探究水利水電工程施工場地總布置可視化動態(tài)演示系統(tǒng)

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對水利水電工程而言，施工場地總布置就是對其施工期間的空間規(guī)劃，它要考慮場地的地形、地貌、地質(zhì)、氣象、水文、永久建筑物等多種因素。傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場總布置立足于對靜態(tài)平面或二維圖像的演示上，反映效果較為片面，不能為施工創(chuàng)造良好的設(shè)計(jì)演算環(huán)境。如果采用三維形式表達(dá)，使工程施工場地空間成為一個動態(tài)化立體可變化過程，就能較為直觀和形象的看清施工進(jìn)程，這對工程項(xiàng)目本身的設(shè)計(jì)與施工開展來說都是有益的。本文所要提到的基于GIS 的可視化動態(tài)演示系統(tǒng)就能做到這一點(diǎn)。

1 基于GIS 的可視化技術(shù)

基于GIS 的可視化動態(tài)演示系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一套成熟的建模系統(tǒng)，在水利水電工程中，這樣的一套可視化動態(tài)演示系統(tǒng)能夠充分考慮到對施工場地對象的自然分割，它讓每一個施工對象都具有自己的狀態(tài)、功能和屬性，而且它所創(chuàng)造的可視化模型思維方式更接近于人類的常規(guī)思維，同時也能考慮到系統(tǒng)的可分性和層次性?；谶@種思想下的工程施工場地總布置具有繼承性和多態(tài)性，而且系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性和可修改性也具有一定的質(zhì)量，所以基于GIS 技術(shù)的可視化動態(tài)演示系統(tǒng)是立體化、全面化、多元化的，這對于加速工程項(xiàng)目的順利推進(jìn)具有不可取代的重要作用。

具體來說，基于GIS 技術(shù)的可視化動態(tài)演示系統(tǒng)就是一種對三維可視化的抽象表達(dá)，它實(shí)現(xiàn)了從形體數(shù)據(jù)上的三維圖形轉(zhuǎn)換。所以可以將GIS 可視化動態(tài)演示系統(tǒng)分為三個子過程。

從GIS 三維可視化過程中總結(jié)三個要點(diǎn)，其一，對數(shù)據(jù)的處理過程。三維可視化過程所主要完成的任務(wù)就是對數(shù)據(jù)的過濾，它讓項(xiàng)目中所涉及到的原始數(shù)據(jù)(如水電水利工程中的CAD 數(shù)據(jù))得到進(jìn)一步的精細(xì)化，最終轉(zhuǎn)化為適合于后續(xù)可視化操作的任意形態(tài)，形態(tài)的轉(zhuǎn)化由操作人員決定，比如網(wǎng)格化、梯度計(jì)算和插值等數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化等等。

其二，可視化映射?？梢暬成涫钦麄€過程中的關(guān)鍵，它能將過濾后的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為抽象的可視化對象(Abstract Visualization Object，AVO)，可視化對象AVO 可以描述處于某目標(biāo)空間內(nèi)的所有對象，它的屬性眾多，對時間、透明度、光照、反射系數(shù)、顏色、紋理、肌理等等都有涉獵。

其三，三維演示。這是可視化動態(tài)演示系統(tǒng)的最終表現(xiàn)過程，AVO可以進(jìn)行三維形態(tài)的轉(zhuǎn)換，然后顯示于屏幕坐標(biāo)系中。這時利用光照模型和面繪制算法的專業(yè)技術(shù)就能消除演示畫面中的隱藏線面等等，再借助計(jì)算機(jī)光照強(qiáng)度為物體設(shè)計(jì)投影角度，最后就能生成所要演示的立體化的、形象生動的三維圖像［1］。

2 M 水電站水利水電工程施工場地總布置的可視化動態(tài)建模

M 水電站在水利水電工程施工場地總布置就采用了基于GIS 的可視化動態(tài)演示系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)在開發(fā)周期和空間信息收集及處理方面都有較強(qiáng)優(yōu)勢，所以它比較適合于M 水電站水利水電工程中較為復(fù)雜的場地布置。

考慮到M 水電站整體地形復(fù)雜，所以首先要圍繞其建立施工場地地表的數(shù)字地形模型DTM(Digital Terrain Model)，它應(yīng)該是該工程場地施工總布置的三維建模基礎(chǔ)，其后的大壩、圍堰、地下洞室、交通道路可視化建模都要基于它來展開，它也為后續(xù)的工程地形填挖創(chuàng)造了有利條件。

