探究水利水電工程施工場地總布置可視化動態演示系統

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對水利水電工程而言，施工場地總布置就是對其施工期間的空間規劃，它要考慮場地的地形、地貌、地質、氣象、水文、永久建筑物等多種因素。傳統的施工現場總布置立足于對靜態平面或二維圖像的演示上，反映效果較為片面，不能為施工創造良好的設計演算環境。如果采用三維形式表達，使工程施工場地空間成為一個動態化立體可變化過程，就能較為直觀和形象的看清施工進程，這對工程項目本身的設計與施工開展來說都是有益的。本文所要提到的基于GIS 的可視化動態演示系統就能做到這一點。

1 基于GIS 的可視化技術

基于GIS 的可視化動態演示系統實質上就是一套成熟的建模系統，在水利水電工程中，這樣的一套可視化動態演示系統能夠充分考慮到對施工場地對象的自然分割，它讓每一個施工對象都具有自己的狀態、功能和屬性，而且它所創造的可視化模型思維方式更接近于人類的常規思維，同時也能考慮到系統的可分性和層次性。基于這種思想下的工程施工場地總布置具有繼承性和多態性，而且系統本身的穩定性和可修改性也具有一定的質量，所以基于GIS 技術的可視化動態演示系統是立體化、全面化、多元化的，這對于加速工程項目的順利推進具有不可取代的重要作用。

具體來說，基于GIS 技術的可視化動態演示系統就是一種對三維可視化的抽象表達，它實現了從形體數據上的三維圖形轉換。所以可以將GIS 可視化動態演示系統分為三個子過程。

從GIS 三維可視化過程中總結三個要點，其一，對數據的處理過程。三維可視化過程所主要完成的任務就是對數據的過濾，它讓項目中所涉及到的原始數據(如水電水利工程中的CAD 數據)得到進一步的精細化，最終轉化為適合于后續可視化操作的任意形態，形態的轉化由操作人員決定，比如網格化、梯度計算和插值等數據的格式轉化等等。

其二，可視化映射。可視化映射是整個過程中的關鍵，它能將過濾后的數據直接轉換為抽象的可視化對象(Abstract Visualization Object，AVO)，可視化對象AVO 可以描述處于某目標空間內的所有對象，它的屬性眾多，對時間、透明度、光照、反射系數、顏色、紋理、肌理等等都有涉獵。

其三，三維演示。這是可視化動態演示系統的最終表現過程，AVO可以進行三維形態的轉換，然后顯示于屏幕坐標系中。這時利用光照模型和面繪制算法的專業技術就能消除演示畫面中的隱藏線面等等，再借助計算機光照強度為物體設計投影角度，最后就能生成所要演示的立體化的、形象生動的三維圖像［1］。

2 M 水電站水利水電工程施工場地總布置的可視化動態建模

M 水電站在水利水電工程施工場地總布置就采用了基于GIS 的可視化動態演示系統，由于該系統在開發周期和空間信息收集及處理方面都有較強優勢，所以它比較適合于M 水電站水利水電工程中較為復雜的場地布置。

考慮到M 水電站整體地形復雜，所以首先要圍繞其建立施工場地地表的數字地形模型DTM(Digital Terrain Model)，它應該是該工程場地施工總布置的三維建模基礎，其后的大壩、圍堰、地下洞室、交通道路可視化建模都要基于它來展開，它也為后續的工程地形填挖創造了有利條件。

在對M 水電站的施工場地進行地形高線數據測量后，將數據經過GIS 系統轉化為可識別的文件格式，例如AutoCAD 中的dwg、dxf 格式，然后調查高線數據中高程屬性的elevation 值，確保系統運行速度的同時也保證可視化效果。本工程操作環節要考慮到施工主要場地是河床地帶，所以要把握好建筑物與地形之間的空間匹配過程，初步取20～30m 間隔的等高線，劃定中心區域。再取10m 間隔的等高線，用來布置如砂石料場、渣場、交通道路等等具有附屬屬性的臨時性建筑。

在M 水電站工程中，采用了不規則三角網格模型TIN 來輔助場地地表可視化建模。TIN 模型所設置的地形點位比較分散，但是它會按照一定規則來設置三角形網，且能充分表現地形高程的變化，對于地形較為復雜的M 水電站非常適合。通過TIN 網格模型生成M 水電站的地表DTM，然后經GIS 系統將其轉換格式存儲，生成了三角網格平面的xy 坐標文件、高程z 坐標文件、三角網格節點信息文件以及空間索引表示文件等等［2］。

3 M 水電站施工場地總布置可視化動態演示的實現

在進行過大壩、圍堰、交通通路、地下洞室、水面水流等多項建模過程后就可以試試場地總布置的可視化仿真動態演示。

在進行可視化動態演示之前，應該先將施工場地總布置中的地形數據、場地施工相關數據和開挖數據數字化，然后才能建立基于三維可視化的動態數字模型，完善系統演示過程。另外，也要考慮到施工總布置的三維動態圖仿真系統效果，所以本工程采用到了時間步長推進法，該方法可以將規定單位時間作為增量，并按照時間推進來有計劃的實現在動態演示系統中狀態活動優先模擬。它的操作過程為:選取總布置系統初始狀態——實施推進時間步長——分析所組成子系統內的狀態——更新狀態——利用三維圖像顯示系統狀態面貌——判斷仿真效果并演示。

本工程基于GIS 施工場地總布置來進行動態可視化仿真演示，主要依據對任意時間的施工面貌再現而實現演示過程。由于動態仿真演示涉及到含有時間字段的屬性數據，首先將M 水電站施工總布置系統中的動態變化子系統設計為i，任意時刻為t，而面貌為vi(t)，所以就可得到施工總布置系統t 時刻的整體面貌應該為:

此處設置n 為施工的總布置子系統數目，可以將M 水電站工程項目中的其他環節劃分為子系統，以X、Y、Z 作為實體空間的坐標變量來展示這些子系統，所以該項目的整體面貌就應該為:

如上式所示，因為M 水電站工程工期長為100 個月，如果將圖形仿真時間步長取10 個月，那么施工場地總布置t 時刻的場地面貌就可以存儲到圖形庫中，作為備用比較數據而建立。所以可視化動態演示系統中的數據應該是隨著空間坐標不斷更新和變化的變量賦值，長時間的圖形字段值及屬性更新，就形成了M 水電站施工項目過程的動態可視化仿真演示體系［3］。

4 總結

在水利水電工程施工現場總布置實施GIS 三維可視化技術對施工進程的快速推進具有良性作用，它可以讓技術團隊和施工人員較為直觀的看到施工全過程，并通過建模的動態演示來總結技術經驗，規避操作方面可能出現的誤差，獲取全面有效的工程信息，所以該技術應該成為現代化工程建設的標準環節。

［1］尹習雙，周宜紅，胡志根等.基于虛擬現實的水電工程施工動態可視化仿真研究［J］.系統仿真學報，2005，17(7):1690-1693.

［2］鐘登華，熊小平，馮志軍等.水利水電工程施工場地總布置可視化動態演示系統研究［J］.水利水電技術，2001，32(12):29-31.

［3］郭享.小灣水電站施工總布置三維可視化建模與分析研究［D］.天津大學，2005.18-22.