基于多要素控制的水利水電工程三維建模技術(shù)分析

徐杰

【摘要】通過(guò)開發(fā)水利水電工程防洪預(yù)警的三維虛擬仿真平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)中將整個(gè)沙溪流域以及周邊的情況模擬出來(lái)，利用DEM數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等資料采用Terra Vista軟件對(duì)沙溪流域內(nèi)的地形地物進(jìn)行建模，建立三維可視化平臺(tái)，實(shí)時(shí)顯示流域內(nèi)水庫(kù)的蓄水量以及洪水的演進(jìn)過(guò)程，以提高防洪決策的科學(xué)性和效率，進(jìn)而為流域內(nèi)的防洪調(diào)度提供良好的虛擬平臺(tái)。

【關(guān)鍵詞】水利水電工程；三維建模；多要素控制；虛擬仿真平臺(tái)

引言

三維地質(zhì)建模是將地下三維空間中的各種地質(zhì)數(shù)據(jù)信息，綜合起來(lái)建立的三維定量模型。地質(zhì)數(shù)據(jù)具有多時(shí)態(tài)、多量和多維度的特征，其建模的精確度一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。因此如何增加輔助的數(shù)據(jù)確保建模的精確度是本文研究的主要問(wèn)題。以工程復(fù)雜的水電工程的地質(zhì)數(shù)據(jù)為例，通過(guò)其他地質(zhì)建模的成功經(jīng)驗(yàn)為本文的三維建模提供參考的價(jià)值。

1、流域概況

沙溪作為三明市最大的河流，是閩江的發(fā)源，全長(zhǎng)為328公里，流域內(nèi)面積為10267m2。各級(jí)的支流為99條，其中西溪、羅口溪、嵩口溪、羅豐溪、文川溪、巴溪、胡貢溪、漁塘溪、東溪（沙縣）、豆士溪集雨面積超過(guò)了300平方千米。沙溪流域內(nèi)全年降水豐沛，平均年降水量在1650-1800mm之間，在4-6月和7-9月春夏之交冷暖氣團(tuán)和東南沿海臺(tái)風(fēng)的影響造成洪澇災(zāi)害頻發(fā)，洪水流量大、歷時(shí)長(zhǎng)，從起漲到落平一般約3-5天。目前沙溪流域內(nèi)建立了安砂水庫(kù)，水庫(kù)控制流域的面積為5184km2，水庫(kù)總庫(kù)容7.4億立方米，為沙溪流域內(nèi)的防洪防汛提供了安全保障。近年來(lái)隨著三明市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，沙溪流域內(nèi)的地形和植被遭受了很大的破壞，導(dǎo)致流域內(nèi)的氣象水文呈現(xiàn)特征性的改變，沙溪流域內(nèi)面臨著嚴(yán)峻的洪澇災(zāi)害形勢(shì)，給人民的財(cái)產(chǎn)安全造成了極大的威脅。因此急需對(duì)三明市沙溪流域內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，提高防洪防汛工作的有效性。

2、軟件平臺(tái)與開發(fā)工具

可采用Terra Vista3.0軟件進(jìn)行地形建模，地物建模采用Multistage Creator2.5軟件進(jìn)行，三維建模的存儲(chǔ)采用Open Flight格式文件。采用OPen GVS4.5完成三維場(chǎng)景的驅(qū)動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)采用Visua C++6.0。流域內(nèi)的具體地物包括橋梁、閘門以及建筑物等，采用Open GL對(duì)流域內(nèi)的水流進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬，完成函數(shù)的計(jì)算。

2.1 仿真數(shù)據(jù)庫(kù)以及三維可視化平臺(tái)。三維虛擬仿真平臺(tái)的開發(fā)以數(shù)據(jù)庫(kù)作為基礎(chǔ)，可以采用空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)兩種形式對(duì)沙溪流域內(nèi)的防洪預(yù)警進(jìn)行三維虛擬仿真?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)能夠存儲(chǔ)流域范圍內(nèi)三維地形和地物的模擬，而屬性數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)⒘饔騼?nèi)的流量數(shù)據(jù)、水位以及遙感影像等以文字、圖片和視頻的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，并且以此為依據(jù)，作為流域內(nèi)防洪防汛預(yù)警信息的評(píng)估依據(jù)。首先將沙溪流域內(nèi)的地形以1：50000的等高線數(shù)據(jù)和遙感影像進(jìn)行定位的建模，獲取標(biāo)準(zhǔn)的矢量數(shù)據(jù)。為了將河網(wǎng)水系和蓄洪區(qū)的水流進(jìn)行動(dòng)態(tài)的演進(jìn)，可對(duì)流域內(nèi)的地形和河道等進(jìn)行三角網(wǎng)的加密，并且將其嵌入到地形中，形成鑲嵌式的結(jié)構(gòu)模型。地形的建模采用Terra Vista3.0來(lái)完成，集合其DEM、遙感影像和各種的矢量數(shù)據(jù)生成三維模型。從宏觀上將流域內(nèi)的地形形態(tài)反映出來(lái)，微觀上以矢量數(shù)據(jù)為支撐獲取流域內(nèi)的細(xì)節(jié)地形狀況，進(jìn)而生成比較逼真的場(chǎng)景。按照流域內(nèi)地物的重要程度，可以分為普通的建模和典型的建模。普通實(shí)體的建模主要有流域內(nèi)的道路、建筑物以及標(biāo)志牌等，能夠在軟件中提供點(diǎn)線面的矢量數(shù)據(jù)，并將對(duì)應(yīng)的實(shí)體等模擬出來(lái)。典型建模主要是針對(duì)流域內(nèi)具有重要性和代表性的水利設(shè)施和建筑物等進(jìn)行建模，如堤壩、水文站、大壩等，這些水利設(shè)施的模擬可以采用Creator軟件進(jìn)行精細(xì)化的建模，建成后標(biāo)注相應(yīng)的地理位置信息。

