水工結(jié)構(gòu)工程與三維可視化技術(shù)

牛超群 張楠 水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司南京分公司

近年來，水利類建筑物逐年增多，這些建筑的規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)施工難度系數(shù)大。各種類型、規(guī)模的水工結(jié)構(gòu)工程實(shí)施過程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得對于設(shè)計(jì)、施工技術(shù)的要求相對較高，只有充分利用了三維可視化技術(shù)，才能夠理清水工結(jié)構(gòu)工程內(nèi)部各個部分的錯綜復(fù)雜關(guān)系，使得整個的設(shè)計(jì)、施工過程通過可視化來達(dá)到理想的效果。因此，三維可視化技術(shù)的信息化、自動化程度較高，使得參與到水工結(jié)構(gòu)中的各個部門、人員之間可以保持良好的協(xié)調(diào)性，提升設(shè)計(jì)施工水平。

1.三維可視化技術(shù)的概念與特點(diǎn)

1.1 概念

三維可視化技術(shù)是在傳統(tǒng)二維技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其具有理論與技術(shù)交叉性，屬于一種新型的技術(shù)。在建筑工程領(lǐng)域，三維可視化技術(shù)的應(yīng)用最多，可以集成三維信息空間，在此空間內(nèi)呈現(xiàn)出建筑結(jié)構(gòu)的直觀特征、真實(shí)情況。三維可視化技術(shù)中包含了計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等，在這些技術(shù)下，設(shè)計(jì)與施工人員可以通過計(jì)算機(jī)形成一種人為的虛擬三維空間。在水工結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用三維可視化技術(shù)的建模流程如圖1所示。

圖1 三維可視化技術(shù)下的水工結(jié)構(gòu)工程建模流程

1.2 特點(diǎn)

1.2.1 沉浸感

沉浸感在一些條件下又被稱為臨場感，主要體現(xiàn)在用戶作為三維虛擬環(huán)境中的主體在環(huán)境中所享受到的真實(shí)感受。通常情況下，最為理想的可視化環(huán)境就是當(dāng)用戶處于特定環(huán)境下時(shí)，能夠身臨其境、難以分辨周圍環(huán)境的真假，使得用戶在可視化的虛擬環(huán)境下所呈現(xiàn)的感覺與真實(shí)環(huán)境是一樣的。

1.2.2 交互性

交互性是三維可視化技術(shù)的突出特征，主要指的是用戶在可視化環(huán)境下物體的可操作程度、用戶從可視化環(huán)境中得到反饋的自然過程，如果用戶在虛擬環(huán)境下對物體的可操作程度越高、得到的反饋信息越全面，就說明三維可視化環(huán)境中具有更好的交互性。

2.可視化仿真技術(shù)的主要內(nèi)容

當(dāng)前，在水工結(jié)構(gòu)工程中，三維可視化技術(shù)已經(jīng)成為了不可或缺的技術(shù)，這一技術(shù)的關(guān)鍵是三維仿真，主要包含了以下方面的內(nèi)容：

（1）軟件開發(fā)階段的可視化，也就是編程的可視化。在軟件的開發(fā)過程中，開發(fā)人員在軟件中所進(jìn)行的編輯、運(yùn)行與管理等一些利的操作過程不再局限于抽象的命令序列執(zhí)行，而被簡化成了各種的操作按鈕，在每個操作按鈕上都有與其相對應(yīng)的命令圖形，只要點(diǎn)擊每個圖標(biāo)，就會對應(yīng)其與之相對應(yīng)的過程，并給出每個過程所必須的公用程序段。現(xiàn)階段，應(yīng)用較多的可視化編程軟件主要為Visual C++、Visual Basic。

（2）計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)與方法，這一過程可以通過對各種數(shù)據(jù)的收集與整理，將這些最終的結(jié)果以圖形、圖像的呈現(xiàn)加以顯示。

3.三維可視化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維空間模型

3.1.1 地表數(shù)字地形模型

三維可視化技術(shù)應(yīng)用時(shí)，地表數(shù)字地形模型是整個模型中的關(guān)鍵組成，是所有運(yùn)算操作的受體。對地形表面的模擬而言，一般多以不規(guī)則三角網(wǎng)模型、規(guī)則格網(wǎng)模型為主，在地表數(shù)字地形模型的建立過程中，需利用地形等高線原始數(shù)據(jù)，在GIS環(huán)境中根據(jù)一定的算法來生成相應(yīng)的TIN模型。此模型生成以后，要消除由于等高線數(shù)據(jù)過于密集或者信息匱乏所造成的特殊三角性，隨后內(nèi)插生成新的TIN模型，此模型的精度較高。

