三維GIS在水利工程規劃設計中的應用

邵 瀚，茍勝國，李揚杰

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

目前大部分水利工程規劃設計的工作還是基于傳統的二維AutoCAD圖形設計，這種工作方式導致地形資料利用不充分、規劃方案不直觀、設計效率低下等問題，所表達的信息存在著一定的局限性[1]。隨著地理信息技術的發展和應用，在水利工程規劃設計中引入三維地理信息系統技術，可以實現流域級別場景的可視化表達，既可以直觀地反映水利工程各個施工建筑物模型，也可以對工程區域進行淹沒分析、坡度分析、填挖方分析等三維分析功能，從而為水利工程初期規劃設計工作提供科學的規劃依據和理論支撐，使規劃設計方案更加科學和合理，并提高工程規劃技術水平和設計效率[2-3]。

本文探討了三維地理信息系統在水利工程規劃設計中應用的技術流程，闡述了三維場景創建、三維地物模型生成、三維服務發布等技術步驟，針對規劃階段水工建筑物的設計和利用特點，提出了兩種建模策略，分別針對永久建筑物的精細化建模和針對變更建筑物的參數化建模，并調用3DML API中的接口實現三維服務發布模型的自動化建模。最后以某中型水庫為例，引入三維GIS技術實現工程場景及設計方案三維可視化表達的需求，為方案比選提供技術支撐。

1 關鍵技術

1.1 ArcGIS Pro

ArcGIS Pro是ESRI公司推出的全新一代的64位桌面GIS產品，同上一代桌面產品相比，ArcGIS Pro支持二三維一體化的展示方式，能夠實現二三維數據交互聯動，在水利工程初期規劃階段，可以在三維界面方便查看各類工程布置措施，并在二維界面上進行方案修改。其自身基于64位架構為內核的特點使得數據承載力變得更為強大，在傳統軟件上難以正常加載和展示的空間數據，在ArcGIS Pro上可以流暢瀏覽和便捷操作，該特性使得涉及流域范圍大、時空跨度長的水利工程的基礎數據處理非常適應于在ArcGIS Pro上完成。除之以外，ArcGIS Pro繼承了Geoprocessing工具和ModelBuilder模塊，能夠對不同功能工具進行組合和流程化建模，提高數據處理的正確性和效率。

圖1 技術流程

1.2 SkylineGlobe

SkylineGlobe系列軟件是一套基于3S技術、虛擬現實技術和網絡技術的三維地理信息系統平臺，通過TerraBuilder、TerraExplorer和TerraGate 3個產品模塊有序實現三維場景創建、展示和服務發布功能。用戶利用航空和衛星影像、地形高程數據和其他矢量數據、3D模型，可以快速創建自定義的交互式的三維可視化場景，進行瀏覽、查詢、分析和網絡發布。對于開發者來說，軟件開放自身的API，不論是在網絡環境還是單機應用，都可以根據業務需求開發定制功能，建立個性化的三維地理信息系統[4]。

2 三維GIS構建技術流程

水利工程通常涉及范圍廣、戰線長，部分供水線路跨度長，傳統的水利工程布置規劃設計方案的三維構建方式內存消耗較大。本文首先利用對航空和衛星影像、數字高程模型等進行數據預處理，快速構建三維地表場景，然后采取兩種不同的建模方案，針對水利工程中的壩體、溢洪道、發電廠房等永久建筑物利用外部建模軟件進行精細建模，對長距離供水管線搭建ModerBuilder模型自動計算三維參數，進行參數化自動建模，高效構建地物三維模型，最后將三維模型轉化為3DML網絡發布格式，進行三維地形場景和模型發布，實現水利工程規劃階段設計方案的快速可視化和方案比選。具體三維GIS構建技術流程如圖1所示。

