基于多要素控制的水利水電工程三維建模技術分析

徐杰

【摘要】通過開發水利水電工程防洪預警的三維虛擬仿真平臺，在計算機中將整個沙溪流域以及周邊的情況模擬出來，利用DEM數據、遙感影像數據等資料采用Terra Vista軟件對沙溪流域內的地形地物進行建模，建立三維可視化平臺，實時顯示流域內水庫的蓄水量以及洪水的演進過程，以提高防洪決策的科學性和效率，進而為流域內的防洪調度提供良好的虛擬平臺。

【關鍵詞】水利水電工程；三維建模；多要素控制；虛擬仿真平臺

引言

三維地質建模是將地下三維空間中的各種地質數據信息，綜合起來建立的三維定量模型。地質數據具有多時態、多量和多維度的特征，其建模的精確度一直是國內外關注的重點問題。因此如何增加輔助的數據確保建模的精確度是本文研究的主要問題。以工程復雜的水電工程的地質數據為例，通過其他地質建模的成功經驗為本文的三維建模提供參考的價值。

1、流域概況

沙溪作為三明市最大的河流，是閩江的發源，全長為328公里，流域內面積為10267m2。各級的支流為99條，其中西溪、羅口溪、嵩口溪、羅豐溪、文川溪、巴溪、胡貢溪、漁塘溪、東溪（沙縣）、豆士溪集雨面積超過了300平方千米。沙溪流域內全年降水豐沛，平均年降水量在1650-1800mm之間，在4-6月和7-9月春夏之交冷暖氣團和東南沿海臺風的影響造成洪澇災害頻發，洪水流量大、歷時長，從起漲到落平一般約3-5天。目前沙溪流域內建立了安砂水庫，水庫控制流域的面積為5184km2，水庫總庫容7.4億立方米，為沙溪流域內的防洪防汛提供了安全保障。近年來隨著三明市經濟社會的發展，沙溪流域內的地形和植被遭受了很大的破壞，導致流域內的氣象水文呈現特征性的改變，沙溪流域內面臨著嚴峻的洪澇災害形勢，給人民的財產安全造成了極大的威脅。因此急需對三明市沙溪流域內的情況進行實時的監測，提高防洪防汛工作的有效性。

2、軟件平臺與開發工具

可采用Terra Vista3.0軟件進行地形建模，地物建模采用Multistage Creator2.5軟件進行，三維建模的存儲采用Open Flight格式文件。采用OPen GVS4.5完成三維場景的驅動。整個系統的開發采用Visua C++6.0。流域內的具體地物包括橋梁、閘門以及建筑物等，采用Open GL對流域內的水流進行動態的模擬，完成函數的計算。

2.1 仿真數據庫以及三維可視化平臺。三維虛擬仿真平臺的開發以數據庫作為基礎，可以采用空間數據庫和屬性數據庫兩種形式對沙溪流域內的防洪預警進行三維虛擬仿真。空間數據庫能夠存儲流域范圍內三維地形和地物的模擬，而屬性數據庫能夠將流域內的流量數據、水位以及遙感影像等以文字、圖片和視頻的方式進行存儲，并且以此為依據，作為流域內防洪防汛預警信息的評估依據。首先將沙溪流域內的地形以1：50000的等高線數據和遙感影像進行定位的建模，獲取標準的矢量數據。為了將河網水系和蓄洪區的水流進行動態的演進，可對流域內的地形和河道等進行三角網的加密，并且將其嵌入到地形中，形成鑲嵌式的結構模型。地形的建模采用Terra Vista3.0來完成，集合其DEM、遙感影像和各種的矢量數據生成三維模型。從宏觀上將流域內的地形形態反映出來，微觀上以矢量數據為支撐獲取流域內的細節地形狀況，進而生成比較逼真的場景。按照流域內地物的重要程度，可以分為普通的建模和典型的建模。普通實體的建模主要有流域內的道路、建筑物以及標志牌等，能夠在軟件中提供點線面的矢量數據，并將對應的實體等模擬出來。典型建模主要是針對流域內具有重要性和代表性的水利設施和建筑物等進行建模，如堤壩、水文站、大壩等，這些水利設施的模擬可以采用Creator軟件進行精細化的建模，建成后標注相應的地理位置信息。

2.2 視景數據庫的存儲。視景數據庫的存儲能夠生成三維的圖像景觀，并且非常的精確可靠。Open flight格式的文件能夠根據地物的幾何構造建成三維模型，進而構建成不同的三角面，完成不同面的組合，最后構造成完整的形體。Open flight格式能夠存儲三維實體顯示的相關信息，如顏色、文理等，這些信息能夠增強模型的真實感，能夠根據模型的性質便于控制。按照層次化的結構，視景數據庫能夠進行有效的組合和管理，便于仿真應用程序對場景的真實渲染。

2.3 三維可視化平臺的建立。三維可視化平臺的建立需要在計算機上將三維的場景和地形進行真實的演示，將流域內各種信息資源進行有效的整合和表現。采用圖形工作站建立沙溪流域內的防洪預警三維仿真平臺，采用VisualC++進行開發，由初始化的程序、圖形信息的集中顯示以及程序的安裝和卸載三個部分構成三維可視化平臺的控制程序。

3、防洪預警平臺的功能以及應用

3.1 淹沒分析。本研究通過DEM建模計算實現某一點有實測淹沒水深的區域進行淹沒范圍的分析和計算，同時在地圖上可以選定一個點將該點的經緯度輸入，設定淹沒水深，系統能夠自動生成淹沒的范圍和面積。沙溪流域采用二維水動力學分析，將洪水演進的過程以及淹沒的范圍和水深的分布等情況顯示出來，根據這些數據將堤壩內的蓄水量計算出來。流域內三維可視化系統能夠真實的表達三維空間的具體情況，真實的反應流域內的地形和地貌，并且為數字模型的計算提供科學的數據。將水電站洪水演進過程中的淹沒范圍、水深分布以及流速大小通過三維可視化虛擬仿真平臺演示出來，根據提供的這些實時參數，能夠計算出對應時刻水電站的蓄水量，從而為削減沙溪流域洪峰提供正確的依據。

3.2 災情評估。通過淹沒以及洪水演進過程確定洪水的影響范圍，通過對流域內土地利用、人口分布等信息的疊加分析，能夠將流域內受影響的淹沒面積以及人口等詳細的信息顯示出來。收集流域內DEM、遙感影像以及實時水情等數據，并進行綜合的分析和處理，可用于對流域內淹沒的范圍、洪水演進以及災情情況進行具體的評估，并且采用模擬軟件構建流域內的大場景，綜合開發流域內防汛空間展示與分析、數據服務等功能，為沙溪流域的防汛提供輔助。

4、結語

本文以沙溪流域內的防洪防汛為研究實例，利用計算機技術和三維仿真技術構建流域內的數字信息，對流域內的防洪相關信息進行實時的數據監測和洪水預報，構建虛擬化的模型和可視化的平臺，為三明的防汛決策提供科學的數據支持。