基于GIS理論的水電工程三維設(shè)計新方法研究

趙永輝

淵西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院袁850000袁拉薩冤

水電工程技術(shù)研究和應(yīng)用一直是工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。近年，隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)和計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的快速發(fā)展，水電工程三維設(shè)計與可視化研究進(jìn)入了全新發(fā)展時代。中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司首先開始了三維工程設(shè)計，并建立了三維設(shè)計團(tuán)隊。隨后，長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院、中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司、中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司等相繼建立了三維設(shè)計平臺。截至目前，國內(nèi)各大設(shè)計院乃至地質(zhì)隊紛紛加入三維工程設(shè)計行列，提升了設(shè)計質(zhì)量。三維工程設(shè)計的魅力在市政、道橋、鐵路等行業(yè)同樣受到青睞。

目前，主流的三維設(shè)計軟件很多，如 UG、Pro/Engineer、IDEAS、Solid-Works、Inventor、CATIA、Civil 3D、Revit等。但是沒有一款軟件專門為水電工程三維設(shè)計量身打造，同時一些三維工程設(shè)計產(chǎn)品未能體現(xiàn)三維實(shí)景效果。本文通過分析眾多地質(zhì)軟件的特色功能模塊，并結(jié)合地質(zhì)學(xué)理論知識，探索出一套基于GIS理論的水電工程三維設(shè)計新方法。

一、水電工程三維工程設(shè)計的必要性

眾所周知，水電工程建設(shè)周期較長，需要經(jīng)過決策、實(shí)施等階段，參建方眾多，包括業(yè)主方、設(shè)計方、施工方、監(jiān)理方等。整個建設(shè)周期內(nèi)，工程設(shè)計占據(jù)主導(dǎo)地位，其質(zhì)量直接決定著整個工程的優(yōu)劣。現(xiàn)行水電工程設(shè)計理念主要以二維圖紙為主，施工方以二維設(shè)計圖紙為依據(jù)在三維實(shí)體空間中進(jìn)行施工作業(yè)。不難發(fā)現(xiàn)，從二維向三維轉(zhuǎn)化的過程存在設(shè)計盲區(qū)，這也增加了施工階段出現(xiàn)設(shè)計變更的可能。與交通工程、市政工程等比較，水電工程設(shè)計過程相對復(fù)雜，對最終設(shè)計質(zhì)量要求較高。因此，水電工程設(shè)計技術(shù)革新勢在必行，而加強(qiáng)水電工程三維設(shè)計不失為一條具有前瞻性的發(fā)展途徑。通過分析已完工水電工程三維設(shè)計實(shí)例，其具有以下優(yōu)越性：①水電工程三維設(shè)計作品形象直觀，可視化程度極高，可從三維空間各個方位進(jìn)行設(shè)計和觀察，激發(fā)水工設(shè)計人員的創(chuàng)作靈感。②水電工程三維設(shè)計集合各個專業(yè)技術(shù)人員協(xié)同工作，極大地提高了設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。③通過水電工程三維設(shè)計，業(yè)主、施工和監(jiān)理能準(zhǔn)確理解設(shè)計意圖，有助于技術(shù)交底和經(jīng)濟(jì)方案必選。④水電工程三維設(shè)計還可進(jìn)行后期數(shù)值模擬和渲染水電工程三維效果圖。

二、某水電工程三維設(shè)計實(shí)例

勘察是設(shè)計的基礎(chǔ)，水電工程三維設(shè)計也不例外。建立準(zhǔn)確的三維地質(zhì)模型是水電工程三維設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如果沒有三維地質(zhì)模型，三維設(shè)計無從談起。下面以西南某水電站三維設(shè)計為例，介紹整個設(shè)計流程，主要分三維地質(zhì)建模和三維水工設(shè)計兩個步驟詳述。

1.三維地質(zhì)建模

建立三維地質(zhì)模型需要詳實(shí)的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)。如果工程規(guī)模巨大，一般的工程地質(zhì)測繪很難滿足其要求。同時，為確保精度要求，現(xiàn)階段三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)主要來源于無人機(jī)航拍。但是受各方面條件制約，很多地區(qū)一般不易開展無人機(jī)航拍工作。因此，基于GIS理論，利用SRTM DEM數(shù)據(jù)和Google Earth影像數(shù)據(jù)完成了三維地質(zhì)建模。

