水工結(jié)構(gòu)工程與三維可視化技術(shù)研究

袁鳳娟

(安徽省阜陽市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，安徽 阜陽 236000)

0 引 言

三維可視化技術(shù)是一種高效的、高精度的繪制建模技術(shù)，不僅可以在一幅數(shù)字場景中實現(xiàn)物理世界全要素的還原，同時還可以結(jié)合實時數(shù)據(jù)的處理、計算，實現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界的互聯(lián)互通，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建數(shù)字孿生體。因此，有必要對水工結(jié)構(gòu)工程與三維可視化技術(shù)展開分析，以便三維可視化技術(shù)在水工結(jié)構(gòu)工程中得到更好的應(yīng)用。

1 可視化仿真技術(shù)主要內(nèi)容

三維可視化技術(shù)與多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，使得數(shù)據(jù)處理虛擬化，通過對對象的全方位監(jiān)控，建立以現(xiàn)實為基礎(chǔ)的3D虛擬現(xiàn)實效果，可使數(shù)據(jù)呈現(xiàn)更加直觀、易于理解[1]?？梢暬瘧?yīng)用可分為以下三類。

1.1 宏觀態(tài)勢可視化

宏觀態(tài)勢的可視化是指在特定環(huán)境下，能夠感知隨時間推移而不斷變化的目標(biāo)實體，直觀、靈活、生動地展現(xiàn)宏觀態(tài)勢，迅速把握某一領(lǐng)域的總體態(tài)勢、特征[2]。

1.2 設(shè)備仿真運行可視化

將計算機(jī)程控技術(shù)與實體模型、圖像、三維動畫等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了設(shè)備的可視化表達(dá)，使管理者對設(shè)備有了具體的管理理念，了解了設(shè)備的位置、外形及所有參數(shù)，大大降低了管理者的勞動強(qiáng)度，提高了管理效率和水平。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可視化

現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于商業(yè)智能、政府決策、公共服務(wù)、市場營銷等諸多領(lǐng)域。借助直觀的數(shù)據(jù)圖表，能夠清晰、有效地傳達(dá)和傳遞信息[3]。

2 水工結(jié)構(gòu)工程三維可視化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

水工結(jié)構(gòu)工程體一般為不規(guī)則形，如圖1所示。在計算機(jī)圖形學(xué)中，通常都是用許多微小的直線段和三角面來模擬地層的巖性和巖層的表面。也就是說，巖層界面和地表曲線、地下水位等地質(zhì)界面，以及巖層曲面等，是由許多微小的直線段和三角面構(gòu)成的集合。在水工結(jié)構(gòu)工程中，地質(zhì)體的三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維建模和可視化的基礎(chǔ)，這就要求具有高效的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以保證人機(jī)交互和查詢的實現(xiàn)。

圖1 水工結(jié)構(gòu)工程三維可視化圖

2.2 曲面求交

在地層不整合、斷層錯斷巖層、地層尖滅、地下水出露于河谷地表的情況下，地質(zhì)體中存在著大量的層面，這就使地質(zhì)體三維模式的上部邊界成為地表曲面，通過數(shù)學(xué)方法擬合出的巖層表面或地下水位面不應(yīng)超過表面，即不應(yīng)超出局部顯示。同理，當(dāng)顯示多層地層時，巖層下方的每一層都應(yīng)以其上巖層作為界限。所以，要實現(xiàn)可視化地層界面，就必須解決地層面與地表、斷層面及其他地層面的交叉。而在剖面圖成圖中，地質(zhì)界線的繪制則是通過顯示剖面平面和各種地質(zhì)界面曲面的交點來完成的。所以，曲面求交是一個在地質(zhì)界面層面上的交集，而在地質(zhì)界面上的交集又包括兩類問題。

2.3 三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

拓?fù)涫且环N地質(zhì)學(xué)意義上的地質(zhì)學(xué)對象間關(guān)系的形式，拓?fù)浔韮Υ媪藢娱g上覆、下伏和交切(由斷層斷裂帶的拓?fù)浔憩F(xiàn))等地層學(xué)關(guān)系和地質(zhì)空間位置關(guān)系。拓?fù)鋵W(xué)還可以被看作是允許這些地質(zhì)關(guān)系被合理存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。舉例來說，考慮多層地層時，上部巖層的底面和與其相鄰下一巖層的頂面是上下巖層兩個實體的共同部分或共享邊界，二者之間的拓?fù)潢P(guān)系是相鄰且相同的關(guān)系。當(dāng)存儲數(shù)據(jù)時，可將上一層巖層的底面或相鄰下一層巖層的頂面，也就是相鄰巖層的邊界曲面作為地層曲面保存，從而大大減少數(shù)據(jù)的存儲難度與空間需求。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)的地質(zhì)體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)評價方法。