2.1 三維場景的創建和優化

利用TerraBuilder快速創建三維地形場景，并優化三維場景展示表達，具體流程如下：

(1)影像數據預處理。包含格式轉換、坐標系統建立及轉換、影像幾何校正、影像裁剪、影像勻光勻色、影像鑲嵌等步驟。

(2)地形數據預處理。通常情況下，在工程區和庫區擁有大比例尺地形圖，而在輸水管線區擁有1∶10 000地形圖，為了構建精細化地形數據，需要對地形數據進行預處理，包含異常值去除、地形校正、地形拼接、創建TIN、地形填洼、地形修改等步驟。

(3)影像與地形的融合。在TerraBuilder中新建工程文件，根據工程區域大小選擇相應的投影模型，TerraBuilder提供了以WGS84為基準的球面投影和平面投影兩種模型，若選擇平面投影模型需要設置合適的平面坐標系統。然后導入處理后的影像數據和地形數據，根據工程展示精度要求，對數據進行地理參數設置、色彩直方圖調整、場景范圍裁切、高程設置等。最后建立多級金字塔MPU文件，便于流暢分級展示三維場景，并將數據打包生成三維地表模型MPT文件。

2.2 三維地物模型的生成

三維地物模型的生成主要包含兩種方法，在水利工程規劃設計階段，大壩、溢洪道、綜合泵站、取水建筑物、發電廠房等永久性建筑物可以采用SketchUp、3ds Max、CATIA等外部建模軟件進行精細建模；供水管線、設計道路在規劃階段經常變更的簡單模型，結合Geoprocessing工具搭建Modelbuilder模型進行參數化自動建模。

2.2.1 外部建模工具精細建模

以擋水大壩建模為例，首先根據設計底圖進行建模處理，將CAD設計文件導入到3ds Max軟件中，設置坐標系統，使X、Y、Z軸線與地基平行，將建模單位設置為米，模型比例為1∶1，利用建模工具進行建模。模型建成后，需要對模型進行紋理映射，選定模型對象，點擊菜單欄上材質編輯器，點擊貼圖，選擇漫反射并選擇賦予對象的材質或貼圖[5]。由于TerraGate暫不支持發布各種外部建模軟件的模型格式，因此需要將精細建模的模型輸出為.fbx格式，在輸出參數幾何體選項中選擇“平滑組”、“渦輪平滑”、“將變形虛擬轉化為骨骼”、“保留邊緣方向”選項，以保證輸出模型的完整性和紋理貼圖的正確性。然后將.fbx模型文件導入到CityBuilder軟件中，在模型屬性頁里設置其Positon參數，定義坐標系統并賦予坐標信息和高度值，使手工建模的模型具備正確的空間位置信息，最后利用Create 3DML工具使模型轉化為支持三維服務發布的.3dml格式文件。

2.2.2 結合Geoprocessing工具的參數化建模

以輸水管線建模為例，傳統輸水管線方案通常在1∶10 000比例尺地形圖文件上進行二維布設，設計方案缺少直觀的三維呈現方式，難以反映各管線的立體空間位置關系以及工程周圍現場環境。在水利工程規劃設計階段，輸水管線布設方案經常變更，采用手工精細建模的方法會導致建模時間成本增加，造成三維建模效率的降低。因此，本文結合Geoprocessing工具對管線模型進行參數化建模。

2.2.2.1管線關鍵節點的提取

輸水管線三維建模是以二維設計文件為基礎的，首先利用ArcGIS Pro中CAD to Geodatabase工具將CAD文件轉換為FeatureClass標準GIS格式，利用Simplify Line工具提取特征管線，參數設置選擇Douglas-Peucker算法并設置合理容差，可避免管線節點過于密集，影響管線自動建模效果。利用Feature vertices to points工具提取特征管線的關鍵節點[6]。

2.2.2.2管線三維空間參數的計算

為了實現管線自動參數化建模，需要獲取管線節點的三維空間參數，首先利用Add Fields工具為其添加管線節點的空間和屬性數據字段，其中管線空間信息包含節點的三維坐標(X、Y、Z)、管段長度Length和姿態(航偏角Yaw、傾斜角Pitch、旋轉角Roll)，屬性數據包含類型Type、管線材質Texture、半徑Radius等信息。然后管線節點坐標X和Y可以利用Add XY Coordinates工具寫入；利用Extract Multi Value to Points工具提取工程區DEM管點對應的高程值作為Z值；假設A點為當前管點，B點為連接管點，管段長度Length計算公式為