眾所周知，SRTM DEM數(shù)據(jù)和Google Earth影像坐標(biāo)系為WGS-84地理坐標(biāo)系，其很容易轉(zhuǎn)化為UTM（通用橫軸墨卡托投影）投影坐標(biāo)系。我國采用的坐標(biāo)系主要為西安80坐標(biāo)系和北京54坐標(biāo)系 （高斯—克呂格投影），以及最新的國家CGCS2000地理坐標(biāo)系。以上坐標(biāo)系差別較大，如果隨意疊加數(shù)據(jù)，容易造成數(shù)據(jù)丟失或引起系統(tǒng)誤差。因此，建模之前，所有數(shù)據(jù)必須統(tǒng)一坐標(biāo)系。由于本次建模數(shù)據(jù)主要為SRTM DEM數(shù)據(jù)和Google Earth影像，因此選定UTM坐標(biāo)系為統(tǒng)一坐標(biāo)系。目前，實(shí)現(xiàn)各坐標(biāo)系之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并非難事，一般采用ArcGIS、Global mapper以及中國地質(zhì)大學(xué)MapGIS和Section等。鑒于本次需要處理的SRTM DEM數(shù)據(jù)包含強(qiáng)大的地理信息，而Global mapper是專門為地理信息處理技術(shù)而生，可將DEM數(shù)據(jù)處理為不同格式的數(shù)據(jù)。本次GIS數(shù)據(jù)處理選用Global mapper，基于UTM坐標(biāo)系，采用SRTM DEM數(shù)據(jù)生成間距為10m的等高線，以研究區(qū)四個角點(diǎn)處的地理坐標(biāo)作為控制點(diǎn)，利用Global mapper準(zhǔn)確地獲取了研究區(qū)的等高線數(shù)據(jù)。

用AutoCAD打開截圖的研究區(qū)等高線數(shù)據(jù)，可見其中包含多個圖層，但我們并不需要全部數(shù)據(jù)。因此，對研究區(qū)SRTM數(shù)據(jù)添加閉合邊界線，并進(jìn)行徹底的數(shù)據(jù)過濾處理，將文件標(biāo)注圖層、屬性圖層全部清除，最后只留等高線數(shù)據(jù)。至此，即可使用該數(shù)據(jù)生成三維地質(zhì)模型。目前，有兩種方法可生產(chǎn)三維地質(zhì)模型。具體如下：

（1）基于三維數(shù)據(jù)建立3D Surface地表模型

由于AutoCAD等高線數(shù)據(jù)無法直接建立3D Surface地表模型，且Auto CAD對等高線三維數(shù)據(jù)的提取功能相對復(fù)雜，可操作性較差。因此只能通過接口程序或者其他方式對AutoCAD等高線進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，然后保留其中的三維數(shù)據(jù)，刪除其他數(shù)據(jù)。此時的三維數(shù)據(jù)存在行列方向上分布不均的可能，如果直接采用將會影響后期三維模型的表現(xiàn)力。因此，采用克里金插值法對保留的三維數(shù)據(jù)做必要處理，最后生成3D Surface模型。該方法便于生成三維地質(zhì)模型，且色彩表達(dá)效果較強(qiáng)，但是不方便后期的水電工程三維設(shè)計，目前只處于三維地質(zhì)模型階段。如果能突破后期數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將該格式的三維地質(zhì)模型導(dǎo)入現(xiàn)存設(shè)計平臺，將大大縮短三維設(shè)計周期。因此，有待研究人員進(jìn)一步探索。

（2）利用等高線數(shù)據(jù)建立GOCAD Surface地表模型

本方法簡單方便，不必生成三維地質(zhì)數(shù)據(jù)，使用AutoCAD等高線數(shù)據(jù)即可完成。將AutoCAD過濾數(shù)據(jù)加載到GOCAD的Curve中，直接利用GOCAD生成Surface地表曲面模型，然后保存為CATIA可識別格式。

將上述CATIA可識別數(shù)據(jù)利用CATIA的DSE模塊中的Export功能加載，生成CATIA地表模型。至此，完全可以基于CATIA三維設(shè)計平臺，進(jìn)行后期全面的三維水工、機(jī)電等方面的設(shè)計。同時，還可以借助CATIA三維模型進(jìn)行三維數(shù)值計算與效果圖制作。長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院張德文、黃少華、胡瑞華等多位業(yè)內(nèi)專家對此已經(jīng)完成了多項研究，對國內(nèi)三維設(shè)計的推廣影響較大。但是，CATIA三維設(shè)計也存在一些不便之處，一方面，CATIA三維設(shè)計需要團(tuán)隊協(xié)同合作，個人很難完成高質(zhì)量設(shè)計；另一方面，CATIA三維設(shè)計平臺不是專門為水電工程設(shè)計量身打造，使用過程中需要數(shù)據(jù)接口程序，如鉆孔數(shù)據(jù)的錄入程序等，而接口開發(fā)難度相對較大，一般短期內(nèi)不易實(shí)現(xiàn)。鑒于上述原因，通過分析各款軟件的優(yōu)勢功能模塊，又將CATIA地表模型加載至3D Max進(jìn)行后期設(shè)計。

3D Max的強(qiáng)大在于其優(yōu)秀的三維設(shè)計與渲染功能，為三維設(shè)計人員提供了一個完整的設(shè)計平臺，幫助設(shè)計人員充分發(fā)揮設(shè)計靈感。3D Max地表數(shù)據(jù)模型加載成功后，可實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)格式和視圖方位間的切換，方便后期設(shè)計。具體可通過平面建模、修改、剪切等命令，在3D Max中得到三維地質(zhì)模型的實(shí)體，然后為實(shí)體模型添加相應(yīng)的材質(zhì)和Google Earth二維圖紙貼圖，即得到研究區(qū)三維地質(zhì)模型。

