三维GIS在水利工程规划设计中的应用

邵 瀚，苟胜国，李扬杰

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

目前大部分水利工程规划设计的工作还是基于传统的二维AutoCAD图形设计，这种工作方式导致地形资料利用不充分、规划方案不直观、设计效率低下等问题，所表达的信息存在着一定的局限性[1]。随着地理信息技术的发展和应用，在水利工程规划设计中引入三维地理信息系统技术，可以实现流域级别场景的可视化表达，既可以直观地反映水利工程各个施工建筑物模型，也可以对工程区域进行淹没分析、坡度分析、填挖方分析等三维分析功能，从而为水利工程初期规划设计工作提供科学的规划依据和理论支撑，使规划设计方案更加科学和合理，并提高工程规划技术水平和设计效率[2-3]。

本文探讨了三维地理信息系统在水利工程规划设计中应用的技术流程，阐述了三维场景创建、三维地物模型生成、三维服务发布等技术步骤，针对规划阶段水工建筑物的设计和利用特点，提出了两种建模策略，分别针对永久建筑物的精细化建模和针对变更建筑物的参数化建模，并调用3DML API中的接口实现三维服务发布模型的自动化建模。最后以某中型水库为例，引入三维GIS技术实现工程场景及设计方案三维可视化表达的需求，为方案比选提供技术支撑。

1 关键技术

1.1 ArcGIS Pro

ArcGIS Pro是ESRI公司推出的全新一代的64位桌面GIS产品，同上一代桌面产品相比，ArcGIS Pro支持二三维一体化的展示方式，能够实现二三维数据交互联动，在水利工程初期规划阶段，可以在三维界面方便查看各类工程布置措施，并在二维界面上进行方案修改。其自身基于64位架构为内核的特点使得数据承载力变得更为强大，在传统软件上难以正常加载和展示的空间数据，在ArcGIS Pro上可以流畅浏览和便捷操作，该特性使得涉及流域范围大、时空跨度长的水利工程的基础数据处理非常适应于在ArcGIS Pro上完成。除之以外，ArcGIS Pro继承了Geoprocessing工具和ModelBuilder模块，能够对不同功能工具进行组合和流程化建模，提高数据处理的正确性和效率。

图1 技术流程

1.2 SkylineGlobe

SkylineGlobe系列软件是一套基于3S技术、虚拟现实技术和网络技术的三维地理信息系统平台，通过TerraBuilder、TerraExplorer和TerraGate 3个产品模块有序实现三维场景创建、展示和服务发布功能。用户利用航空和卫星影像、地形高程数据和其他矢量数据、3D模型，可以快速创建自定义的交互式的三维可视化场景，进行浏览、查询、分析和网络发布。对于开发者来说，软件开放自身的API，不论是在网络环境还是单机应用，都可以根据业务需求开发定制功能，建立个性化的三维地理信息系统[4]。

2 三维GIS构建技术流程

水利工程通常涉及范围广、战线长，部分供水线路跨度长，传统的水利工程布置规划设计方案的三维构建方式内存消耗较大。本文首先利用对航空和卫星影像、数字高程模型等进行数据预处理，快速构建三维地表场景，然后采取两种不同的建模方案，针对水利工程中的坝体、溢洪道、发电厂房等永久建筑物利用外部建模软件进行精细建模，对长距离供水管线搭建ModerBuilder模型自动计算三维参数，进行参数化自动建模，高效构建地物三维模型，最后将三维模型转化为3DML网络发布格式，进行三维地形场景和模型发布，实现水利工程规划阶段设计方案的快速可视化和方案比选。具体三维GIS构建技术流程如图1所示。

2.1 三维场景的创建和优化

利用TerraBuilder快速创建三维地形场景，并优化三维场景展示表达，具体流程如下：

(1)影像数据预处理。包含格式转换、坐标系统建立及转换、影像几何校正、影像裁剪、影像匀光匀色、影像镶嵌等步骤。

(2)地形数据预处理。通常情况下，在工程区和库区拥有大比例尺地形图，而在输水管线区拥有1∶10 000地形图，为了构建精细化地形数据，需要对地形数据进行预处理，包含异常值去除、地形校正、地形拼接、创建TIN、地形填洼、地形修改等步骤。

(3)影像与地形的融合。在TerraBuilder中新建工程文件，根据工程区域大小选择相应的投影模型，TerraBuilder提供了以WGS84为基准的球面投影和平面投影两种模型，若选择平面投影模型需要设置合适的平面坐标系统。然后导入处理后的影像数据和地形数据，根据工程展示精度要求，对数据进行地理参数设置、色彩直方图调整、场景范围裁切、高程设置等。最后建立多级金字塔MPU文件，便于流畅分级展示三维场景，并将数据打包生成三维地表模型MPT文件。

2.2 三维地物模型的生成

三维地物模型的生成主要包含两种方法，在水利工程规划设计阶段，大坝、溢洪道、综合泵站、取水建筑物、发电厂房等永久性建筑物可以采用SketchUp、3ds Max、CATIA等外部建模软件进行精细建模；供水管线、设计道路在规划阶段经常变更的简单模型，结合Geoprocessing工具搭建Modelbuilder模型进行参数化自动建模。