3.1.2 實(shí)體模型

水工結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目中，三維實(shí)體主要為主體結(jié)構(gòu)、土建工程、附屬工程，三維實(shí)體模型的構(gòu)建過程中，主要需要進(jìn)行空間位置、形狀與空間拓?fù)潢P(guān)系等各類靜態(tài)信息的整體。在模型構(gòu)建的過程中，針對不同類型的工程結(jié)構(gòu)，存在著建模方式的差異。（1）參數(shù)化實(shí)體建模方法方面，在模型構(gòu)建時(shí)，相關(guān)人員需根據(jù)一定的幾何參數(shù)與關(guān)系來進(jìn)行約束方程的構(gòu)建，隨后根據(jù)這些方程的求解來了解圖素的形狀、位置與組合關(guān)系等各種信息。參數(shù)化設(shè)計(jì)的過程中，必須要將表現(xiàn)設(shè)計(jì)對象所有圖素尺寸、位置與特定的約束條件之間建立一定的關(guān)聯(lián)，而當(dāng)關(guān)聯(lián)關(guān)系建立以后，一旦某一圖素的尺寸與位置信息發(fā)生了變化，系統(tǒng)會自動根據(jù)其與周邊圖素的約束條件與關(guān)聯(lián)關(guān)系，來自動進(jìn)行相應(yīng)的尺寸、位置信息更改與修正。水工結(jié)構(gòu)工程中，圍堰、溢洪道等多采用的是這種實(shí)體建模方法。（2）實(shí)體建模方法，這一建模過程中，重要是利用AutoCAD繪圖軟件來完成相應(yīng)的模型構(gòu)建，利用這一繪圖軟件，可以來進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)各個部件三維模型的構(gòu)建，隨后將這些模型加以取交、取差與合并處理，使得孔洞等一些特殊部位的結(jié)構(gòu)能夠在模型中呈現(xiàn)出來。

3.1.3 地表數(shù)字地形模型與實(shí)體模型的結(jié)合

水工結(jié)構(gòu)工程中，如果要保障所建立的三維模型能夠與實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)相符合，就必須要將地表數(shù)字地形模型與實(shí)體模型充分結(jié)合起來。根據(jù)前期所建立的地表數(shù)字地形模型、實(shí)體模型，在兩個模型基礎(chǔ)上進(jìn)行整合，在整合以后方可構(gòu)成整個水工結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)場的具體情況。由于水工結(jié)構(gòu)工程多處于相對復(fù)雜的水文條件下，地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得所最終形成的地形模型也具有復(fù)雜性，如果通過改變地形模型來實(shí)現(xiàn)兩個模型的整合，其整合的技術(shù)難度非常大。因此，在整合過程中多采用的是改變?nèi)S實(shí)體模型的方式。在地形模型與三維實(shí)體模型的整合與匹配過程中，專業(yè)人員需在地形模型中找出實(shí)體模型在該模型中的某一個投影點(diǎn)，這一投影點(diǎn)需符合高程與實(shí)體對應(yīng)點(diǎn)的高程相同的要求。而在此過程中，有可能存在實(shí)體模型中的尺寸、位置等與實(shí)際不相符合的情況，在這種情況下，如果要提升三維可視化模型構(gòu)建的質(zhì)量，就需要通過縮放、旋轉(zhuǎn)等方式，來使得實(shí)體模型與實(shí)際模型相符合。

3.2 人機(jī)交互技術(shù)

由于在三維可視化技術(shù)下具有明顯的交互性特征，這就使得在水工結(jié)構(gòu)工程模型的構(gòu)建過程中，必須要加強(qiáng)人機(jī)交互技術(shù)的應(yīng)用。人機(jī)交互是三維可視化技術(shù)下的關(guān)鍵技術(shù)，在模型中的很多圖形特征往往只有通過交互才能夠直接呈現(xiàn)。根據(jù)交互的類型，主要包含了與數(shù)據(jù)、圖形與可視化參數(shù)的交互，再進(jìn)一步細(xì)分，與數(shù)據(jù)交互包含了數(shù)據(jù)集的分割、數(shù)據(jù)范圍確定、計(jì)算統(tǒng)計(jì)；與圖形的交互是在傳統(tǒng)圖形學(xué)交互基礎(chǔ)上的擴(kuò)充，用戶可以對三維可視化環(huán)境進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)與縮放處理，當(dāng)然還包含了場景漫游等；與可視化參數(shù)的交互主要是現(xiàn)實(shí)參數(shù)的選擇與組合。

4.結(jié)束語

近年來，水工結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與施工過程中，三維可視化技術(shù)成為了關(guān)鍵性的技術(shù)，這一技術(shù)的應(yīng)用克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)施工技術(shù)的局限性，使得在設(shè)計(jì)、施工過程中的協(xié)調(diào)性、模擬性與交互性更為突出，保障了水工結(jié)構(gòu)工程的整體質(zhì)量，在水利事業(yè)的快速發(fā)展過程中，三維可視化技術(shù)在水工建筑中還有著廣闊的發(fā)展空間。