三維可視化技術在水利水電建設中的應用

孫洪秀，田志剛

（青州市水利建筑總公司）

1 三維可視化平臺的主要結構

三維可視化的結構主要由三維封裝層、三維數據訪問層、地理信息服務層、OpenGL 底層等構成，三維可視化技術在水利水電中的應用，以OpenGL 底層作為基礎。平臺軟件中的基礎三維平臺包括工程建設管理與決策支持系統、水電運行管理與決策支持系統和環保水保管理系統等。三維數據的訪問層為數據操作和空間的計算等提供了必要支撐。地理信息服務層的專業功能較多，即三維模型、植被、地形修改和淹沒分析等，業務應用層能夠對水利水電業務需求了解后進行有效制定和開發。

2 三維可視化技術在水利水電工程中的具體應用

三維可視化技術是借助三維空間的展示讓人們了解到更多復雜數據，通過人機交互系統的輔助，為建設人員提供更多海量數據。

2.1 地理三維模式的應用，實現智慧決策功能

水利水電測繪人員根據具體的工作要求，獲取重要數據信息，再根據這些數據信息建立流域地理信息模型，展示出高程變化、流域地形、河道信息等，測繪人員采用水流演進算法計算洪水演進和水位漲落，幫助管理人員根據汛限水位進行信息處理，讓相關人員及時了解防汛中存在的不足和管理弱點，為開展指揮決策和做出防汛方案奠定基礎。如圖1所示：

圖1 測繪數據的三維仿真系統

2.2 資產信息庫的應用，形成資產信息的智能化查詢

在水利工程和流域水電工程建設中，通過建立專門的資產信息庫，降低資產浪費，強化資產管理效果。例如，施工人員根據設備列表對資產進行管理，設備信息與三維模型、信息庫等進行對應后，可以了解設備臺賬信息。同時，施工人員利用資產信息庫對信息庫中存在的設備缺陷、圖紙信息等進行管理，降低資源的浪費。

2.3 三維數字平臺的利用，開展智能監視和巡察

傳統的監視查詢平臺主要應用二維界面為主，操作人員在運用相關的系統對水利水電建設中的實際情況開展實時監督和把控。而三維數字平臺中相關操作人員能夠了解三維空間中的儀表設備和閥門設備等信息，通過提前設立想要巡查的線路提升工作效率，而一旦出現故障問題，操作人員應結合相關報警信息對實際中存在的問題進行檢查，實現三維智能定位，全面掌握報警設備的信息。另外，相關操作人員還可以借助數字化平臺觀看現場視頻，準確把握好現場實時信息，再對這些信息進行有效驗證，實現對現場交叉性作業的有效監控。

2.4 3D可視化技術的運用，建立智能化施工現場

水利水電建設中操作人員結合3D可視化技術對水利水電施工現場的地形或者地上建筑物等建立數字化模型，能夠真實反映出建設的情況、建筑物整體上的布局或者地基的開挖程度，數字化建模中還能夠直接顯示出填充的三維過程和更多有價值的信息，數字化建模的創建過程的流程如下所示。

①數字地形模型（DTM）收集地表點的空間坐標（X、Y、Z）和實際測繪中所收集到的各種物體的屬性等，通過構建數據特征表示出征地物的模型特征。

②數字地形模型（DTM）還能夠對所處的地形開展有效的充填和切割，而該模型主要是由三角形所構成，這些三角形的性質特征在角度、面積、海拔、坡度等方面都不同。

③通過建立施工系統的三維模型，以對實際中存在的情況進行展示和輸出，保障該模型的可視化功能和構建三維GIS空間。

④廣泛應用CAD圖形建模技術。這一技術主要是借助CAD 軟件建立系統，并且還可以運用鼠標對模型庫進行繪制。

2.5 VR 技術的應用，構建三維數字化電廠

三維數字化電廠將廠房內的攝像頭進行建模后，接入安全生產監控視頻和門禁監控視頻，掌握安全生產的情況有助于對現場狀況進行實時監督和把控，其所發揮出的重要優勢如表1所示。

表1 VR技術的應用的優勢

3 工程實例的分析

以某省水利樞紐為研究對象，該項目是我國重要的水利工程之一，總體預算達到31億元，開工建設的時間是在2013年，大壩的長度498m，高度48m，正常的蓄水位在56m左右。

3.1 水工建筑物三維模型的構建

該水壩工程對水工建筑物的位置和建筑物形體等都進行了提前設計，并在設計中對三維模型予以高度重視。首先，三維模型在設計時，需要對建筑物的基本信息進行全面獲取，然后再對信息進行分析和提取。建筑物典型斷面的相關信息，其水工建筑模型需要與平面圖像幾何尺寸保持一致，導入3DsMax，對實體對象進行任意的旋轉、平移和組合、計算。在獲取三維實體模型后，根據不同建筑物特征，選擇好對應材質后，對模型開展貼圖處理，進而設計出三維實體模型。

3.2 獲取真實場景

水利水電建設時，施工人員應第一時間了解到該水壩工程的情況，通過在現場布置大量視頻監控攝像頭，對圖像開展有效傳輸，然后在相匹配的圖像傳輸系統中，利用攝像頭，展示施工建設的全貌，幫助施工人員全面觀察，提前做好各項施工準備工作，降低各項事故的發生幾率，提升工作效率和保障整體施工進度。

3.3 注冊相應的硬件相機

施工人員將攝像頭安裝在RT‐GPS上，通過設置好相關參數，注冊相機。借助相機展示虛擬場景，幫助施工人員開展各個環節的施工，從而了解到施工中可能存在的風險，及時對問題進行解決，保障施工的進度和速度。

3.4 借助AR技術搭建可視化工程

虛擬相機在注冊之后，能夠對建筑物的影像進行直接利用，將虛擬的建筑模型與真實施工圖像放在一個空間內，將真實場景與建筑圖像重疊在一起，直接反映虛擬物體在空間上的關系，使現實效果得到提升。另外，設計人員在對兩張圖像每個像素進行辨認后，確保虛擬物體能夠在真實場景中進行有效重疊，當出現真實的場景成像點后，將其作為虛擬成像點。

3.5 仿真培訓

流域梯級水電在運行過程中，主要采用集控中心的方法進行把控，但是由于之前該電站只對監控的對象予以把控，這就導致監控的效果差強人意。但是，在水利建設工程中，通過仿真培訓，借助三維可視化技術，能夠增強該水電站工作人員的操作能力，提升監控效果。

4 結語

三維可視化技術應用到水利水電工程中，幫助施工人員擁有更多可以利用的資源和信息，提升施工效率。三維可視化技術中的圖像從二維技術向三維技術轉變，展現出更加清晰的圖像畫面，能夠為各項決策提供重要依據，提升管理力度，保障各項管理工作有條理。三維可視化技術會使水利水電工程的建設趨于數字化和可視化、智能化發展，從而實現水利水電工程的可持續發展。