可視化仿真技術在水利工程中的應用

畢慶雙

(通河縣水務技術服務中心，黑龍江通河150900)

1 可視化仿真技術簡介

可視化仿真技術結合了可視化技術與系統建模技術，利用可視化仿真技術可快速處理大規模的數據，然后通過建立數字模型并將其以圖形或動態圖像的方式反映在人機交互界面，因此具有直觀、高效的優點[1]。其主要功用反映在以下3個方面:①可將數據場內的各個建筑物直觀地以圖形或圖像的方式反映出來;②便于操作人員深入分析，操作人員可通過人機交互界面隨意改變仿真圖像的角度，也可將局部無限放大，有利于發現細節[2];③可將數據場內的情況進行動態顯示，以便使管理人員或技術人員直觀地了解數據場內構筑物的演變過程。水利工程中的三維可視化仿真技術路線如圖1所示。

圖1 水利工程中的三維可視化仿真技術路線

2 在水利工程中可視化技術的應用

2.1 三維空間數據模型

水利工程的設計及施工過程中，為便于進行實時分析，不僅要求通過可視化仿真技術反映出施工環境、場地以及建筑物、構筑物的位置關系等靜態信息，還需要反映地形填挖等施工過程的動態信息，因此需要根據實際需要建立相應的三維空間數據模型，以便于對數據的分析和操作。

2.1.1 數字地形模型

數字地形模型可以反映施工環境、地形地貌、建筑物的空間布置情況等，并且為反映動態信息提供基礎，DTM是建立在數字高程模型的基礎上的，因此可通過建立DEM來實現，由于施工場地的地形地貌是不規則的，尤其是在山區，地形起伏較大，因此一般情況下可使用不規則三角網模型來反映數據場的地形表面信息，通過在地形上離散分布的高程控制點連接成一系列三角形，并將數據進行分析，可充分反映出地形的高程變化。

2.1.2 地物模型

地物就是在水利工程地形中存在的各種實體建筑物及地表附屬物，如主體工程建筑物、各種工藝構筑物、附屬工程建筑物及地表植被等，例如辦公室、大壩、電站廠房、截流圍堰等等，這些地物的形狀、空間位置等基本上都屬于靜態數據，常見的建模技術對比如表1所示:從表1中可以看出，根據不同的建筑物要采用相適合的建模技術才能達到更好的效果。

表1 常用地物模型建模技術對比

2.2 三維人機交互技術

2.2.1 與數據的交互

通過人機交互界面，操作人員可以根據實際需要設置數據的計算方式、范圍以及對數據進行片段截取等操作，例如在通過圖像對動態數據進行演示的過程中，可根據需要設置演示的時間段，從而防止浪費時間在不需要的動畫片段上。

2.2.2 與圖形的交互

操作人員可以通過人機交互界面對平面或者立體圖形進行平移、旋轉、放大等操作以方便從不同的角度、不同的倍率來觀察工程細節情況，便于及時發現設計及施工中存在的問題以及提出創造性意見。

2.2.3 與可視化參數的交互

操作人員可根據自己喜好或者現實情況來改變可視化參數，比如光照強度、光照方向、視角、對比度、顏色誤差等，從而得到更好的可視化效果。

2.3 空間分析技術

通過可視化仿真技術可進行工程空間分析，為工程設計提供參考，并為后續的工程決策提供一定的依據，這就要求必須提供一個交互友好、自動化程度高的空間分析技術，從而將工程施工過程中各建筑物的布置、施工順序等靜態和動態的特征均呈現在人的面前，輔助設計人員進行工程的設計，以使設計方案更加科學，有利于保證工程的質量和進度，并體現經濟性的要求，因此也為決策者的工程決策提供了間接的參考。

3 水利工程中可視化仿真系統的構建

3.1 數據管理模塊

數據管理模塊主要是建立空間數據庫并管理其中的數據，通過對空間數據的基礎空間信息進行收集、整理，將其集合到數據庫中，并根據地面對象隨時間的變化及時更新數據庫信息，為可視化仿真系統的建立和運行提供基礎。

3.2 圖形顯示模塊

對空間數據庫中每種空間對象進行分析，根據其自身的特征自動采取適合的圖形繪制和造型技術，將數據通過圖形或圖像的方式反映出來，其中圖形可以是二維，也可以是三維。

3.3 圖形操作模塊

對顯示出來的圖形進行修改和補充，使其在空間上更為合理，在形態上更加符合建筑學思想，另外通過人機交互還可調整各項參數，如水系、境界、植被符號的自定義和填充，光學屬性(顏色、透明度)的修改和調整等，并且能夠將操作結果保存到數據庫中，或者根據不同的選中設備，向不同的輸出設備(顯示器、繪圖儀、打印機和文件等)輸出圖形。

3.4 圖形分析模塊

系統可自動計算某特定區域或建筑物的參數，并將其反映在計算機屏幕上，并且通過建立可視化的實時人機交互平臺，方便技術人員分析，并隨時模擬施工過程，在此過程中，系統可通過分析給出相應的參考意見，以便技術人員更好地進行相應工作。

4 結語

可視化仿真技術在水利工程的設計和建設中具有十分重要的作用，其通過直觀的圖形和圖像輸出以及友好的人機交互等技術為技術和管理人員提供參考，是一種較為先進的技術手段，極大提高了水利工程設計和建設的現代化水平，在日后工作中，將智能化專家系統與可視化仿真技術相結合將是一個重要的研究方向。

[1]唐穩，田斌.水電工程施工的三維可視化仿真技術研究[J].湖北水力發電，2008(05):23.

[2]僧德文，王紅霞.水利工程三維可視化仿真技術與系統研究[J].浙江水利水電?？茖W校學報，2006，18(03):33－35.