水電工程安全監測信息三維可視化展示平臺的開發與應用

李勇鵬

(甘肅省甘南藏族自治州水利技術綜合服務站，甘肅 甘南 747000)

0 引言

水力結構的監測使用傳感器作為工具。由于測量點的安排和測量結果呈空間性分布，但技術人員通常根據傳感器的位置信息，建立監測項目的空間分布圖反映其大小和位置變化。這種監測數據的顯示方式，需要用戶對建筑物和設備的布置情況足夠熟悉，因此監測信息的利用效率非常低。

可視化展示平臺的測量現場位置可以用三維坐標來表示，監測結果信息也可以通過計算機輕松顯示。周錦榮等[1]研究表明，基于NB-IoT 云服務智能安全用電裝置可以實現多源施工信息的集成和交互式查詢和可視化分析。它可以為全用電裝置控制和管理提供重要的理論和技術支撐。田茂杰等[2]建立了基于激光點云的架空線路工況模擬。本文研究和開發了監測數據的顯示平臺。結合西南某水電工程的地下洞室，實現了虛擬環境、場景漫游、施工進度查詢和監測信息交互控制。既能滿足現場工程需要，又能滿足管理部門的宏觀調度。該平臺的研究成果在施工進度、監控信息管理和展示等方面進行了積極探索。

1 平臺框架

1.1 后端數據庫模塊

該模塊是整個系統的基礎，存儲著系統所需的空間和屬性信息。空間數據包括二維線圖數據、三維場景模型數據、圖像數據和各部件的三維模型數據。屬性數據包括組件的信息數據和紋理數據。

1.2 地理信息管理模塊

此模塊結合了構成場景的地理位置和屬性數據，能夠快速準確地定位和查詢，提供信息表示所需的其他服務。如三維漫游時地形數據的調度、多維信息表示中的坐標轉換等。

1.3 前端信息表示模塊

該模塊為用戶提供各種信息表現形式和可進行的操作。三維場景圖界面給用戶一種身臨其境的感覺，用戶可以在其中自然移動，查看場景的屬性數據、結構設備和定位查詢的位置。二維地圖反映了結構物在地形上的位置和地理關系，主要用于三維漫游的導航、漫游位置的快速定位等。

三維信息管理平臺是一個基于”虛擬現實”技術的數據、模型、圖片和視頻的綜合平臺。該平臺具有直觀性、實時性和互動性特點，比傳統的管理平臺更容易被用戶理解和應用。平臺以模型為獨立對象，通過鏈接獨立對象的監測數據，用戶可以直接對模型對象進行操作。其功能框架見圖1。

圖1 平臺的功能框架

2 安全監測信息三維可視化顯示平臺的開發與應用

西南某水電工程將主機樓、主變室、涌水室、引水隧洞和尾水隧洞布置在地下，各單洞和大洞構成了一個交匯的地下洞室群結構。安全監測信息的三維可視化顯示平臺能夠生動地模擬并交互查詢施工過程中的監測結果，可以實時顯示圍巖的安全狀態。TST-VR 仿真平臺是集多邊形建模、矢量建模和實時渲染為一體的開發軟件。它提供了操作數據庫文件的接口功能，可以添加自定義數據庫實體、擴展功能、擴展/生成工具和算法，使應用工具的開發更加深入[3]。

2.1 平臺三維漫游模塊的開發

系統平臺對整個地下洞室群進行幾何化重建[4]。通過數學方法建立地下引水發電系統的幾何模型，并將其輸入計算機。幾何模型完全按照甲方提供的CAD 圖紙進行構建，以保證準確性。

