水利水電工程三維可視化技術(shù)與應(yīng)用研究

李青常

（日照市興源水務(wù)有限公司，山東 日照276803）

在水利水電工程中，通過快速構(gòu)建三維建模能夠有效提高工程質(zhì)量。對(duì)于可視化技術(shù)而言，作為知識(shí)覆蓋面極為廣泛的新興技術(shù)，能夠在工程建模領(lǐng)域中發(fā)揮出非常重要的作用，提高工程人員接收數(shù)據(jù)信息時(shí)的效果與質(zhì)量。因此，有必要對(duì)水利水電工程中的三維可視化技術(shù)進(jìn)行研究。

1 三維可視化技術(shù)綜述

可視化技術(shù)就是針對(duì)人類大腦中某種圖像的心智處理過程，通過可視化技術(shù)能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)中的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并形成圖形以及圖像，從而讓使用者能夠更加直觀地進(jìn)行觀察，了解到以往無法真正看到的事物。而且通過可視化技術(shù)還能夠完成視覺交互，因此可視化技術(shù)的核心內(nèi)容便是原始數(shù)據(jù)信息的高速轉(zhuǎn)化以及可視化建模。圖1 為可視化過程圖。

圖1 可視化建模流程圖

在可視化技術(shù)中，以計(jì)算機(jī)可視化為核心的三維可視化可以利用三維的方式對(duì)客觀事物進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，因此在科學(xué)領(lǐng)域中能夠發(fā)揮出非常重要的作用。三維可視化建模在使用過程中，可以為對(duì)應(yīng)學(xué)科提供非常多的幫助。比如在交通運(yùn)輸、建筑工程等領(lǐng)域，通過三維可視化能夠?yàn)闆Q策者提供數(shù)據(jù)信息上的支持，從而讓決策風(fēng)險(xiǎn)降低。而在動(dòng)畫設(shè)計(jì)中利用三維可視化，則能夠有效提高視覺沖擊力，從而提高動(dòng)畫口碑。因?yàn)槿S可視化自身具有的泛用性，所以同樣能夠在水利水電工程中發(fā)揮出自身應(yīng)有的作用，從而有效提高工程質(zhì)量。

2 水利水電工程建模思路分析

從建模角度出發(fā)，模型的層次劃分其本質(zhì)就是通過物理與仿真質(zhì)量來得到體現(xiàn)的。在水利水電工程中，因?yàn)榻ㄖ锏姆N類多種多樣，所以物理構(gòu)成具有非常大的差別，在劃分階段中，應(yīng)該結(jié)合使用的基本原則專門針對(duì)特定的具體系統(tǒng)來作出規(guī)定，以下三種原則屬于基本原則：第一，模型層次。在建模過程中，模塊屬于組成系統(tǒng)的核心，是一種能夠組成復(fù)雜系統(tǒng)且無法繼續(xù)分解的子系統(tǒng)。在各種模塊中，上層模塊作為主要成分，是通過元素、底層模塊構(gòu)成的，而存在于最上層的模塊便是系統(tǒng)模型。所以在針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分時(shí)，需要針對(duì)模塊做出細(xì)致分解，并在劃分過程中考慮到各個(gè)模塊相互之間的關(guān)系與連接性。第二，模塊基礎(chǔ)。在模塊劃分時(shí)，可以將獨(dú)立設(shè)備作為模塊基礎(chǔ)。第三，獨(dú)立性。模塊自身必須具備獨(dú)立性，即具有可以針對(duì)模塊開展特性描述的部件方程，而且模塊在經(jīng)過計(jì)算后，其所有流程都應(yīng)該歸納到程序中[1]。圖2 為可視化過程模型。

圖2 可視化過程模型

在工程開展實(shí)體建模時(shí)，其主要方式通?？梢苑譃槿缦聨追N：第一，空間分割。通過將簡(jiǎn)單物體進(jìn)行粘合后，就可以產(chǎn)生全新的構(gòu)造體，其中能夠粘合的物體是基本體素，基本體素正是建模中的基礎(chǔ)。第二，實(shí)體幾何方式。實(shí)體幾何其原理與空間分割的方式大體相同，即利用工程實(shí)體來完成體素組合的構(gòu)建，但是幾何方式使用中往往需要開展更加復(fù)雜的計(jì)算。第三，邊界表示。無論工程實(shí)體如何都需要與邊界始終保持對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此通過描述實(shí)體邊界便能夠表達(dá)出實(shí)體的含義。水利水電工程中的建模模型通?？梢苑譃閹缀?、形象建模以及三維顯示。建模期間需要將GIS 作為開發(fā)平臺(tái)，然后結(jié)合CAD 等軟件，最終形成三維建模。

3 水利樞紐幾何建模技術(shù)分析

在開展幾何建模時(shí)，需要結(jié)合實(shí)體特征點(diǎn)數(shù)據(jù)來得出法向量并生成三位幾何模型，在水利水電工程中可以結(jié)合不同類型的建筑來使用不同的建模方式，以此來完成三維仿真模型的構(gòu)建。

3.1 簡(jiǎn)單建筑的三維模型

在大比例尺的環(huán)境下，房屋以及圓形管道建模屬于較為簡(jiǎn)單的建筑三維建模，例如在房屋建模中三維建模就是由屋頂面以及外墻形成的簡(jiǎn)單模型。而圓形管道模型則是由外壁、開關(guān)閘兩者結(jié)合而成的簡(jiǎn)單模型[2]。

