探究水利水电工程施工场地总布置可视化动态演示系统

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对水利水电工程而言，施工场地总布置就是对其施工期间的空间规划，它要考虑场地的地形、地貌、地质、气象、水文、永久建筑物等多种因素。传统的施工现场总布置立足于对静态平面或二维图像的演示上，反映效果较为片面，不能为施工创造良好的设计演算环境。如果采用三维形式表达，使工程施工场地空间成为一个动态化立体可变化过程，就能较为直观和形象的看清施工进程，这对工程项目本身的设计与施工开展来说都是有益的。本文所要提到的基于GIS 的可视化动态演示系统就能做到这一点。

1 基于GIS 的可视化技术

基于GIS 的可视化动态演示系统实质上就是一套成熟的建模系统，在水利水电工程中，这样的一套可视化动态演示系统能够充分考虑到对施工场地对象的自然分割，它让每一个施工对象都具有自己的状态、功能和属性，而且它所创造的可视化模型思维方式更接近于人类的常规思维，同时也能考虑到系统的可分性和层次性。基于这种思想下的工程施工场地总布置具有继承性和多态性，而且系统本身的稳定性和可修改性也具有一定的质量，所以基于GIS 技术的可视化动态演示系统是立体化、全面化、多元化的，这对于加速工程项目的顺利推进具有不可取代的重要作用。

具体来说，基于GIS 技术的可视化动态演示系统就是一种对三维可视化的抽象表达，它实现了从形体数据上的三维图形转换。所以可以将GIS 可视化动态演示系统分为三个子过程。

从GIS 三维可视化过程中总结三个要点，其一，对数据的处理过程。三维可视化过程所主要完成的任务就是对数据的过滤，它让项目中所涉及到的原始数据(如水电水利工程中的CAD 数据)得到进一步的精细化，最终转化为适合于后续可视化操作的任意形态，形态的转化由操作人员决定，比如网格化、梯度计算和插值等数据的格式转化等等。

其二，可视化映射。可视化映射是整个过程中的关键，它能将过滤后的数据直接转换为抽象的可视化对象(Abstract Visualization Object，AVO)，可视化对象AVO 可以描述处于某目标空间内的所有对象，它的属性众多，对时间、透明度、光照、反射系数、颜色、纹理、肌理等等都有涉猎。

其三，三维演示。这是可视化动态演示系统的最终表现过程，AVO可以进行三维形态的转换，然后显示于屏幕坐标系中。这时利用光照模型和面绘制算法的专业技术就能消除演示画面中的隐藏线面等等，再借助计算机光照强度为物体设计投影角度，最后就能生成所要演示的立体化的、形象生动的三维图像［1］。

2 M 水电站水利水电工程施工场地总布置的可视化动态建模

M 水电站在水利水电工程施工场地总布置就采用了基于GIS 的可视化动态演示系统，由于该系统在开发周期和空间信息收集及处理方面都有较强优势，所以它比较适合于M 水电站水利水电工程中较为复杂的场地布置。

考虑到M 水电站整体地形复杂，所以首先要围绕其建立施工场地地表的数字地形模型DTM(Digital Terrain Model)，它应该是该工程场地施工总布置的三维建模基础，其后的大坝、围堰、地下洞室、交通道路可视化建模都要基于它来展开，它也为后续的工程地形填挖创造了有利条件。

在对M 水电站的施工场地进行地形高线数据测量后，将数据经过GIS 系统转化为可识别的文件格式，例如AutoCAD 中的dwg、dxf 格式，然后调查高线数据中高程属性的elevation 值，确保系统运行速度的同时也保证可视化效果。本工程操作环节要考虑到施工主要场地是河床地带，所以要把握好建筑物与地形之间的空间匹配过程，初步取20～30m 间隔的等高线，划定中心区域。再取10m 间隔的等高线，用来布置如砂石料场、渣场、交通道路等等具有附属属性的临时性建筑。

在M 水电站工程中，采用了不规则三角网格模型TIN 来辅助场地地表可视化建模。TIN 模型所设置的地形点位比较分散，但是它会按照一定规则来设置三角形网，且能充分表现地形高程的变化，对于地形较为复杂的M 水电站非常适合。通过TIN 网格模型生成M 水电站的地表DTM，然后经GIS 系统将其转换格式存储，生成了三角网格平面的xy 坐标文件、高程z 坐标文件、三角网格节点信息文件以及空间索引表示文件等等［2］。

3 M 水电站施工场地总布置可视化动态演示的实现

在进行过大坝、围堰、交通通路、地下洞室、水面水流等多项建模过程后就可以试试场地总布置的可视化仿真动态演示。

在进行可视化动态演示之前，应该先将施工场地总布置中的地形数据、场地施工相关数据和开挖数据数字化，然后才能建立基于三维可视化的动态数字模型，完善系统演示过程。另外，也要考虑到施工总布置的三维动态图仿真系统效果，所以本工程采用到了时间步长推进法，该方法可以将规定单位时间作为增量，并按照时间推进来有计划的实现在动态演示系统中状态活动优先模拟。它的操作过程为:选取总布置系统初始状态——实施推进时间步长——分析所组成子系统内的状态——更新状态——利用三维图像显示系统状态面貌——判断仿真效果并演示。

本工程基于GIS 施工场地总布置来进行动态可视化仿真演示，主要依据对任意时间的施工面貌再现而实现演示过程。由于动态仿真演示涉及到含有时间字段的属性数据，首先将M 水电站施工总布置系统中的动态变化子系统设计为i，任意时刻为t，而面貌为vi(t)，所以就可得到施工总布置系统t 时刻的整体面貌应该为:

此处设置n 为施工的总布置子系统数目，可以将M 水电站工程项目中的其他环节划分为子系统，以X、Y、Z 作为实体空间的坐标变量来展示这些子系统，所以该项目的整体面貌就应该为:

如上式所示，因为M 水电站工程工期长为100 个月，如果将图形仿真时间步长取10 个月，那么施工场地总布置t 时刻的场地面貌就可以存储到图形库中，作为备用比较数据而建立。所以可视化动态演示系统中的数据应该是随着空间坐标不断更新和变化的变量赋值，长时间的图形字段值及属性更新，就形成了M 水电站施工项目过程的动态可视化仿真演示体系［3］。

4 总结

在水利水电工程施工现场总布置实施GIS 三维可视化技术对施工进程的快速推进具有良性作用，它可以让技术团队和施工人员较为直观的看到施工全过程，并通过建模的动态演示来总结技术经验，规避操作方面可能出现的误差，获取全面有效的工程信息，所以该技术应该成为现代化工程建设的标准环节。

［1］尹习双，周宜红，胡志根等.基于虚拟现实的水电工程施工动态可视化仿真研究［J］.系统仿真学报，2005，17(7):1690-1693.

［2］钟登华，熊小平，冯志军等.水利水电工程施工场地总布置可视化动态演示系统研究［J］.水利水电技术，2001，32(12):29-31.

［3］郭享.小湾水电站施工总布置三维可视化建模与分析研究［D］.天津大学，2005.18-22.