在對M 水電站的施工場地進(jìn)行地形高線數(shù)據(jù)測量后，將數(shù)據(jù)經(jīng)過GIS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可識別的文件格式，例如AutoCAD 中的dwg、dxf 格式，然后調(diào)查高線數(shù)據(jù)中高程屬性的elevation 值，確保系統(tǒng)運(yùn)行速度的同時也保證可視化效果。本工程操作環(huán)節(jié)要考慮到施工主要場地是河床地帶，所以要把握好建筑物與地形之間的空間匹配過程，初步取20～30m 間隔的等高線，劃定中心區(qū)域。再取10m 間隔的等高線，用來布置如砂石料場、渣場、交通道路等等具有附屬屬性的臨時性建筑。

在M 水電站工程中，采用了不規(guī)則三角網(wǎng)格模型TIN 來輔助場地地表可視化建模。TIN 模型所設(shè)置的地形點(diǎn)位比較分散，但是它會按照一定規(guī)則來設(shè)置三角形網(wǎng)，且能充分表現(xiàn)地形高程的變化，對于地形較為復(fù)雜的M 水電站非常適合。通過TIN 網(wǎng)格模型生成M 水電站的地表DTM，然后經(jīng)GIS 系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換格式存儲，生成了三角網(wǎng)格平面的xy 坐標(biāo)文件、高程z 坐標(biāo)文件、三角網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息文件以及空間索引表示文件等等［2］。

3 M 水電站施工場地總布置可視化動態(tài)演示的實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行過大壩、圍堰、交通通路、地下洞室、水面水流等多項(xiàng)建模過程后就可以試試場地總布置的可視化仿真動態(tài)演示。

在進(jìn)行可視化動態(tài)演示之前，應(yīng)該先將施工場地總布置中的地形數(shù)據(jù)、場地施工相關(guān)數(shù)據(jù)和開挖數(shù)據(jù)數(shù)字化，然后才能建立基于三維可視化的動態(tài)數(shù)字模型，完善系統(tǒng)演示過程。另外，也要考慮到施工總布置的三維動態(tài)圖仿真系統(tǒng)效果，所以本工程采用到了時間步長推進(jìn)法，該方法可以將規(guī)定單位時間作為增量，并按照時間推進(jìn)來有計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)在動態(tài)演示系統(tǒng)中狀態(tài)活動優(yōu)先模擬。它的操作過程為:選取總布置系統(tǒng)初始狀態(tài)——實(shí)施推進(jìn)時間步長——分析所組成子系統(tǒng)內(nèi)的狀態(tài)——更新狀態(tài)——利用三維圖像顯示系統(tǒng)狀態(tài)面貌——判斷仿真效果并演示。

本工程基于GIS 施工場地總布置來進(jìn)行動態(tài)可視化仿真演示，主要依據(jù)對任意時間的施工面貌再現(xiàn)而實(shí)現(xiàn)演示過程。由于動態(tài)仿真演示涉及到含有時間字段的屬性數(shù)據(jù)，首先將M 水電站施工總布置系統(tǒng)中的動態(tài)變化子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為i，任意時刻為t，而面貌為vi(t)，所以就可得到施工總布置系統(tǒng)t 時刻的整體面貌應(yīng)該為:

此處設(shè)置n 為施工的總布置子系統(tǒng)數(shù)目，可以將M 水電站工程項(xiàng)目中的其他環(huán)節(jié)劃分為子系統(tǒng)，以X、Y、Z 作為實(shí)體空間的坐標(biāo)變量來展示這些子系統(tǒng)，所以該項(xiàng)目的整體面貌就應(yīng)該為:

如上式所示，因?yàn)镸 水電站工程工期長為100 個月，如果將圖形仿真時間步長取10 個月，那么施工場地總布置t 時刻的場地面貌就可以存儲到圖形庫中，作為備用比較數(shù)據(jù)而建立。所以可視化動態(tài)演示系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)應(yīng)該是隨著空間坐標(biāo)不斷更新和變化的變量賦值，長時間的圖形字段值及屬性更新，就形成了M 水電站施工項(xiàng)目過程的動態(tài)可視化仿真演示體系［3］。

4 總結(jié)

在水利水電工程施工現(xiàn)場總布置實(shí)施GIS 三維可視化技術(shù)對施工進(jìn)程的快速推進(jìn)具有良性作用，它可以讓技術(shù)團(tuán)隊(duì)和施工人員較為直觀的看到施工全過程，并通過建模的動態(tài)演示來總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，規(guī)避操作方面可能出現(xiàn)的誤差，獲取全面有效的工程信息，所以該技術(shù)應(yīng)該成為現(xiàn)代化工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)。

［1］尹習(xí)雙，周宜紅，胡志根等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的水電工程施工動態(tài)可視化仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005，17(7):1690-1693.

［2］鐘登華，熊小平，馮志軍等.水利水電工程施工場地總布置可視化動態(tài)演示系統(tǒng)研究［J］.水利水電技術(shù)，2001，32(12):29-31.

［3］郭享.小灣水電站施工總布置三維可視化建模與分析研究［D］.天津大學(xué)，2005.18-22.