基于三維仿真的河道修防技術(shù)育訓(xùn)場景構(gòu)建

金斌斌， 周向東，徐朝輝，徐伊麗

(1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210098)

目前，全國建有河道堤防43萬km，是保江河安瀾、惠民生福祉的重要水利工程。水利部全面推行河湖長制，夯實(shí)流域統(tǒng)籌、上下協(xié)同、專兼聯(lián)動(dòng)的河湖管理保護(hù)格局。但基層河道管護(hù)人員專業(yè)能力參差不齊，亟待推進(jìn)河道修防技術(shù)教學(xué)培訓(xùn)，全面提升河道管理水平。

因工程的特殊性，很多河道修防技術(shù)難以開展實(shí)踐教學(xué)，影響教學(xué)效果：①部分河道工程結(jié)構(gòu)投入運(yùn)行后即掩埋在地下、淹沒于水中，現(xiàn)場教學(xué)不能窺其全貌、難以上手操作；②隨水文、氣象等條件變化，河道修防內(nèi)容、方法、手段有所不同，教學(xué)周期無法覆蓋全部內(nèi)容；③防汛演練需耗費(fèi)大量的人力、物力，無法常態(tài)化訓(xùn)練；④管涌、滑坡、潰壩等險(xiǎn)情處理因涉及工程和人民生命財(cái)產(chǎn)安全，在現(xiàn)實(shí)工程中不允許出現(xiàn)、出現(xiàn)即處理，險(xiǎn)情排查和搶護(hù)訓(xùn)練想做做不了。

三維仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建虛擬逼真的工作條件和場景，通過沉浸式工作體驗(yàn)、情境式交互操作，滿足安全、經(jīng)濟(jì)、開放的實(shí)踐教育需求，為河道修防教學(xué)培訓(xùn)提供新思路[1- 5]。使用者是否能產(chǎn)生身臨其境地的真實(shí)感，是河道修防技術(shù)虛擬仿真育訓(xùn)系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵，其主要載體是三維仿真場景的構(gòu)建。

1 河道修防技術(shù)育訓(xùn)場景設(shè)計(jì)

選取一條地形地貌、水文地質(zhì)條件和河道堤防結(jié)構(gòu)型式相對(duì)豐富的河道作為基底模型，構(gòu)建基于真實(shí)數(shù)據(jù)的三維仿真場景。采用替換堤防結(jié)構(gòu)型式、嫁接河道支流的方式，在基底模型中植入典型堤防結(jié)構(gòu)和護(hù)岸，虛實(shí)結(jié)合，形成涵蓋上、中、下游，分段呈現(xiàn)山區(qū)河道、平原河道和濱海河道，郊區(qū)河道和城市河網(wǎng)特點(diǎn)，能較全面反映河道堤防類型、承載河道修防技術(shù)實(shí)戰(zhàn)演練并融入理論知識(shí)學(xué)習(xí)的河道修防技術(shù)綜合育訓(xùn)場景。采用地圖形式全局瀏覽整個(gè)河道工程，并利用鍵盤、鼠標(biāo)、VR手柄等輔助設(shè)備自由切換河段，實(shí)現(xiàn)空間跳轉(zhuǎn)。

1.1 河道漫游與認(rèn)知模塊

根據(jù)真實(shí)河道數(shù)據(jù)，等比例建立河道堤防三維全景模型。支持天空鳥瞰和地面漫游模式，瀏覽工程全景，學(xué)習(xí)工程規(guī)模、特點(diǎn)、適用條件等；360度旋轉(zhuǎn)查看、任意位置剖析工程結(jié)構(gòu)斷面，分離堤身、堤頂、堤肩、堤坡、堤腳、地基各構(gòu)件，配合工程圖紙、實(shí)景圖片等，將晦澀難懂的工程圖紙具象化，滿足工程結(jié)構(gòu)漫游認(rèn)知和工程圖紙識(shí)讀的教學(xué)需求。

