三維技術(shù)在國內(nèi)水利行業(yè)的應用現(xiàn)狀分析

王學軍，李炳，孫秀國

（1.濟南市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局，山東濟南 250000；2.濟南市水利建筑勘測設(shè)計研究院，山東濟南 250014）

三維技術(shù)在國內(nèi)水利行業(yè)的應用現(xiàn)狀分析

王學軍1，李炳2，孫秀國2

（1.濟南市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局，山東濟南 250000；2.濟南市水利建筑勘測設(shè)計研究院，山東濟南 250014）

首先提出三維技術(shù)目前在工程管理中應用，對比GIS技術(shù)和VR技術(shù)，提出GIS技術(shù)主要側(cè)重在全局的分析、決策層面，可應用在防洪、防災、數(shù)字流域等層面，VR技術(shù)主要側(cè)重在效果逼真的、精細化業(yè)務管理層面，可應用在工程建設(shè)管理、工程運行維護管理、安全應急培訓、技能培訓等具體業(yè)務上；在此基礎(chǔ)上，筆者預測虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR技術(shù)）在水量水質(zhì)監(jiān)測、安全生產(chǎn)、信息化與自動化管理、工程運行維護等方面將會具有巨大的應用空間。

三維技術(shù)；地理信息技術(shù)；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；水利現(xiàn)代化

三維技術(shù)是將關(guān)注的對象以三維立體的形式呈現(xiàn)，提供直觀化的輔助手段，方便工作人員進行相關(guān)的分析、決策、管理等業(yè)務。近年來，在大力發(fā)展水利事業(yè)的背景下，在實現(xiàn)水利現(xiàn)代化的進程中，三維技術(shù)在水利行業(yè)得到了廣泛應用。從技術(shù)層面上看，主要分為地理信息技術(shù)（GIS技術(shù)）和虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR技術(shù)）。

1 地理信息系統(tǒng)（GIS）及水利應用

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System或Geo－Informationsystem，GIS）有時又稱為“地學信息系統(tǒng)”或“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)”，是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)，是在計算機硬、軟件系統(tǒng)的支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。

地理信息系統(tǒng)以其對大范圍區(qū)域展示和地表真實再現(xiàn)的特性，廣泛應用在水利的分析決策系統(tǒng)上。如，灤河流域水庫群聯(lián)合調(diào)度三維展示平臺是基于Skyline軟件設(shè)計的，主要實現(xiàn)三維信息的展示、查詢、空間數(shù)據(jù)分析、洪水演進、淹沒分析等功能；遼寧水利工程三維地理信息管理系統(tǒng)項目基于EV-Globe三維地理信息平臺，集成全省水利工程數(shù)據(jù)、水利矢量地圖、三維模型，可為遼寧省防汛提供全省三維地理信息模擬實況，并可利用衛(wèi)星雷達信息數(shù)據(jù)展示災后實際災情狀況，為遼寧省防汛減災提供及時準確的資料。此外，大型灌區(qū)水利工程設(shè)施通常分布在廣闊的地域上，傳統(tǒng)的基于臺賬和紙質(zhì)地圖的管理方式，對水利工程設(shè)施空間分布的信息缺乏足夠的表現(xiàn)力，灌區(qū)工情GIS技術(shù)的應用，將整個工程信息通過電子地圖的方式進行展示，能直觀、形象地完成灌區(qū)工程設(shè)施的管理工作。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR技術(shù)）及水利應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以三維圖形技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合多媒體、主體視覺、傳感技術(shù)等技術(shù)創(chuàng)造出一個讓人身臨其境的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有3個基本特征——可用3個“I”表示：沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、構(gòu)想（Imagination）。其中沉浸感是指用戶和計算機的交互方式是自然的，就像現(xiàn)實中人與自然交互一樣，完全沉浸在通過計算機所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中；交互性是指在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用戶不再是被動地接受計算機所給予的信息或者是旁觀者，而能夠使用交互輸入設(shè)備來操控虛擬物體，以使虛擬世界發(fā)生改變。構(gòu)想是指用戶利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認識，從而深化概念和萌發(fā)新意。目前，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的水利三維應用項目大多還處于研究階段或初級階段。

華北水利水電學院的碩士論文基于Unity3D的南水北調(diào)三維場景漫游系統(tǒng)，完成了南水北調(diào)中線工程中保定市l(wèi)段設(shè)計單元的基本場景漫游展示，并嘗試將系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫連接，進行數(shù)據(jù)展示和查詢。天津大學的碩士論文水利工程三維可視化仿真系統(tǒng)真實感實現(xiàn)，采用Visual Studio 2008開發(fā)工具，Qt實現(xiàn)界面開發(fā)，以三維圖形開發(fā)應用庫OSG為基礎(chǔ)，利用C++語言編程實現(xiàn)了“引漢濟渭”水利工程可視化仿真系統(tǒng)，主要解決三維顯示的真實感實現(xiàn)問題。

