水利工程復(fù)合場模型及可視化技術(shù)研究

謝 楠

(浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江杭州 310018)

0 引言

從水利工程數(shù)字化、可視化的角度，本研究將水利工程視為一個包括地形與人工建筑物等表面形態(tài)與地下三維空間體系(地質(zhì)體、巖層屬性、固液氣多相介質(zhì)等)所構(gòu)成的一個具有多維、多態(tài)、多屬性的動態(tài)量場，本研究稱之為“水利工程復(fù)合場”.水利工程復(fù)合場的三維可視化仿真就是在科學(xué)計算可視化(Scientific Computing Visualization)理論、技術(shù)和方法體系的支持下，通過研究水利工程復(fù)合場量數(shù)據(jù)的三維可視化模型與處理方式，運(yùn)用三維可視化技術(shù)，實現(xiàn)對水利工程復(fù)合場的直觀、形象與逼真地顯示，借以提高對水利工程復(fù)合場中各對象及其間關(guān)系復(fù)雜性的認(rèn)知能力.

1 水利工程復(fù)合場模型研究

水利工程復(fù)合場的主要研究內(nèi)容包括地質(zhì)、地形、地物的分類、分層集成可視化，核心及難點是三維地質(zhì)體的可視化建模.國外三維地質(zhì)體建模與可視化的研究開展得較早，在理論研究、軟件開發(fā)和實際應(yīng)用等方面的發(fā)展比較成熟.在基礎(chǔ)理論方面，許多學(xué)者從不同的角度提出了不同的理論與方法［1-5］.隨著相應(yīng)理論基礎(chǔ)的不斷研究和深入，國外三維地質(zhì)建模軟件較為成熟，主要有 Gemcom、GOCAD、MicroLynx、Vulcan、SurpacVision 等.這些建模與應(yīng)用軟件主要應(yīng)用于石油勘探、采礦工程以及石油開采等諸多領(lǐng)域，并已取得了頗有成效的工程應(yīng)用于實踐基礎(chǔ)成果［3-5］.

因水利工程結(jié)構(gòu)等因素影響和限制，國內(nèi)地質(zhì)和采礦工程師主要從二維的角度對地質(zhì)體、礦體進(jìn)行可視化分析和研究，并研制出相關(guān)的二維制圖可視化分析和應(yīng)用軟件，然而在水利工程三維地質(zhì)體建模和可視化應(yīng)用方面的應(yīng)用研究仍處于探索中.一些高校和研究單位開展了這方面的研究工作，并取得了一定的理論和應(yīng)用成果［6-9］.中科院張菊明等將擬和函數(shù)法應(yīng)用于三峽船閘邊坡工程的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模擬和再現(xiàn)問題中;成都理工大學(xué)柴賀軍等研究開發(fā)了一套適用于巖體結(jié)構(gòu)分析的三維可視化系統(tǒng)，且應(yīng)用于溪洛渡水電站，建立了三維地質(zhì)模型構(gòu)圖;天津大學(xué)鐘登華等基于GIS技術(shù)也進(jìn)行了廣泛的探討.此外，北京科技大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、河海大學(xué)等單位也做過相關(guān)的研究工作.

從國內(nèi)外的研究和應(yīng)用來看，三維地質(zhì)可視化建模與交互分析越來越受國內(nèi)外研究學(xué)者與專家的關(guān)注，對地質(zhì)體建模理論和建模方法取得了初步成果.然而就目前的工程地質(zhì)建模大部分均限于單層的地質(zhì)實體的可視化表示，對斷層和褶皺構(gòu)造因素的分析重視不夠，無法反映水利工程設(shè)計和大型結(jié)構(gòu)面相互制約的綜合數(shù)據(jù)信息以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析評價功能［5］，水利工程的真三維建模與可視化分析尚處于探索階段.有關(guān)水利工程復(fù)合場理論、一體化模型及可視化技術(shù)的集成研究，國內(nèi)外尚未見有關(guān)報道.

1 水利工程復(fù)合場可視化仿真系統(tǒng)框架

水利工程復(fù)合場模型的三維可視化仿真，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)用直觀的圖形或圖像顯示復(fù)合場模型中各類量場的分布情況;(2)實現(xiàn)對三維可視化仿真場景的人機(jī)交互操作，通過不同角度和不同層次的觀察，使研究人員隨時能夠?qū)Ω信d趣的部分進(jìn)行深入研究與分析;(3)實現(xiàn)實時動態(tài)的顯示，能夠連續(xù)將整體或部分的數(shù)據(jù)場在不同時刻的情況進(jìn)行實時動態(tài)的顯示;(4)在友好的三維可視化環(huán)境下，實現(xiàn)“駕馭式”可視化.本研究的可視化仿真系統(tǒng)的框架模型，見圖1，在三維可視化仿真的過程中，研究人員可以隨時對仿真結(jié)果進(jìn)行交互，能夠根據(jù)圖像交互控制模型顯示的各個階段，直到對所模擬的現(xiàn)象獲得深刻的理解和洞察，因此，整個的可視化仿真過程是一個“反復(fù)求精”的循環(huán)迭代過程.

