基于三維仿真的河道修防技術育訓場景構建

金斌斌， 周向東，徐朝輝，徐伊麗

(1.浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231；2.河海大學，江蘇 南京 210098；3.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210098)

目前，全國建有河道堤防43萬km，是保江河安瀾、惠民生福祉的重要水利工程。水利部全面推行河湖長制，夯實流域統籌、上下協同、專兼聯動的河湖管理保護格局。但基層河道管護人員專業能力參差不齊，亟待推進河道修防技術教學培訓，全面提升河道管理水平。

因工程的特殊性，很多河道修防技術難以開展實踐教學，影響教學效果：①部分河道工程結構投入運行后即掩埋在地下、淹沒于水中，現場教學不能窺其全貌、難以上手操作；②隨水文、氣象等條件變化，河道修防內容、方法、手段有所不同，教學周期無法覆蓋全部內容；③防汛演練需耗費大量的人力、物力，無法常態化訓練；④管涌、滑坡、潰壩等險情處理因涉及工程和人民生命財產安全，在現實工程中不允許出現、出現即處理，險情排查和搶護訓練想做做不了。

三維仿真技術在計算機中構建虛擬逼真的工作條件和場景，通過沉浸式工作體驗、情境式交互操作，滿足安全、經濟、開放的實踐教育需求，為河道修防教學培訓提供新思路[1- 5]。使用者是否能產生身臨其境地的真實感，是河道修防技術虛擬仿真育訓系統成功與否的關鍵，其主要載體是三維仿真場景的構建。

1 河道修防技術育訓場景設計

選取一條地形地貌、水文地質條件和河道堤防結構型式相對豐富的河道作為基底模型，構建基于真實數據的三維仿真場景。采用替換堤防結構型式、嫁接河道支流的方式，在基底模型中植入典型堤防結構和護岸，虛實結合，形成涵蓋上、中、下游，分段呈現山區河道、平原河道和濱海河道，郊區河道和城市河網特點，能較全面反映河道堤防類型、承載河道修防技術實戰演練并融入理論知識學習的河道修防技術綜合育訓場景。采用地圖形式全局瀏覽整個河道工程，并利用鍵盤、鼠標、VR手柄等輔助設備自由切換河段，實現空間跳轉。

1.1 河道漫游與認知模塊

根據真實河道數據，等比例建立河道堤防三維全景模型。支持天空鳥瞰和地面漫游模式，瀏覽工程全景，學習工程規模、特點、適用條件等；360度旋轉查看、任意位置剖析工程結構斷面，分離堤身、堤頂、堤肩、堤坡、堤腳、地基各構件，配合工程圖紙、實景圖片等，將晦澀難懂的工程圖紙具象化，滿足工程結構漫游認知和工程圖紙識讀的教學需求。

1.2 河湖管護技能訓練模塊

按照河道修防初級工、中級工、高級工、技師、高級技師五級工種的技能要求，開發工程運行檢查、工程觀測、工程養護、工程維修、險情排查與搶險五大工作任務的訓練場景[6]。進行工作流程、操作步驟和技術要點的分解，模擬對工具、機具、維修養護和搶險物質材料、標準化管理表單填寫等的人機交互操作；設置工程險情特征參數，隨時間推移動態呈現險情變化，凸顯搶險實訓的真實性與合理性。

1.3 河道洪水數字化演練模塊

在不同降雨量時，數字化呈現河道縱、橫斷面的水位、流量等洪水要素。洪水要素要與經驗法或數值分析計算結果對接，動態呈現水文站的觀測數據變化、河道岸坡水位直觀等，并與工程險情聯動變化。

2 三維仿真場景建模技術

2.1 BIM設計建模技術

應用BIM(Building Information Modeling)技術構建的模型具有良好的數據可視化(將三維立體的建筑物呈現給使用者)和優秀的操作協調性(可多人同步對模型進行溝通協調和交互)[7- 8]，是構建河道修防場景中水利工程建筑物模型的關鍵技術，也可模擬現實世界中真實發生但是難以操作的復雜場景，如洪澇災害發生時的處置等。BIM建模常用的工具軟件根據其首字母，常被簡稱為A、B、C平臺。