3.2 同高程水域平面模型

對(duì)面狀水系要素通常會(huì)具有明確的邊界條件，而且其可視范圍內(nèi)的高程值幾乎并不會(huì)出現(xiàn)變化。除此之外，還可以水平面看作高程平面，并且平面對(duì)比時(shí)間范圍將會(huì)更大，多余的位置因?yàn)槟軌虮坏匦胃采w，所以模型可以保證與地形之間相吻合。

3.3 復(fù)雜三維實(shí)體構(gòu)造

復(fù)雜三維實(shí)體模型在構(gòu)建過程中，必須結(jié)合各類商業(yè)軟件才能夠保證模型質(zhì)量。靈活使用建模工具可以通過各種文件類型完成數(shù)據(jù)信息的交換，并且在于GIS 軟件幾何使用后便能夠?qū)⑽募械哪Ｐ推史殖蔀榭臻g三角網(wǎng)，此時(shí)通過將數(shù)據(jù)信息按照比例、角度進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)，便可以在空間坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)定位。圖3 為水利工程三維建模。

圖3 水利工程三維建模

3.3.1 參數(shù)化實(shí)體建模

參數(shù)化實(shí)體建模就是通過將幾何關(guān)系重新組合，然后利用數(shù)據(jù)參數(shù)對(duì)特征部件進(jìn)行控制的幾何模型。在開展模型設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過代數(shù)方程來合理實(shí)現(xiàn)約束，通過代數(shù)方程能夠把模型中的幾何形狀重新定義成為特征點(diǎn)，其中約束則屬于特征點(diǎn)中的各種坐標(biāo)，并且特征點(diǎn)還可以在建模期間當(dāng)作變?cè)?。而且約束模型還能夠在體現(xiàn)出幾何信息的同時(shí)表現(xiàn)約束關(guān)系。通常情況下，結(jié)構(gòu)、尺寸約束是最為常見的幾何約束形式，其中結(jié)構(gòu)約束屬于隱式條件，因此并不能當(dāng)作變動(dòng)對(duì)象。然而尺寸約束則可以在使用中確定不同幾何元素相互之間的位置情況，因此能夠在建模期間作為變動(dòng)對(duì)象。在開展參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以將變化參數(shù)幾何模型當(dāng)作設(shè)計(jì)核心，以此來保證參數(shù)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

在對(duì)水利水電工程中的溢洪道、道路進(jìn)行三維建模時(shí)，可以利用參數(shù)化建模來構(gòu)建模型。在構(gòu)建模型期間需要優(yōu)先定義全局以及局部變量信息，其中全局變量的主要作用就是讓實(shí)體中所有部分都能夠及時(shí)對(duì)變化進(jìn)行響應(yīng)。而局部變量則只能夠針對(duì)指定部分進(jìn)行控制。在開展程序編寫時(shí)，需要調(diào)動(dòng)屬性參數(shù)來確定控制點(diǎn)以及形體參數(shù)，然后結(jié)合繪圖函數(shù)來完成模型擬建。在進(jìn)行建模時(shí)，如果設(shè)計(jì)方案中途產(chǎn)生了變化，則只需要通過對(duì)全局、局部變量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，然后重新生產(chǎn)幾何模型便可以完成建模[3]。

3.3.2 特征建模

特征建模在使用過程中，需要結(jié)合預(yù)定義特征并在系統(tǒng)內(nèi)形成特征庫(kù)與分類，然后形成具有層次化的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)期間用戶需要結(jié)合實(shí)際需求輸入特征，然后加入約束來完成模型的構(gòu)建與求解。通常情況下，特征建?？梢栽谥黧w工程建筑中得到使用，例如引水洞、導(dǎo)流洞就可以通過特征建模的方式來實(shí)現(xiàn)可視化建模。在模型設(shè)計(jì)期間需要結(jié)合實(shí)際形狀特征來完成分類，然后根據(jù)特征構(gòu)建特征模型庫(kù)，并編寫子程序，子程序所利用的關(guān)鍵點(diǎn)會(huì)根據(jù)隧洞類型的改變而出現(xiàn)變化。在繪制隧洞模型時(shí)，通過輸入其相對(duì)應(yīng)的尺寸參數(shù)調(diào)動(dòng)對(duì)應(yīng)特征中的子程序，便能夠成功構(gòu)建出該段落的實(shí)體模型。通過對(duì)具有相關(guān)特征的模型進(jìn)行組合后，就可以得到最終的實(shí)體模型。例如在面對(duì)洞型隧洞時(shí)，就可以將其對(duì)應(yīng)的子程序調(diào)用出來，在輸入各項(xiàng)控制參數(shù)后，程序便可以自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的隧洞模型。除此之外，附屬建筑物模型的作用是營(yíng)造出虛擬環(huán)境，強(qiáng)化模型效果，這部分建筑物雖然并沒有固定的位置與尺寸，但是同樣可以利用特征建模的方式來完成可視化模型的構(gòu)建。

總而言之，在水利水電工程中三維可視化建模的重要性毋庸置疑。通過三維可視化建模技術(shù)不僅能夠提高水利水電工程質(zhì)量，還能夠提前了解工程開展時(shí)需要注意的問題，從而提高工程安全性。