實(shí)時分析，不僅要求通過可視化仿真技術(shù)反映出施工環(huán)境、場地以及建筑物、構(gòu)筑物的位置關(guān)系等靜態(tài)信息，還需要反映地形填挖等施工過程的動態(tài)信息，因此需要根據(jù)實(shí)際需要建立相應(yīng)的三維空間數(shù)據(jù)模型，以便于對數(shù)據(jù)的分析和操作。

2.1.1 數(shù)字地形模型

數(shù)字地形模型可以反映施工環(huán)境、地形地貌、建筑物的空間布置情況等，并且為反映動態(tài)信息提供基礎(chǔ)，DTM是建立在數(shù)字高程模型的基礎(chǔ)上的，因此可通過建立DEM來實(shí)現(xiàn)，由于施工場地的地形地貌是不規(guī)則的，尤其是在山區(qū)，地形起伏較大，因此一般情況下可使用不規(guī)則三角網(wǎng)模型來反映數(shù)據(jù)場的地形表面信息，通過在地形上離散分布的高程控制點(diǎn)連接成一系列三角形，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可充分反映出地形的高程變化。

2.1.2 地物模型

地物就是在水利工程地形中存在的各種實(shí)體建筑物及地表附屬物，如主體工程建筑物、各種工藝構(gòu)筑物、附屬工程建筑物及地表植被等，例如辦公室、大壩、電站廠房、截流圍堰等等，這些地物的形狀、空間位置等基本上都屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)，常見的建模技術(shù)對比如表1所示:從表1中可以看出，根據(jù)不同的建筑物要采用相適合的建模技術(shù)才能達(dá)到更好的效果。

表1 常用地物模型建模技術(shù)對比

2.2 三維人機(jī)交互技術(shù)

2.2.1 與數(shù)據(jù)的交互

通過人機(jī)交互界面，操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置數(shù)據(jù)的計算方式、范圍以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行片段截取等操作，例如在通過圖像對動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行演示的過程中，可根據(jù)需要設(shè)置演示的時間段，從而防止浪費(fèi)時間在不需要的動畫片段上。

2.2.2 與圖形的交互

操作人員可以通過人機(jī)交互界面對平面或者立體圖形進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、放大等操作以方便從不同的角度、不同的倍率來觀察工程細(xì)節(jié)情況，便于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計及施工中存在的問題以及提出創(chuàng)造性意見。

2.2.3 與可視化參數(shù)的交互

操作人員可根據(jù)自己喜好或者現(xiàn)實(shí)情況來改變可視化參數(shù)，比如光照強(qiáng)度、光照方向、視角、對比度、顏色誤差等，從而得到更好的可視化效果。

2.3 空間分析技術(shù)

通過可視化仿真技術(shù)可進(jìn)行工程空間分析，為工程設(shè)計提供參考，并為后續(xù)的工程決策提供一定的依據(jù)，這就要求必須提供一個交互友好、自動化程度高的空間分析技術(shù)，從而將工程施工過程中各建筑物的布置、施工順序等靜態(tài)和動態(tài)的特征均呈現(xiàn)在人的面前，輔助設(shè)計人員進(jìn)行工程的設(shè)計，以使設(shè)計方案更加科學(xué)，有利于保證工程的質(zhì)量和進(jìn)度，并體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的要求，因此也為決策者的工程決策提供了間接的參考。

3 水利工程中可視化仿真系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要是建立空間數(shù)據(jù)庫并管理其中的數(shù)據(jù)，通過對空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)空間信息進(jìn)行收集、整理，將其集合到數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)地面對象隨時間的變化及時更新數(shù)據(jù)庫信息，為可視化仿真系統(tǒng)的建立和運(yùn)行提供基礎(chǔ)。

3.2 圖形顯示模塊

對空間數(shù)據(jù)庫中每種空間對象進(jìn)行分析，根據(jù)其自身的特征自動采取適合的圖形繪制和造型技術(shù)，將數(shù)據(jù)通過圖形或圖像的方式反映出來，其中圖形可以是二維，也可以是三維。

3.3 圖形操作模塊

對顯示出來的圖形進(jìn)行修改和補(bǔ)充，使其在空間上更為合理，在形態(tài)上更加符合建筑學(xué)思想，另外通過人機(jī)交互還可調(diào)整各項參數(shù)，如水系、境界、植被符號的自定義和填充，光學(xué)屬性(顏色、透明度)的修改和調(diào)整等，并且能夠?qū)⒉僮鹘Y(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中，或者根據(jù)不同的選中設(shè)備，向不同的輸出設(shè)備(顯示器、繪圖儀、打印機(jī)和文件等)輸出圖形。

3.4 圖形分析模塊

系統(tǒng)可自動計算某特定區(qū)域或建筑物的參數(shù)，并將其反映在計算機(jī)屏幕上，并且通過建立可視化的實(shí)時人機(jī)交互平臺，方便技術(shù)人員分析，并隨時模擬施工過程，在此過程中，系統(tǒng)可通過分析給出相應(yīng)的參考意見，以便技術(shù)人員更好地進(jìn)行相應(yīng)工作。

4 結(jié)語

可視化仿真技術(shù)在水利工程的設(shè)計和建設(shè)中具有十分重要的作用，其通過直觀的圖形和圖像輸出以及友好的人機(jī)交互等技術(shù)為技術(shù)和管理人員提供參考，是一種較為先進(jìn)的技術(shù)手段，極大提高了水利工程設(shè)計和建設(shè)的現(xiàn)代化水平，在日后工作中，將智能化專家系統(tǒng)與可視化仿真技術(shù)相結(jié)合將是一個重要的研究方向。

[1]唐穩(wěn)，田斌.水電工程施工的三維可視化仿真技術(shù)研究[J].湖北水力發(fā)電，2008(05):23.

[2]僧德文，王紅霞.水利工程三維可視化仿真技術(shù)與系統(tǒng)研究[J].浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報，2006，18(03):33－35.