三維可視化仿真技術在水電工程施工的研究

【摘 要】三維可視化仿真技術在水電工程施工的領域里是非常重要的技術。我們通過分析水電工程三維可視化仿真的關鍵技術和難點，來制定出相應的解決方案。

【關鍵詞】水電工程施工；三維可視化仿真；數(shù)字模型；空間數(shù)據(jù)

現(xiàn)在一大批水利水電工程隨著我國水利水電事業(yè)的迅速發(fā)展而相繼開工建設。但這也意味著傳統(tǒng)的水利水電工程在施工、管理、設計方面已經無法達到要求。今天大型的水利水電工程更加提倡高效、直觀和環(huán)保理念。所以現(xiàn)在工程設計者的目標就是要利用先進的技術來制造出具有數(shù)字化、可視化、智能化特點的大型水利水電工程。目前，水利水電工程設計領域里大力使用的計算機輔助設計技術效果明顯，使得二維CAD設計得以實現(xiàn)，取代了傳統(tǒng)的圖版，但設計成果不直觀的狀況并沒有因此改變。而水利工程計算機三維模型在三維建模技術的應用下應運而生。過去在預覽工程完建形象的時候，只能通過沙盤模型來實現(xiàn)，如今借助水利工程計算機三維模型，可在建設工程中就可以看到工程的未來景象。如想知道設計方案、樞紐布置是否合理可以通過計算機三維模型來進行可視化的分析和評價。此外，設計者要想了解施工方案是否合理，利用三維動畫技術模擬施工進度是一個好方法，同時也可以為設計者提供決策依據(jù)。

系統(tǒng)建模技術與可視化技術相結合形成的仿真技術稱為三維可視化仿真。對仿真計算過程的跟蹤、駕馭和結果的后處理可以通過采用圖形或者圖像的方式，它具有直觀高效的特點。所以，要想推動水利水電工程向數(shù)字化的發(fā)展，就必須要應用可視化仿真技術。

1.施工過程中的可視化仿真系統(tǒng)框架模型

人們獲得關于數(shù)據(jù)的直觀理解和以通過可視化仿真系統(tǒng)來實現(xiàn)。如今，人們想了解復雜的現(xiàn)象以及客觀事物本質的規(guī)律，可視化仿真系統(tǒng)是一個非常重要的工具。

2.水利水電工程三維建模和可視化模擬相關技術

水利水電工程三維建模與施工過程模擬是一個學科交叉、多技術綜合的技術?，F(xiàn)在，國內的許多專家學者已經對水利水電工程三維技術和可視化模擬看的非常重要，效果也非常的不錯，不過就目前的研究來看，理論體系還尚不成熟，軟件成果也不完善，還必須要進行專研。

2.1三維空間數(shù)據(jù)模型

水利水電工程施工場地、建筑物布置、環(huán)境是水利水電工程的可視化仿真所要研究的靜態(tài)信息。并且對一些地形填挖動態(tài)的施工邏輯關系也要及時的反映出來。因此，要能夠充分反應各工程對象的屬性特點以及對以后數(shù)據(jù)的管理和操作，就必須要研究出可達到實現(xiàn)系統(tǒng)高效顯示和快速分析的空間數(shù)據(jù)結構和有效的建模手段。地物模型和地形模型共同組成了水利水電工程的三維模型。而在設計制作整體工程的虛擬漫游動畫時候，可以借助水利水電工程三維模型，通過利用3DSMax來實現(xiàn)。這樣以來在對可視化分析和評價以及了解未來工程的具體形象，如檢驗設計是否得當、樞紐布置是否合理等等的時候能夠有一個比較直觀的認識。

2.1.1地形模型

能夠反映整個工程施工場地的地貌、地形的模型被稱為數(shù)字地形模型。它是所有工程建筑物以及地形動態(tài)填挖所布置的場所和受體?？梢酝ㄟ^不規(guī)則的三角網模型來對地形表面進行描述，英文簡稱為TIN。按照不同的地形點規(guī)則構成的不相交的三角形被稱作TIN模型。它比較適用于能夠表現(xiàn)地形高程變化的山區(qū)。一般來說，為了能夠建立水利水電工程較為復雜的地表TDM，通常都采用TIN模型，同時，利用Delaunay三角形部分算法在結合這地形高等線的數(shù)據(jù)也可以制作成TIN模型。并且由于高線數(shù)據(jù)過于密集，應在剛形成TIN的時候及時的消除細小且狹長的三角形，然后在進行一定程度的內插細化，形成高度的DTM。

2.1.2地物模型

主體工程建筑物、相關土建工程建筑物、附屬工程建筑物、植被等是大型水利水電工程中地物實體的組成部分。而泄水建筑物、大壩、截流圍堰、電站廠房、地下洞室、以及其他附屬設施等工程是工程建筑物的組成部分。而這些在空間位置等信息中都屬于靜態(tài)空間數(shù)據(jù)模型。因此，在建立三維可視化數(shù)字模型的時候，要把不同的建模技術運用到不同的建筑物類型當中。

（1）參數(shù)化實體建模方法。根據(jù)一定的幾何參數(shù)來制定一系列的約束方程是此方法的思想內容。最后在確定圖素的形狀以及位置間的組合關系時，要根據(jù)這些約束方程式來進行求解。

如果周圍的一些圖素發(fā)生變化時，由于它與所有的設計對象想關聯(lián)，因此系統(tǒng)會自動的依據(jù)它與其他圖素之間的約束條件來更新整個圖像。

（2）特征建模方法。首先要在系統(tǒng)內部預先形成特征分類是這一方法的前提。然后根據(jù)用戶所需的特征類型，在設計過程中添加位置約束，以此進行約束模型的建立。如果這種方法運用到水利水電工程中，可以對具有三維數(shù)字化的導流洞、放空洞進行建模。

2.2施工過程三維模擬技術

利用已建的三維模型可以對水利水電工程施工進行模擬。如果想更加直接的表現(xiàn)出施工的工藝和方法，分析其方案的合理性，可以利用三維軟件來對施工方案的整體進度進行三維動畫模擬。

生動逼真、對硬件的要求不高是三維動畫的特點。并且3DMax想要完成動畫關鍵幀設置也不難，只需記錄不同幀所要做的不同操作，然后再把動畫記錄按鈕打開即可。把布爾運算記錄為動畫以及記錄材質貼圖的變化達到動畫的目的，這些都是制作施工過程三維動畫模擬的方法。

2.3動畫編排及多媒體制作

要想把整體的施工形象做一個全面的展示，可以通過建立三維模型和制作三維動畫來實現(xiàn)。但空間之間的相互獨立是這一方法的弊端，如果想對其整合，就要運動多媒體整合軟件。例如對多媒體內容進行策劃、搜集圖像動畫、對流程圖進行繪制、整合素材以及執(zhí)行測試，這些都是利用多媒體整合軟件進行制作的流程和方法。

3.結束語

對復雜的水利水電公會曾腮紅共系統(tǒng)進行分析，三維可視化仿真技術的應用給予了很大的幫助。我們通過以上的分析對這一技術有了一定的了解。可以說要想讓我國的水利水電工程得到進一步的發(fā)展，就必須要加大對三維可視化仿真技術的研究力度，勇于創(chuàng)新，讓我國的水電工程施工技術更上一層樓。

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