大型水利水電工程建筑物三維可視化建模技術(shù)研究

黃敏清

摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的逐漸提升，水利水電工程的規(guī)模和數(shù)量都得到較大幅度的發(fā)展，為保證水利水電工程的質(zhì)量和使用性能，人們嘗試將建筑物三維可視化建模技術(shù)與水利水電工程相結(jié)合，本文以大型水利水電工程建筑物三維可視化建模技術(shù)為研究對象，結(jié)合某大型水利水電工程建筑物，對數(shù)據(jù)建模，建筑物建模思路進行分析，并針對大型水利水電工程建筑物幾何建模技術(shù)、形象建模技術(shù)、三維顯示技術(shù)等展開研究，為加深對大型水利水電工程建筑物三維可視化建模技術(shù)的認識，提升我國大型水利水電工程建筑物的整體性能作出努力。

關(guān)鍵詞：大型水利水電工程；建筑物；三維可視化建模技術(shù)

中圖分類號：TV7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）03-0072-02

在現(xiàn)代信息技術(shù)不斷深化發(fā)展的過程中，大型水利水電工程建設(shè)現(xiàn)代化、數(shù)字化發(fā)展已經(jīng)成為其發(fā)展的必然趨勢，而三維可視化仿真模型的構(gòu)建是推動其發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，三維可視化仿真模型的直觀性、可操作性都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計方法，所以對其展開研究對提升大型水利水電工程整體性能具有重要的意義。

1大型水利水電工程的數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型的性能決定其包括能夠描述系統(tǒng)的靜態(tài)特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、能夠描述系統(tǒng)動態(tài)特征得到數(shù)據(jù)操作和保證系統(tǒng)整體持續(xù)運行的完整性約束三個主要結(jié)構(gòu)，其共同使數(shù)據(jù)模型能夠?qū)ΜF(xiàn)實世界真實的模擬，能夠通過計算機實現(xiàn)并被人類理解。通常大型水利水電工程建筑物中同時存在規(guī)則和不規(guī)則的實體，在建筑模型中需要將建筑物中真實存在的面和體分為規(guī)則和不規(guī)則兩種類型，通常平面區(qū)域或規(guī)則的曲面區(qū)域在數(shù)據(jù)模型中會視為規(guī)則面對像，否則為不規(guī)則面對像，體對象作為多個面對像構(gòu)成的空間實體，其中如果存在一個及其以上的不規(guī)則面對像，則數(shù)據(jù)模型視其為不規(guī)則體對象，由此在數(shù)據(jù)模型中將規(guī)則面對像表示為多邊形或函數(shù)構(gòu)造面；將規(guī)則的體對象表示為長方體、圓柱體等幾何構(gòu)造體；將不規(guī)則面對像表示為TIN面片；將不規(guī)則體對像表示為以上基本元素的組合。某大型水利水電工程建筑物三維可視化建模技術(shù)中需要面對建筑物的點、線、面、體對象構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，其點對象的三維空間位置可以通過Q（x，y，z）表示，而兩個點對象的三維空間位置即可以描述建筑物的線段對象，而多個線段對象將共同組成線對象，線對象又可以描述幾何要素，由此可見數(shù)據(jù)模型可以實現(xiàn)對規(guī)則或不規(guī)則建筑實體的描述，三維可視化建模的數(shù)據(jù)模型實質(zhì)上是以面對像或面對像的組合形式對建筑物實體進行仿真，所以在設(shè)計的過程中可針對不同的面對像進行優(yōu)化，有利于建筑物整體性能的提升。

2大型水利水電工程建筑物的建模思路

由于構(gòu)建的三維可視化模型既要表述系統(tǒng)的組成，又要表述復(fù)雜系統(tǒng)中不可分解的子系統(tǒng)，所以模型要由不同的模塊構(gòu)成，而模塊之間既要有層次結(jié)構(gòu)，又要具有組成和可連續(xù)的關(guān)系；不同模塊其在構(gòu)建的過程中需要用獨立的物理設(shè)備或部件；能夠通過獨立的數(shù)學描述各模塊的特征。三維可視化模型模塊之間的關(guān)系決定，對建筑物實體的描述可以通過以下方法實現(xiàn)：針對單純以簡單物體粘合形式構(gòu)成的物體可以通過空間分割描述，如長方體、圓柱體等；針對簡單物體復(fù)雜粘合形式構(gòu)成的物體，可通過構(gòu)造實體幾何表示的方法描述，如并集、交集等；針對復(fù)雜物體可通過邊界表示法，對物體邊界的點、線、面進行描述，不同性質(zhì)實體描述方法的差異決定某大型水利水電工程應(yīng)用三維可視化建模技術(shù)的過程中需要通過GIS平臺，CAD，3dsmax圖形處理軟件等進行稽核建模、形象建模、三維顯示。

3大型水利水電工程建筑物幾何建模技術(shù)