(1)A平臺(Autodesk)：美國歐特克公司研發的一系列服務于BIM建模的軟件，常用于水利工程建模的有：構建大場景場地、曲面的AutoCAD Civil 3D，構建水閘、涵洞、泵站等水工建筑物的Autodesk Revit，用于場景模型和建筑物模型集成的InfraWork。

(2)B平臺(Bentley)：美國Bentley軟件公司針對基礎設施建設領域研發的，在同一平臺集成建模、管理、協同、出圖等工程建設領域各環節操作功能的整體解決方案。

(3)C平臺(CATIA)：法國達索公司針對航空航天領域研發的以協同設計、高精度分析模擬為特點的BIM建模軟件。

根據河道修防三維場景的需求和本項目注重模型構建、對分析計算要求不高的特點，結合今后推進雙創工作對易用性的要求，選擇A平臺作為模型構建基礎平臺軟件。

2.2 傾斜攝影實景建模技術

傾斜攝影是通過無人機多角度航拍采集影像，獲取地物的外觀、坐標、尺寸等屬性數據，用Context Capture等軟件快速建立三維實景模型的技術[9- 10]。該技術真實還原了地物之間的空間位置關系和紋理特征[11]，可實現高精度的基于實景的三維虛擬空間場景構建。但因采用的是攝影影像信息，只能構建表面模型，且當地物被遮擋或處于拍攝視角時會出現模型缺失現象。

2.3 3D MAX虛擬仿真建模技術

3D MAX(3D Studio Max)是Autodesk公司發布的三維造型和動畫制作軟件[12]。3D MAX能建立建筑、人物、環境等模型，通過數據處理、構建白模和貼圖渲染，為制作動畫和人機交互操作提供載體。

3 河道修防技術育訓場景綜合構建方案與實現

根據模塊功能需求、模型數據來源和數據特點不同，選用不同的三維仿真建模技術，綜合構建河道修防技術育訓模型，配合Unity 3d，完成場景渲染烘培和實時人機交互功能開發。

3.1 河道堤防工程和附屬工程建筑物構建

河道堤防工程和附屬工程建筑物的建模數據，來自于實際工程設計資料，包括地質勘察資料、地形測繪數據、工程水文資料、工程結構設計圖紙等。用Civil 3D將地質勘察資料和地形測繪數據轉換成地層三維模型和地表等高線模型，導入Revit軟件，與上部工程建筑物一起，構建形成建筑物綜合模型。在河道結構認知模塊中，以BIM模型存在；在其他虛擬仿真場景中，從BIM模型中提取關鍵數據，用3D MAX進行輕量化處理，以提高使用體驗感。

表1 三大BIM建模平臺優劣勢對比分析表

圖1 工程地質和工程建筑物建模

圖2 工程周邊地貌和環境建模

3.2 工程周邊地貌和環境場景構建

對于工程設計范圍外的山體、房屋等，以外觀展現為主。采用傾斜攝影獲取影像數據，Context Capture軟件進行數據、影像和點云匹配，建立工程環境白模；進行數據篩選，做輕量化處理后，用3D MAX渲染形成工程周邊地貌和環境。對遮擋等原因導致大模型表面缺失的，進行模型修復。

3.3 場內其他人、材、物場景構建

工具、機具、維修養護和搶險物質材料、工程標準化管理表單等物件，與操作者互動的場景內人物等，3D MAX 直接虛擬建模。根據河道修防業務內容，采用Unity實現三維動畫可視、可操作。

4 結語

利用不同建模技術的優勢和適用條件，融合構建基于三維仿真的河道修防技術育訓場景，實現了數據的有效性、場景的可視性、技術的可操作性。可破解傳統河道修防技術教學與培訓中存在的時空受限問題，創新可反復學習、反復操練、遠程訓練的教學培訓手段，服務水利行業一線河湖管護技術人員的培養，切實提高河道修防技術人員的培養質量。本場景的搭建思路還可用于河道數字孿生建設，實施水利數字化、智慧化、精細化管理。