2.三維水工設(shè)計

就三維水電工程設(shè)計而言，3D Studio Max的優(yōu)勢毋庸置疑，但是缺點(diǎn)也顯而易見，其并非為水電工程三維設(shè)計行業(yè)量身打造，難以建立復(fù)雜的三維地質(zhì)模型。本例基于GIS理論， 借助Global mapper、AutoCAD 等一系列軟件協(xié)同工作，建立了工程區(qū)的三維地質(zhì)模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)水電工程設(shè)計資料和設(shè)計人員的要求，3D Studio Max可完成幾乎所有的后期任務(wù)。下面以重力壩和拱壩為例，分述采用3D Studio Max完成不同水電工程三維設(shè)計任務(wù)的具體步驟。

（1）三維重力壩模型

如果擬建電站大壩壩型為重力壩，三維設(shè)計人員可利用二維設(shè)計圖紙、設(shè)計高程、壩軸線位置等一系列相關(guān)數(shù)據(jù)，在Max修改器的幫助下完成相應(yīng)的三維重力壩模型。然后，將設(shè)計部件按圖紙進(jìn)行裝配。最后，將其按設(shè)計要求與三維地質(zhì)模型結(jié)合（見圖 1）。

（2）三維拱壩模型

如果設(shè)計壩型為拱壩，設(shè)計流程與重力壩相同，按拱壩原始設(shè)計圖紙建立相應(yīng)的三維拱壩實(shí)體模型，然后將其與三維地質(zhì)模型相結(jié)合，根據(jù)工程布置的需要，添加水電站啟閉平臺等其他模型，即可得到拱壩三維設(shè)計模型。

本例只介紹具有代表性的步驟，在實(shí)際水電工程三維設(shè)計中，還需實(shí)現(xiàn)水電站輸水洞、溢洪道等整套水工構(gòu)筑物三維設(shè)計。

圖1 重力壩三維設(shè)計模型

三、結(jié)論與展望

1.結(jié)論

本項水電工程三維設(shè)計技術(shù)有效解決了水電工程行業(yè)乃至其他三維工程設(shè)計的重點(diǎn)、難點(diǎn)，即準(zhǔn)確建立三維地形模型。與以往的三維水電設(shè)計技術(shù)相比，本項技術(shù)的特點(diǎn)主要有以下幾方面：

①本項技術(shù)基于GIS理論完成了Google Earth地形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確投影，建立了真實(shí)的三維地形，并已將其成功應(yīng)用至水電工程三維設(shè)計中。結(jié)果表明，其可視化程度更高，能更好地服務(wù)于難以開展工程測繪地區(qū)的水電工程三維設(shè)計。

②本項技術(shù)對無人機(jī)測量依賴程度較低，在缺少無人機(jī)或者無法獲取工程測繪數(shù)據(jù)的條件下可以較好地完成水電工程三維設(shè)計任務(wù)。

③本項技術(shù)不僅適用于三維水電工程設(shè)計，而且適用于公路、市政建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)等諸多領(lǐng)域的三維工程設(shè)計，應(yīng)用與普及范圍較廣。

④本項技術(shù)不依賴于某單一方法，最終的三維設(shè)計任務(wù)由多款軟件多種渠道協(xié)同完成。本著 “取其精華，去其糟粕”的設(shè)計理念，利用各款軟件自身的優(yōu)勢功能模塊發(fā)揮其最大價值。同時，技術(shù)流程中的各個環(huán)節(jié)并非一成不變，只要善于嘗試多加思考，每個操作環(huán)節(jié)都有技術(shù)突破的可能，便于后期完善和改進(jìn)。

2.展望

由于該項技術(shù)為初期成果，有待完善與改進(jìn)。根據(jù)本人對本項三維設(shè)計技術(shù)存在問題和三維設(shè)計行業(yè)的認(rèn)識，結(jié)合自身知識儲備展望如下：

①水電工程三維設(shè)計的整個過程涉及計算機(jī)、地質(zhì)、水工設(shè)計等專業(yè)。其中計算機(jī)和地質(zhì)專業(yè)是整個三維工程設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如果沒有三維地質(zhì)模型，水電工程三維設(shè)計無從談起。因此，專業(yè)技術(shù)人員必須加強(qiáng)相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)。

②水電工程三維設(shè)計的全部任務(wù)幾乎都由計算機(jī)實(shí)現(xiàn)，整個設(shè)計過程中并非“會用軟件”即可，還需要設(shè)計人員開發(fā)接口程序并結(jié)合地質(zhì)專業(yè)知識進(jìn)行操作。本人認(rèn)為后期可利用NET平臺基于C#開發(fā)接口程序，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計模型與FLAC 3D等之間的數(shù)據(jù)共享，便于數(shù)值計算。

③目前本項技術(shù)定格在靜態(tài)三維階段，加強(qiáng)后期學(xué)習(xí)，突破動態(tài)三維，即可逐步接近BIM（Building Information Modeling）理念。 ■