2.4 可視化技術(shù)

水工程復(fù)雜地質(zhì)體的可視化是利用計算機(jī)技術(shù)對工程勘測所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以可視化為目的，將工程數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一種便于交互分析的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間形態(tài)立體圖和剖面圖。應(yīng)用可視化技術(shù)，可以從大量的地質(zhì)調(diào)查資料中，構(gòu)造出地質(zhì)工程中對于邊坡穩(wěn)定、地下洞室變形破壞等關(guān)鍵作用的巖體結(jié)構(gòu)面，并顯示出其范圍、走向和交叉關(guān)系，可使水工結(jié)構(gòu)工程師能夠?qū)υ紨?shù)據(jù)做出正確解釋，從而為水工結(jié)構(gòu)工程分析的具體問題提供決策支持[4]。

3 水工結(jié)構(gòu)工程三維可視化系統(tǒng)的基本框架

3.1 基本框架設(shè)計

三維可視化系統(tǒng)的基本框架設(shè)計，包括模型選取、縮放漫游設(shè)計、坐標(biāo)查詢設(shè)計等?；A(chǔ)運算模塊基本上涵蓋了系統(tǒng)中所用到的所有運算，在基礎(chǔ)運算模塊的設(shè)計過程中，坐標(biāo)查詢的運算是非常重要的，只有保證坐標(biāo)查詢的準(zhǔn)確性，才能保證三維可視化的查詢精度和分析精度。利用正解變換法和逆解變換法，都可以實現(xiàn)坐標(biāo)查詢操作模塊的設(shè)計。正解變換法是將三維空間中的不同點坐標(biāo)，通過特殊的轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)化為二維屏幕，并與鼠標(biāo)點擊的目標(biāo)進(jìn)行匹配，從而得到目標(biāo)點的三維坐標(biāo)。逆解變換方法是將三維空間中與投影矩陣相對應(yīng)的逆矩陣轉(zhuǎn)化為三維點坐標(biāo)，從而得到選定目標(biāo)的坐標(biāo)值。該系統(tǒng)采用逆解變換法完成了坐標(biāo)系查詢模塊的設(shè)計。

3.2 地標(biāo)模塊設(shè)計

地標(biāo)模塊設(shè)計系統(tǒng)中，地標(biāo)編輯模塊是非常關(guān)鍵的部分，利用這個模塊可以實現(xiàn)地標(biāo)的各種操作。在編輯過程中，可以將視點作為目標(biāo)點，以完成目標(biāo)點的編輯。名稱編輯過程中，要精確地確定視點的具體位置，確定父節(jié)點，然后把對應(yīng)的名字輸入其中，這樣就可以在父節(jié)點下面形成特定的子節(jié)點。該系統(tǒng)通過設(shè)置子節(jié)點的具體漫游方式，實現(xiàn)了相機(jī)編輯操作中漸變、跳躍、移動、路徑等四種不同的漫游方式，以滿足用戶的多種功能需求。最關(guān)鍵的是查找功能，對于不同的節(jié)點屬性，可以進(jìn)行模糊查詢，例如，用戶輸入“山”，就能顯示出“山東”“山西”“唐山”“鞍山”“馬鞍山”“黃山”等所有具有“山”字的節(jié)點。特性內(nèi)容包含有地名和經(jīng)緯度等，當(dāng)用戶點擊要查詢的節(jié)點時，系統(tǒng)可以自動漫游到這個節(jié)點位置。

3.3 編輯模塊設(shè)計

模式編輯模組的功能是對某些外界輸入的立體視覺模組執(zhí)行作業(yè)命令。在模型編輯模塊中，包含了大量的圖形信息資源和符號信息資源，模型符號包含了兩個不同的類型，分別是三維模型和四維符號。三維模型指的是使用相應(yīng)的建模軟件，如3D MAX軟件，建立的與現(xiàn)實事物非常接近的某些尺寸按照一定比例縮放的模型。模型符號具有直觀性、形象性等特點，可以應(yīng)用于多種領(lǐng)域。該系統(tǒng)有一個“編輯”按鈕，它主要是用來編輯一些外部導(dǎo)入的模型，可以改變導(dǎo)入模型的自身屬性，如改變模型的高度、經(jīng)緯度和角度等。通過改變模型的這些屬性信息，可以將模型放至更合適的位置[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，利用3D MAX、GIS等技術(shù)實現(xiàn)三維可視化，使人們在認(rèn)識環(huán)境的過程中，既有了更多的方法和途徑，又能預(yù)測未來的變化趨勢，在遇到水工結(jié)構(gòu)工程難題時，能更準(zhǔn)確地把握全局，更直觀地模擬現(xiàn)實空間。因此，對水工結(jié)構(gòu)工程與三維可視化技術(shù)的融合研究具有重要意義。