可视化仿真技术在水利工程中的应用

毕庆双

(通河县水务技术服务中心，黑龙江通河150900)

1 可视化仿真技术简介

可视化仿真技术结合了可视化技术与系统建模技术，利用可视化仿真技术可快速处理大规模的数据，然后通过建立数字模型并将其以图形或动态图像的方式反映在人机交互界面，因此具有直观、高效的优点[1]。其主要功用反映在以下3个方面:①可将数据场内的各个建筑物直观地以图形或图像的方式反映出来;②便于操作人员深入分析，操作人员可通过人机交互界面随意改变仿真图像的角度，也可将局部无限放大，有利于发现细节[2];③可将数据场内的情况进行动态显示，以便使管理人员或技术人员直观地了解数据场内构筑物的演变过程。水利工程中的三维可视化仿真技术路线如图1所示。

图1 水利工程中的三维可视化仿真技术路线

2 在水利工程中可视化技术的应用

2.1 三维空间数据模型

水利工程的设计及施工过程中，为便于进行实时分析，不仅要求通过可视化仿真技术反映出施工环境、场地以及建筑物、构筑物的位置关系等静态信息，还需要反映地形填挖等施工过程的动态信息，因此需要根据实际需要建立相应的三维空间数据模型，以便于对数据的分析和操作。

2.1.1 数字地形模型

数字地形模型可以反映施工环境、地形地貌、建筑物的空间布置情况等，并且为反映动态信息提供基础，DTM是建立在数字高程模型的基础上的，因此可通过建立DEM来实现，由于施工场地的地形地貌是不规则的，尤其是在山区，地形起伏较大，因此一般情况下可使用不规则三角网模型来反映数据场的地形表面信息，通过在地形上离散分布的高程控制点连接成一系列三角形，并将数据进行分析，可充分反映出地形的高程变化。

2.1.2 地物模型

地物就是在水利工程地形中存在的各种实体建筑物及地表附属物，如主体工程建筑物、各种工艺构筑物、附属工程建筑物及地表植被等，例如办公室、大坝、电站厂房、截流围堰等等，这些地物的形状、空间位置等基本上都属于静态数据，常见的建模技术对比如表1所示:从表1中可以看出，根据不同的建筑物要采用相适合的建模技术才能达到更好的效果。

表1 常用地物模型建模技术对比

2.2 三维人机交互技术

2.2.1 与数据的交互

通过人机交互界面，操作人员可以根据实际需要设置数据的计算方式、范围以及对数据进行片段截取等操作，例如在通过图像对动态数据进行演示的过程中，可根据需要设置演示的时间段，从而防止浪费时间在不需要的动画片段上。

2.2.2 与图形的交互

操作人员可以通过人机交互界面对平面或者立体图形进行平移、旋转、放大等操作以方便从不同的角度、不同的倍率来观察工程细节情况，便于及时发现设计及施工中存在的问题以及提出创造性意见。

2.2.3 与可视化参数的交互

操作人员可根据自己喜好或者现实情况来改变可视化参数，比如光照强度、光照方向、视角、对比度、颜色误差等，从而得到更好的可视化效果。

2.3 空间分析技术

通过可视化仿真技术可进行工程空间分析，为工程设计提供参考，并为后续的工程决策提供一定的依据，这就要求必须提供一个交互友好、自动化程度高的空间分析技术，从而将工程施工过程中各建筑物的布置、施工顺序等静态和动态的特征均呈现在人的面前，辅助设计人员进行工程的设计，以使设计方案更加科学，有利于保证工程的质量和进度，并体现经济性的要求，因此也为决策者的工程决策提供了间接的参考。

3 水利工程中可视化仿真系统的构建

3.1 数据管理模块

数据管理模块主要是建立空间数据库并管理其中的数据，通过对空间数据的基础空间信息进行收集、整理，将其集合到数据库中，并根据地面对象随时间的变化及时更新数据库信息，为可视化仿真系统的建立和运行提供基础。

3.2 图形显示模块

对空间数据库中每种空间对象进行分析，根据其自身的特征自动采取适合的图形绘制和造型技术，将数据通过图形或图像的方式反映出来，其中图形可以是二维，也可以是三维。

3.3 图形操作模块

对显示出来的图形进行修改和补充，使其在空间上更为合理，在形态上更加符合建筑学思想，另外通过人机交互还可调整各项参数，如水系、境界、植被符号的自定义和填充，光学属性(颜色、透明度)的修改和调整等，并且能够将操作结果保存到数据库中，或者根据不同的选中设备，向不同的输出设备(显示器、绘图仪、打印机和文件等)输出图形。

3.4 图形分析模块

系统可自动计算某特定区域或建筑物的参数，并将其反映在计算机屏幕上，并且通过建立可视化的实时人机交互平台，方便技术人员分析，并随时模拟施工过程，在此过程中，系统可通过分析给出相应的参考意见，以便技术人员更好地进行相应工作。

4 结语

可视化仿真技术在水利工程的设计和建设中具有十分重要的作用，其通过直观的图形和图像输出以及友好的人机交互等技术为技术和管理人员提供参考，是一种较为先进的技术手段，极大提高了水利工程设计和建设的现代化水平，在日后工作中，将智能化专家系统与可视化仿真技术相结合将是一个重要的研究方向。

[1]唐稳，田斌.水电工程施工的三维可视化仿真技术研究[J].湖北水力发电，2008(05):23.

[2]僧德文，王红霞.水利工程三维可视化仿真技术与系统研究[J].浙江水利水电专科学校学报，2006，18(03):33－35.