2.2 視景數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)。視景數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)能夠生成三維的圖像景觀，并且非常的精確可靠。Open flight格式的文件能夠根據(jù)地物的幾何構(gòu)造建成三維模型，進(jìn)而構(gòu)建成不同的三角面，完成不同面的組合，最后構(gòu)造成完整的形體。Open flight格式能夠存儲(chǔ)三維實(shí)體顯示的相關(guān)信息，如顏色、文理等，這些信息能夠增強(qiáng)模型的真實(shí)感，能夠根據(jù)模型的性質(zhì)便于控制。按照層次化的結(jié)構(gòu)，視景數(shù)據(jù)庫(kù)能夠進(jìn)行有效的組合和管理，便于仿真應(yīng)用程序?qū)?chǎng)景的真實(shí)渲染。

2.3 三維可視化平臺(tái)的建立。三維可視化平臺(tái)的建立需要在計(jì)算機(jī)上將三維的場(chǎng)景和地形進(jìn)行真實(shí)的演示，將流域內(nèi)各種信息資源進(jìn)行有效的整合和表現(xiàn)。采用圖形工作站建立沙溪流域內(nèi)的防洪預(yù)警三維仿真平臺(tái)，采用VisualC++進(jìn)行開發(fā)，由初始化的程序、圖形信息的集中顯示以及程序的安裝和卸載三個(gè)部分構(gòu)成三維可視化平臺(tái)的控制程序。

3、防洪預(yù)警平臺(tái)的功能以及應(yīng)用

3.1 淹沒分析。本研究通過(guò)DEM建模計(jì)算實(shí)現(xiàn)某一點(diǎn)有實(shí)測(cè)淹沒水深的區(qū)域進(jìn)行淹沒范圍的分析和計(jì)算，同時(shí)在地圖上可以選定一個(gè)點(diǎn)將該點(diǎn)的經(jīng)緯度輸入，設(shè)定淹沒水深，系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成淹沒的范圍和面積。沙溪流域采用二維水動(dòng)力學(xué)分析，將洪水演進(jìn)的過(guò)程以及淹沒的范圍和水深的分布等情況顯示出來(lái)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)將堤壩內(nèi)的蓄水量計(jì)算出來(lái)。流域內(nèi)三維可視化系統(tǒng)能夠真實(shí)的表達(dá)三維空間的具體情況，真實(shí)的反應(yīng)流域內(nèi)的地形和地貌，并且為數(shù)字模型的計(jì)算提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。將水電站洪水演進(jìn)過(guò)程中的淹沒范圍、水深分布以及流速大小通過(guò)三維可視化虛擬仿真平臺(tái)演示出來(lái)，根據(jù)提供的這些實(shí)時(shí)參數(shù)，能夠計(jì)算出對(duì)應(yīng)時(shí)刻水電站的蓄水量，從而為削減沙溪流域洪峰提供正確的依據(jù)。

3.2 災(zāi)情評(píng)估。通過(guò)淹沒以及洪水演進(jìn)過(guò)程確定洪水的影響范圍，通過(guò)對(duì)流域內(nèi)土地利用、人口分布等信息的疊加分析，能夠?qū)⒘饔騼?nèi)受影響的淹沒面積以及人口等詳細(xì)的信息顯示出來(lái)。收集流域內(nèi)DEM、遙感影像以及實(shí)時(shí)水情等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行綜合的分析和處理，可用于對(duì)流域內(nèi)淹沒的范圍、洪水演進(jìn)以及災(zāi)情情況進(jìn)行具體的評(píng)估，并且采用模擬軟件構(gòu)建流域內(nèi)的大場(chǎng)景，綜合開發(fā)流域內(nèi)防汛空間展示與分析、數(shù)據(jù)服務(wù)等功能，為沙溪流域的防汛提供輔助。

4、結(jié)語(yǔ)

本文以沙溪流域內(nèi)的防洪防汛為研究實(shí)例，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維仿真技術(shù)構(gòu)建流域內(nèi)的數(shù)字信息，對(duì)流域內(nèi)的防洪相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和洪水預(yù)報(bào)，構(gòu)建虛擬化的模型和可視化的平臺(tái)，為三明的防汛決策提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。