圖1 可視化仿真系統(tǒng)的框架模型

水利工程復(fù)合場模型可視化仿真的具體過程包括:

(1)工程數(shù)據(jù)庫的建立 實現(xiàn)對多種不同數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)組織形式的水利工程空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化管理，并研究有效的數(shù)據(jù)挖掘算法，以便能夠根據(jù)原始數(shù)據(jù)(包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù))描述各工程實體的空間分布，進(jìn)而提高系統(tǒng)模擬的精度.

(2)水利工程復(fù)合場可視化模型的建立 研究適用于地形模型、地質(zhì)模型和地物模型的可視化算法及其微機(jī)實現(xiàn)，充分考慮不同地形、地物、地質(zhì)體的特點，運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒ê蚈penGL技術(shù)，能夠針對不同類型的地形、地物、地質(zhì)特征，采用有針對性的建模技術(shù)和手段來建立3D GIS可視化模型.

(3)真實感圖形繪制算法 對各模型進(jìn)行紋理映射、顏色及不透明度設(shè)置等，并對場景加入光照和霧化效果，使場景和模型的視覺效果更加逼真，見圖2.

圖2 虛擬仿真環(huán)境的構(gòu)建

(4)地形模型、地質(zhì)模型與地物模型的整合和匹配.各工程實體空間關(guān)系復(fù)雜，考慮到模型間出現(xiàn)不完全匹配而導(dǎo)致水工地質(zhì)模型遮擋或分離，進(jìn)而較難真實地反映實際工程問題與現(xiàn)象，故在研究過程中可利用面向?qū)ο笤O(shè)計方法，通過構(gòu)造三維場景的“模型樹”，實現(xiàn)對模型的管理、整合和匹配.

(5)三維人機(jī)交互技術(shù)研究 實現(xiàn)在真三維的仿真環(huán)境中，交互生成各類地形、地物與地質(zhì)模型，實現(xiàn)這些模型的逼真、動態(tài)顯示與交互觀察，使用戶在真三維的可視化仿真環(huán)境中實現(xiàn)地質(zhì)體及各類人造物的全方位觀察，以及各類地學(xué)統(tǒng)計、查詢與空間分析等人機(jī)交互功能.

(6)水利工程三維可視化系統(tǒng)的集成實現(xiàn)技術(shù)及系統(tǒng)原型.將上述研究成果在微機(jī)上集成實現(xiàn)，建立系統(tǒng)原型，同時，實現(xiàn)多種不同的人機(jī)交互功能，包括任意角度旋轉(zhuǎn)、局部縮放、任意剖切以及虛擬漫游等功能，并結(jié)合具體工程實例，展示系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用前景.

2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)水利工程復(fù)合場的三維可視化技術(shù).包括大規(guī)模數(shù)據(jù)量的實時處理與可視化顯示與分析技術(shù)、數(shù)字地形與數(shù)字地質(zhì)三維建模方法、水利工程建筑物參數(shù)化輔助設(shè)計方法、土石方填挖交互分析方法、真實感實體模型的構(gòu)造與整合、三維人機(jī)交互技術(shù)等.

(2)水利工程復(fù)合場的二維平面模型與三維空間模型的轉(zhuǎn)換技術(shù)，如柵格化技術(shù)、矢量化技術(shù)等均可為實現(xiàn)水利工程復(fù)合場可視化模型從三維空間向二維平面轉(zhuǎn)換與映射提供一定的技術(shù)支撐和數(shù)字量化分析.

(3)水利工程復(fù)合場的三維可視化仿真系統(tǒng)、水利工程CAD系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)以及地理信息系統(tǒng)GIS的集成技術(shù).

(4)基于B/S結(jié)構(gòu)及WEB的水利工程復(fù)合場的三維可視化仿真系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù).基于通用平臺和OpenGL技術(shù)，針對不同類型的地形地物特征，采用有針對性的建模技術(shù)構(gòu)造各工程實體的三維模型，包括地形、地質(zhì)、河道以及各種人工建筑物，并提供方便快捷的人機(jī)交互技術(shù)實現(xiàn)對各模型的實時動態(tài)觀察和交互分析與處理;直觀地表現(xiàn)各工程實體邏輯上的時空關(guān)系，揭示系統(tǒng)內(nèi)部靜態(tài)的空間布置及動態(tài)的行為特征，輔助工程設(shè)計人員進(jìn)行工程設(shè)計與分析，實現(xiàn)對水利工程全過程、全方位信息管理與控制，并結(jié)合具體工程實例，展示系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用前景.

3 結(jié)語

本文提出了水利工程的“復(fù)合場模型”，闡述了研究水利工程復(fù)合場一體化數(shù)字模型及可視化技術(shù)的意義，歸納了水利工程復(fù)合場的三維可視化仿真的研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了水利工程復(fù)合場三維可視化仿真系統(tǒng)的原型，為研究大型水利工程復(fù)合場的數(shù)字化、可視化模型，模擬水利工程量場的運(yùn)動規(guī)律以及對水利工程復(fù)合場模型的三維可視化仿真等奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ).水利工程復(fù)合場模型和三維可視化技術(shù)的系統(tǒng)實現(xiàn)方法、地形地物、地質(zhì)構(gòu)造、地下空間氣象量場等的一體化數(shù)字模型、三維可視化仿真技術(shù)的研究及實現(xiàn)是當(dāng)前水利工程研究主體，最終推動正在興起的集數(shù)字化、可視化、智能化于一體的水利工程設(shè)計革命的浪潮.

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