幾何建模技術(shù)即結(jié)合建筑物實體特征點的實際數(shù)據(jù)，計算其法向量，進而形成三維幾何模型的過程，由于大型水利水電工程建筑物較復(fù)雜，其存在簡單的建筑物、同高程水域平面、復(fù)雜三維實體構(gòu)造等。構(gòu)建簡單的建筑物模型，可以通過空間分割描述，例如將箱體式房屋視為屋頂面和多個鉛直外墻面構(gòu)成的實體；構(gòu)建同高程水域平面三維模型可以利用邊界多邊形的三角剖面表示；構(gòu)建復(fù)雜三維實體三維模型利用制圖軟件將三維實體的數(shù)據(jù)在三維空間坐標體系中直接定位，然后利用以下技術(shù)進行建模：一種是參數(shù)化實體建模技術(shù)，其是通過多個參數(shù)控制特征部件表述建筑實體的幾何關(guān)系，并利用代數(shù)方程對各部進行結(jié)構(gòu)約束和尺寸約束，此技術(shù)以變參數(shù)幾何模型作為模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)交互參數(shù)驅(qū)動，而且能夠定義參數(shù)約束。在某大型水利水電工程中其泄洪潮進水塔、溢洪道等建筑物屬于復(fù)雜三維實體，在構(gòu)建三維可視化模型的過程中需要通過以下步驟完成，首先，對建筑物全局變量和局部變量進行定義，例如在構(gòu)建泄洪潮進水塔三維可視化模型時要選擇此建筑物中心線底面點作為控制點，結(jié)合其邊墻、啟閉室等組成部分的關(guān)鍵點與中線點的距離，從全局的角度對其位置、尺寸等進行定義，然后根據(jù)定義的數(shù)據(jù)對局部變量的尺寸進行確定，通過Polylinez等繪圖函數(shù)將其主體建筑物進行繪制，如進水塔；然后將其次要的組成部分利用拓撲關(guān)系按照固定點進行組合，由此形成泄洪洞進水塔建筑物的三維幾何模型，此技術(shù)的優(yōu)點是當設(shè)計發(fā)生改變時，只要對全局變量和局部變量進行更改即可，并不需要徹底的改變幾何模型。

另一種技術(shù)是CAD實體建模技術(shù)，此技術(shù)是利用CAD軟件，通過獲取幾何元素及表達幾何元素關(guān)系的約束條件，對幾何元素進行確定的技術(shù)，如某大型水利水電工程的大壩為例，以大壩的填筑材料、結(jié)構(gòu)等為劃分標準，整個大壩會劃分為不同的部分，而每部分的形狀都很難規(guī)則，將不規(guī)則的部分細分成規(guī)則的形狀，針對大量規(guī)則的構(gòu)件進行建模，此時模型中的定量信息成為可以調(diào)整的參數(shù)，通過對參數(shù)賦予不同的數(shù)值，可以直接改變各部件的形狀、體積，而相同或相似的部件可直接通過軟件的圖形處理功能實現(xiàn)，使構(gòu)建的效率和準確性都得到保證，通過對某個部件的構(gòu)建，實現(xiàn)整體大壩的三維模型構(gòu)建。針對特征模型還可以利用特征建模技術(shù)，其是在系統(tǒng)特征庫中存在建筑物建模所需的模型，通過對其進行尺寸約束和位置約束可以將特征模型直接應(yīng)用于建筑物建模過程的技術(shù)，此技術(shù)具有效率高、可用性強的特點。

4大型水利水電工程建筑物形象建模技術(shù)

形象建模技術(shù)是針對已完成的幾何模型進行形象美化的過程，使三維模型與建筑物實體更加接近，形象建模技術(shù)通常針對建筑物的顏色、透明度、紋理、光澤等進行調(diào)整或通過貼圖達到使建筑物美化、真實的目的；另外，在形象建模的過程中要考慮到建筑物在真實應(yīng)用的情況下會存在彼此的遮擋，所以在此過程中需要通過計算消除隱藏面，算法主要有兩種，一種是將窗口內(nèi)的單獨像素作為處理單元，確定處理單元中距觀察點最近的物體為可見；另一種是以場景中的物體為獨立處理單元，以每個物體表面為可見面。

5大型水利水電工程建筑物三維顯示技術(shù)

三維顯示技術(shù)即將已經(jīng)形象美化后的建筑物三維模型投影設(shè)置觀察點，并對其位置進行合理的調(diào)整后將其通過計算機屏幕進行展示的技術(shù)，使計算機屏幕上展示的三維可視化模型與建筑物實體兩者的逼真度達到最高，三維顯示不僅要求對建筑物的整體形象進行展示，而且要求對建筑物與視點的距離、物體與實現(xiàn)的方向、建筑物構(gòu)件的體積、形狀等細節(jié)進行展示，可見三維顯示技術(shù)與計算機的分辨率之間存在密切的關(guān)系，分辨率越高，越能夠達到三維顯示的要求。例如在某大型水利水電工程整體場景展示時，計算機屏幕顯示器的分辨率要滿足細化水利水電工程中廠房、進水塔、大壩等重要建筑物的需要；當視點轉(zhuǎn)向上游時，計算機屏幕分辨率要滿足細化上游洞口、渣場等建筑物的需要，在利用三維顯示技術(shù)的過程中不僅可以達到通過建筑物三維可視化模型更加了解水利水電工程建筑物，快速獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的目的，而且其可視化的優(yōu)勢有利于優(yōu)化建筑物設(shè)計細節(jié)，提升建筑物的整體性能。

6結(jié)論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段人們已經(jīng)認識到大型水利水電工程在經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定中所起到的重要作用，并結(jié)合工程計算、計算機圖形學、圖像處理、人機界面等多學科的知識，創(chuàng)建并不斷完善建筑物三維可視化建模技術(shù)，為提升大型水利水電工程整體性能提供有效的工具。