1.2 河湖管護(hù)技能訓(xùn)練模塊

按照河道修防初級(jí)工、中級(jí)工、高級(jí)工、技師、高級(jí)技師五級(jí)工種的技能要求，開發(fā)工程運(yùn)行檢查、工程觀測、工程養(yǎng)護(hù)、工程維修、險(xiǎn)情排查與搶險(xiǎn)五大工作任務(wù)的訓(xùn)練場景[6]。進(jìn)行工作流程、操作步驟和技術(shù)要點(diǎn)的分解，模擬對(duì)工具、機(jī)具、維修養(yǎng)護(hù)和搶險(xiǎn)物質(zhì)材料、標(biāo)準(zhǔn)化管理表單填寫等的人機(jī)交互操作；設(shè)置工程險(xiǎn)情特征參數(shù)，隨時(shí)間推移動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)險(xiǎn)情變化，凸顯搶險(xiǎn)實(shí)訓(xùn)的真實(shí)性與合理性。

1.3 河道洪水?dāng)?shù)字化演練模塊

在不同降雨量時(shí)，數(shù)字化呈現(xiàn)河道縱、橫斷面的水位、流量等洪水要素。洪水要素要與經(jīng)驗(yàn)法或數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果對(duì)接，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)水文站的觀測數(shù)據(jù)變化、河道岸坡水位直觀等，并與工程險(xiǎn)情聯(lián)動(dòng)變化。

2 三維仿真場景建模技術(shù)

2.1 BIM設(shè)計(jì)建模技術(shù)

應(yīng)用BIM(Building Information Modeling)技術(shù)構(gòu)建的模型具有良好的數(shù)據(jù)可視化(將三維立體的建筑物呈現(xiàn)給使用者)和優(yōu)秀的操作協(xié)調(diào)性(可多人同步對(duì)模型進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)和交互)[7- 8]，是構(gòu)建河道修防場景中水利工程建筑物模型的關(guān)鍵技術(shù)，也可模擬現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)發(fā)生但是難以操作的復(fù)雜場景，如洪澇災(zāi)害發(fā)生時(shí)的處置等。BIM建模常用的工具軟件根據(jù)其首字母，常被簡稱為A、B、C平臺(tái)。

(1)A平臺(tái)(Autodesk)：美國歐特克公司研發(fā)的一系列服務(wù)于BIM建模的軟件，常用于水利工程建模的有：構(gòu)建大場景場地、曲面的AutoCAD Civil 3D，構(gòu)建水閘、涵洞、泵站等水工建筑物的Autodesk Revit，用于場景模型和建筑物模型集成的InfraWork。

(2)B平臺(tái)(Bentley)：美國Bentley軟件公司針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域研發(fā)的，在同一平臺(tái)集成建模、管理、協(xié)同、出圖等工程建設(shè)領(lǐng)域各環(huán)節(jié)操作功能的整體解決方案。

(3)C平臺(tái)(CATIA)：法國達(dá)索公司針對(duì)航空航天領(lǐng)域研發(fā)的以協(xié)同設(shè)計(jì)、高精度分析模擬為特點(diǎn)的BIM建模軟件。

根據(jù)河道修防三維場景的需求和本項(xiàng)目注重模型構(gòu)建、對(duì)分析計(jì)算要求不高的特點(diǎn)，結(jié)合今后推進(jìn)雙創(chuàng)工作對(duì)易用性的要求，選擇A平臺(tái)作為模型構(gòu)建基礎(chǔ)平臺(tái)軟件。

2.2 傾斜攝影實(shí)景建模技術(shù)

傾斜攝影是通過無人機(jī)多角度航拍采集影像，獲取地物的外觀、坐標(biāo)、尺寸等屬性數(shù)據(jù)，用Context Capture等軟件快速建立三維實(shí)景模型的技術(shù)[9- 10]。該技術(shù)真實(shí)還原了地物之間的空間位置關(guān)系和紋理特征[11]，可實(shí)現(xiàn)高精度的基于實(shí)景的三維虛擬空間場景構(gòu)建。但因采用的是攝影影像信息，只能構(gòu)建表面模型，且當(dāng)?shù)匚锉徽趽趸蛱幱谂臄z視角時(shí)會(huì)出現(xiàn)模型缺失現(xiàn)象。