航偏角計算公式為

傾斜角Pitch計算公式為

旋轉角Roll表示繞管道中心線旋轉的角度，此參數不影響管段的形狀和姿態，統一賦值為0，管段姿態參數如圖2所示[7]。最后管點屬性數據根據初步規劃設計方案的實際情況給其賦予相應屬性信息。上述步驟可以結合Geoprocessing工具搭建ModelBuilder模型，實現三維管線參數化建模，如圖3所示。

圖2 管段姿態示意

圖3 三維管點ModelBuilder模型

2.2.2.3管線三維模型自動創建

通常管點類型包含了主管pipe、連接器connector、管點形狀sphere等類型，若要自動創建三維管線模型，還需要針對不同的管點類型制作.xpl模型模板，可以利用外部建模工具建立相應的.3ds模型，導入進TerraExplorer中，使用Make XPL工具轉化為.xpl格式模型。最后，在C#應用程序中引入3DML.Api.dll動態鏈接庫，利用3DML API提供的_3DMLCreator接口創建3DML對象，使用AddDataSource方法，三維空間參數的管點數據和XPL模型作為傳入參數，自動創建3DML格式管線模型。

2.3 三維服務的發布及訪問

通過上述步驟，已經生成了三維地表場景和三維地物模型，可以利用TerraGate對地表場景和地物模型進行服務發布，方便水利工程規劃設計人員快速訪問和比選設計方案。TerraGate提供了Terrain Service地形服務模塊和SFS管理器分別用來發布三維場景MPT文件和3DML三維地物模型。針對地形場景發布，進入TerraGate Manager頁面，啟動Terrain Service模塊，在General分頁中IP地址填寫服務器地址，TCP端口避免使用默認80端口，防止引發沖突。在Terrain Database Directories分頁中，添加三維場景MPT文件所在的目錄并對MPT文件命名，再通過TerraGate Manage啟動地形服務。針對矢量數據和3DML地物模型的發布，打開TerraGate SFS Administration，通過Data Sources界面填寫數據所在目錄，在Layers界面選擇要發布的要素和模型既可實現服務發布。在TerraExplorer加載MPT窗口中輸入服務地址可實現服務訪問，通過SFS連接工具即可輕松加載已經部署的矢量要素服務和3DML三維模型服務。

3 應用實例

本文實驗以黔東南州某中型水庫為例，在制作了該區域三維場景MPT模型的基礎上，對面板堆石壩、溢洪道、取水建筑物、綜合泵房、施工導流洞等永久性建筑物使用外部建模工具進行精細建模，對縣城供水管線、灌溉管線、進場道路等在規劃設計階段容易變更的模型采用了結合Geoprocessing工具的參數化建模方案。設計人員遠程訪問各類三維服務，實現了水利工程規劃設計方案的三維瀏覽和查詢分析。三維GIS在水利工程規劃設計中的應用示例如圖4所示。

4 結 語

與傳統二維的CAD圖上規劃設計方案相比，引入三維GIS技術能夠實現水利工程規劃設計方案的真實三維可視化展示，使得設計人員對工程區域現場環境和地形條件有一個直觀的認識。本文闡述了三維GIS應用于水利工程規劃階段的技術流程，針對規劃階段水工建筑物的特點，提出了兩種地物模型的建模策略，并結合Geoprocessing工具搭建ModelBuilder模型實現管線數據的參數化建模，并以某水庫為例試驗論證了該方法在水利工程規劃階段方案設計和比選的可行性，對三維GIS技術在水利工程中的迅速發展和應用提供一定的經驗參考。

圖4 水利工程規劃設計方案三維GIS展示