3 兩種技術(shù)的比較

文章從兩種技術(shù)的費用成本、應用的深度挖掘、集成性、擴展性、靈活性等方面進行了綜合比較。

1）GIS技術(shù)應用模式主要是以成熟軟件進行二次開發(fā)。從成本上講，首先需要購買GIS軟件，目前主流GIS軟件價格都在十幾萬至幾十萬間，費用較高，VR技術(shù)的核心是三維引擎，目前有逐步開源的趨勢，像UE4、Unity3D相繼推出了免費版本，收費版本每個月也就十幾美元。

2）應用的深度挖掘上，GIS技術(shù)局限于軟件架構(gòu)，只能是和地理信息應用相關(guān)，無法進行虛擬角色在場景漫游、添加天氣特效、進行協(xié)同作業(yè)模擬等。VR技術(shù)不僅能使地理信息三維再現(xiàn)，更能夠在三維場景中進行漫游、特效處理、協(xié)同作用、運行模擬等，其在應用的深度挖掘上不存在瓶頸。

3）集成性、擴展性、靈活性上，GIS技術(shù)局限于軟件架構(gòu)，集成性、擴展性、靈活性上受軟件架構(gòu)影響較大。VR技術(shù)大多是開源的，或采用跨平臺的組件技術(shù)，集成性、擴展性、靈活性上優(yōu)勢明顯，可靈活地進行關(guān)系數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫的集成；可進行業(yè)務功能的擴展，不僅能夠進行三維靜態(tài)管理，也可以進行三維動態(tài)管理；可靈活地進行應用部署。

綜合以上對兩種技術(shù)的比較，GIS技術(shù)主要側(cè)重在全局的分析、決策層面，可應用在防洪、防災、數(shù)字流域等層面。VR技術(shù)主要側(cè)重在效果逼真的、精細化業(yè)務管理層面，可用在工程建設(shè)管理、工程運行維護管理、安全應急培訓、技能培訓等具體業(yè)務上。

4 發(fā)展趨勢

山東省水利廳黨組高度重視現(xiàn)代水網(wǎng)建設(shè)，明確提出要以工程建設(shè)為主抓手，加快推進山東水利現(xiàn)代化進程。在此背景下，濟南市大力發(fā)展水利工程基礎(chǔ)建設(shè)，近幾年，已完成或正在進行的就有多項市級重點工程，如玉符河臥虎山水庫輸水工程、田山灌區(qū)與濟平干渠連通工程等。這些水利工程的特點就是以連通多種水源、多條輸水干線為目標，實現(xiàn)跨區(qū)域、多路徑調(diào)水。這些水利工程建成后，怎樣利用現(xiàn)代最新技術(shù)手段進行安全生產(chǎn)、信息化與自動化調(diào)度、水量水質(zhì)監(jiān)測、工程運行維護等運行、技術(shù)、經(jīng)營等方面的高效率、低成本、高效益管理成為當務之急。

安全生產(chǎn)、信息化與自動化管理、水量水質(zhì)監(jiān)測、工程運行維護等都屬于具體的業(yè)務范疇，采用某種信息化手段輔助這些具體業(yè)務管理時，隨著與業(yè)務不斷結(jié)合，會不斷有新的業(yè)務需求提出，這就要求采用的信息化手段具備與具體業(yè)務深度融合的潛能。隨著業(yè)務的深入，在三維再現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅需要關(guān)聯(lián)各類關(guān)系數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫，而且還需要多種形式滿足安全生產(chǎn)、自動化管理、工程運行維護等業(yè)務，如設(shè)置事故狀態(tài)進行應急處置模擬、基于三維畫面的自動控制、運行維護業(yè)務技能培訓等。濟南市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局在玉符河臥虎水庫輸水工程中進行了實踐，將30 km長的輸水線路，包括泵站、管道、閘閥等，全部建立了三維可視化模型，并按照管理需求將工程動態(tài)信息管理、風險點控制、安全預警、安全管理標準化及演練、操作培訓、場景地圖等與三維模型結(jié)合，建立了三維可視化管理平臺，使管理參與者達到“身在其中”的效果。

[1]邱林，等.灤河流域水庫群聯(lián)合調(diào)度及三維仿真[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[2]王冉.基于Unity 3D的南水北調(diào)三維場景漫游系統(tǒng)[D].河南：華北水利水電學院，2012.

[3]魏瑩.水利工程三維可視化仿真系統(tǒng)真實感實現(xiàn)[D].天津：天津大學，2012.

（責任編輯 崔春梅）

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1009-6159（2016）-11-0003-02

王學軍(1968—)，男，高級政工師