2.3 3D MAX虛擬仿真建模技術(shù)

3D MAX(3D Studio Max)是Autodesk公司發(fā)布的三維造型和動(dòng)畫制作軟件[12]。3D MAX能建立建筑、人物、環(huán)境等模型，通過數(shù)據(jù)處理、構(gòu)建白模和貼圖渲染，為制作動(dòng)畫和人機(jī)交互操作提供載體。

3 河道修防技術(shù)育訓(xùn)場景綜合構(gòu)建方案與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)模塊功能需求、模型數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)特點(diǎn)不同，選用不同的三維仿真建模技術(shù)，綜合構(gòu)建河道修防技術(shù)育訓(xùn)模型，配合Unity 3d，完成場景渲染烘培和實(shí)時(shí)人機(jī)交互功能開發(fā)。

3.1 河道堤防工程和附屬工程建筑物構(gòu)建

河道堤防工程和附屬工程建筑物的建模數(shù)據(jù)，來自于實(shí)際工程設(shè)計(jì)資料，包括地質(zhì)勘察資料、地形測繪數(shù)據(jù)、工程水文資料、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙等。用Civil 3D將地質(zhì)勘察資料和地形測繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地層三維模型和地表等高線模型，導(dǎo)入Revit軟件，與上部工程建筑物一起，構(gòu)建形成建筑物綜合模型。在河道結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊中，以BIM模型存在；在其他虛擬仿真場景中，從BIM模型中提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，用3D MAX進(jìn)行輕量化處理，以提高使用體驗(yàn)感。

表1 三大BIM建模平臺(tái)優(yōu)劣勢對(duì)比分析表

圖1 工程地質(zhì)和工程建筑物建模

圖2 工程周邊地貌和環(huán)境建模

3.2 工程周邊地貌和環(huán)境場景構(gòu)建

對(duì)于工程設(shè)計(jì)范圍外的山體、房屋等，以外觀展現(xiàn)為主。采用傾斜攝影獲取影像數(shù)據(jù)，Context Capture軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)、影像和點(diǎn)云匹配，建立工程環(huán)境白模；進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，做輕量化處理后，用3D MAX渲染形成工程周邊地貌和環(huán)境。對(duì)遮擋等原因?qū)е麓竽Ｐ捅砻嫒笔У模M(jìn)行模型修復(fù)。

3.3 場內(nèi)其他人、材、物場景構(gòu)建

工具、機(jī)具、維修養(yǎng)護(hù)和搶險(xiǎn)物質(zhì)材料、工程標(biāo)準(zhǔn)化管理表單等物件，與操作者互動(dòng)的場景內(nèi)人物等，3D MAX 直接虛擬建模。根據(jù)河道修防業(yè)務(wù)內(nèi)容，采用Unity實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫可視、可操作。

4 結(jié)語

利用不同建模技術(shù)的優(yōu)勢和適用條件，融合構(gòu)建基于三維仿真的河道修防技術(shù)育訓(xùn)場景，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效性、場景的可視性、技術(shù)的可操作性?？善平鈧鹘y(tǒng)河道修防技術(shù)教學(xué)與培訓(xùn)中存在的時(shí)空受限問題，創(chuàng)新可反復(fù)學(xué)習(xí)、反復(fù)操練、遠(yuǎn)程訓(xùn)練的教學(xué)培訓(xùn)手段，服務(wù)水利行業(yè)一線河湖管護(hù)技術(shù)人員的培養(yǎng)，切實(shí)提高河道修防技術(shù)人員的培養(yǎng)質(zhì)量。本場景的搭建思路還可用于河道數(shù)字孿生建設(shè)，實(shí)施水利數(shù)字化、智慧化、精細(xì)化管理。