2.2.1 外部建模工具精细建模

以挡水大坝建模为例，首先根据设计底图进行建模处理，将CAD设计文件导入到3ds Max软件中，设置坐标系统，使X、Y、Z轴线与地基平行，将建模单位设置为米，模型比例为1∶1，利用建模工具进行建模。模型建成后，需要对模型进行纹理映射，选定模型对象，点击菜单栏上材质编辑器，点击贴图，选择漫反射并选择赋予对象的材质或贴图[5]。由于TerraGate暂不支持发布各种外部建模软件的模型格式，因此需要将精细建模的模型输出为.fbx格式，在输出参数几何体选项中选择“平滑组”、“涡轮平滑”、“将变形虚拟转化为骨骼”、“保留边缘方向”选项，以保证输出模型的完整性和纹理贴图的正确性。然后将.fbx模型文件导入到CityBuilder软件中，在模型属性页里设置其Positon参数，定义坐标系统并赋予坐标信息和高度值，使手工建模的模型具备正确的空间位置信息，最后利用Create 3DML工具使模型转化为支持三维服务发布的.3dml格式文件。

2.2.2 结合Geoprocessing工具的参数化建模

以输水管线建模为例，传统输水管线方案通常在1∶10 000比例尺地形图文件上进行二维布设，设计方案缺少直观的三维呈现方式，难以反映各管线的立体空间位置关系以及工程周围现场环境。在水利工程规划设计阶段，输水管线布设方案经常变更，采用手工精细建模的方法会导致建模时间成本增加，造成三维建模效率的降低。因此，本文结合Geoprocessing工具对管线模型进行参数化建模。

2.2.2.1管线关键节点的提取

输水管线三维建模是以二维设计文件为基础的，首先利用ArcGIS Pro中CAD to Geodatabase工具将CAD文件转换为FeatureClass标准GIS格式，利用Simplify Line工具提取特征管线，参数设置选择Douglas-Peucker算法并设置合理容差，可避免管线节点过于密集，影响管线自动建模效果。利用Feature vertices to points工具提取特征管线的关键节点[6]。

2.2.2.2管线三维空间参数的计算

为了实现管线自动参数化建模，需要获取管线节点的三维空间参数，首先利用Add Fields工具为其添加管线节点的空间和属性数据字段，其中管线空间信息包含节点的三维坐标(X、Y、Z)、管段长度Length和姿态(航偏角Yaw、倾斜角Pitch、旋转角Roll)，属性数据包含类型Type、管线材质Texture、半径Radius等信息。然后管线节点坐标X和Y可以利用Add XY Coordinates工具写入；利用Extract Multi Value to Points工具提取工程区DEM管点对应的高程值作为Z值；假设A点为当前管点，B点为连接管点，管段长度Length计算公式为

航偏角计算公式为

倾斜角Pitch计算公式为

旋转角Roll表示绕管道中心线旋转的角度，此参数不影响管段的形状和姿态，统一赋值为0，管段姿态参数如图2所示[7]。最后管点属性数据根据初步规划设计方案的实际情况给其赋予相应属性信息。上述步骤可以结合Geoprocessing工具搭建ModelBuilder模型，实现三维管线参数化建模，如图3所示。

图2 管段姿态示意

图3 三维管点ModelBuilder模型

2.2.2.3管线三维模型自动创建

通常管点类型包含了主管pipe、连接器connector、管点形状sphere等类型，若要自动创建三维管线模型，还需要针对不同的管点类型制作.xpl模型模板，可以利用外部建模工具建立相应的.3ds模型，导入进TerraExplorer中，使用Make XPL工具转化为.xpl格式模型。最后，在C#应用程序中引入3DML.Api.dll动态链接库，利用3DML API提供的_3DMLCreator接口创建3DML对象，使用AddDataSource方法，三维空间参数的管点数据和XPL模型作为传入参数，自动创建3DML格式管线模型。

2.3 三维服务的发布及访问

通过上述步骤，已经生成了三维地表场景和三维地物模型，可以利用TerraGate对地表场景和地物模型进行服务发布，方便水利工程规划设计人员快速访问和比选设计方案。TerraGate提供了Terrain Service地形服务模块和SFS管理器分别用来发布三维场景MPT文件和3DML三维地物模型。针对地形场景发布，进入TerraGate Manager页面，启动Terrain Service模块，在General分页中IP地址填写服务器地址，TCP端口避免使用默认80端口，防止引发冲突。在Terrain Database Directories分页中，添加三维场景MPT文件所在的目录并对MPT文件命名，再通过TerraGate Manage启动地形服务。针对矢量数据和3DML地物模型的发布，打开TerraGate SFS Administration，通过Data Sources界面填写数据所在目录，在Layers界面选择要发布的要素和模型既可实现服务发布。在TerraExplorer加载MPT窗口中输入服务地址可实现服务访问，通过SFS连接工具即可轻松加载已经部署的矢量要素服务和3DML三维模型服务。

3 应用实例

本文实验以黔东南州某中型水库为例，在制作了该区域三维场景MPT模型的基础上，对面板堆石坝、溢洪道、取水建筑物、综合泵房、施工导流洞等永久性建筑物使用外部建模工具进行精细建模，对县城供水管线、灌溉管线、进场道路等在规划设计阶段容易变更的模型采用了结合Geoprocessing工具的参数化建模方案。设计人员远程访问各类三维服务，实现了水利工程规划设计方案的三维浏览和查询分析。三维GIS在水利工程规划设计中的应用示例如图4所示。

4 结 语

与传统二维的CAD图上规划设计方案相比，引入三维GIS技术能够实现水利工程规划设计方案的真实三维可视化展示，使得设计人员对工程区域现场环境和地形条件有一个直观的认识。本文阐述了三维GIS应用于水利工程规划阶段的技术流程，针对规划阶段水工建筑物的特点，提出了两种地物模型的建模策略，并结合Geoprocessing工具搭建ModelBuilder模型实现管线数据的参数化建模，并以某水库为例试验论证了该方法在水利工程规划阶段方案设计和比选的可行性，对三维GIS技术在水利工程中的迅速发展和应用提供一定的经验参考。

图4 水利工程规划设计方案三维GIS展示