圖2 平臺系統的建設過程

系統平臺對幾何模型的顏色、燈光、材料和紋理進行處理，并最終將幾何圖形元素及其視覺特征轉換為可用于顯示的圖形或圖像。因此，真實性可得到保證。在渲染三維場景之前，系統平臺會設置相關的場景參數值。這些參數包括光源的屬性(鏡面光、漫反射光和環境光)、光源方位角(距離和方向)、光影處理方式(平滑處理或平板處理)和紋理貼圖的方式[5]。三維空間場景通過投影轉化為計算機屏幕上的二維圖像。系統平臺采用了透視投影技術，以便更好地模擬真實世界。在三維場景漫游中，用戶可通過鼠標或鍵盤控制視點的位置、視覺方向和參考方向。當視點的位置、方向和參考方向發生變化時，物體在場景中相對于用戶的方向也發生變化。

2.2 地下洞室施工進度模擬的三維可視化模塊

三維可視化模型按照施工計劃劃分為若干塊，通過高程和樁號數據的變化，實時顯示各洞口當前的施工進度。根據CAD 圖紙，建立每個空腔的幾何模型。根據施工計劃，每個空腔的幾何模型被劃分為不同的層和塊，有獨立的地址號。為腔體幾何模型的獨立層和塊設置不同的顏色、光照、材料和紋理，這可在施工過程中區分完成和未完成的層和塊。開發腔體施工進度模擬的參數設置界面。通過對主機樓和主變空腔的施工方式層塊、標高、樁號等參數的設置，可以實時模擬出主機樓、主變空腔當前施工進度的三維可視化模型。建立背景數據庫，保存每個時期輸入的施工參數，以便為后續施工提供可靠的施工數據和經驗參數。開發進度回放功能，可以實時瀏覽施工過程的三維可視化模擬模型。

圖3 挖掘進度分層和地下植物碎裂的動態演示截圖

2.3 傳感器的布局、顯示和查詢模塊

通過標高、樁號等數據，將監測傳感器模型添加到三維視覺場景中，根據不同功能進行分類， 有獨立的ID 號。建立不同監測傳感器的三維可視化模型，如多點位移計、螺栓應力計和錨繩測力計。為不同的傳感器設置了不同的顏色、燈光、材質和紋理，這樣用戶就可以更快、更準確地分辨出不同的傳感器。開發傳感器安裝模塊。通過該模塊，用戶可以在場景中任意位置添加傳感器的三維可視化模型，并進行旋轉、平移、縮放等操作。同時，用戶可以為傳感器設置獨立的ID 號。通過傳感器模型的識別功能。明顯的標識可以被添加到傳感器上，因此用戶可容易地進行區分和查詢。傳感器的設置和地質剖面的安排為了地下洞穴。當選擇不同的地質剖面時，可顯示不同剖面上的傳感器。建立了地下洞室室內場景的三維視覺模型。用戶可以通過室內漫游，來了解建設后的巖洞的室內場景。根據傳感器的安裝位置確定地質斷面。通過選擇不同的地質斷面，可打開并了解三維場景。

2.4 監測結果的顯示模塊

可以在系統平臺上通過點擊鼠標選擇任意一個傳感器的測量點。通過過程圖查詢功能模塊，打開測量點的過程線圖，測量值隨時間變化。根據需要，過程圖界面顯示測量點的名稱、編號、埋深、測量原始值、物理有效值量、日期等。系統平臺可將同一或不同監測斷面的某類或某組測量點設為一個分布單元，并可為其設置固定的ID。通過在分布單元上點擊鼠標，查看設定時間內的測量值分布。

該平臺經測試運行，對監察信息查詢和控制等操作的故障率為0.0178%，遠低于市場同類水電工程安全檢測可視化平臺0.0856%的故障率，因此可以提高水電工程的管理效率。

3 結語

水電工程三維信息管理平臺是現代信息技術、施工技術和管理技術的結合。其顯示的安全監測數據和結果，對西南某水電工程洞室施工過程中圍巖的穩定性評價具有重要意義。本項目開發的三維信息管理平臺系統，是利用三維模型實現施工過程的動態安全可視化分析。不僅可以模擬工程的真實地質形態，使動態圖形更加準確、生動、逼真，而且可以更加了解地下洞室群地質情況和變形應力。因此可以為項目決策提供更多的信息，有助于對施工方案的分析和確認。