三维动态可视化技术在水利工程中的应用研究

杨庆运

（山东水利建设集团有限公司，山东 济南 250109）

经济建设增加了各地对水利工程的基建需求，较大的需求量和水利工程在国家基建的重要地位加大了国家对于水利工程的重视程度，但是水利工程建筑的繁多品种和其中错综复杂的关系加大了水利工程的建筑难度。三维可视化技术诞生于20世纪80年代，作为一种集图像显示、计算机图像处理、素描等多种处理方式为一体的技术，三维可视化技术被广泛应用于地质测绘等专业，文章主要是通过实例发掘三维可视化技术在水利工程中的应用价值。

1 三维动态可视化技术的基本原理和发展现状

1.1 三维动态可视化技术的基本原理

三维可视化就是利用三维数据，通过建模的方法，以3D的形式把测量数据显示在屏幕上。三维建模作为三维可视化技术的关键，三维技术的优化程度与三维图像的逼真科学程度成正比。根据科学原理分析，客观上实现三维可视化技术可分为以下两种方法：第一种方法是以等值面为基准进行图像绘制，具体操作流程就是将数据抽取等值面，然后使用三维数据进行建模；第二种方法是以体素数据为基准进行单元绘制，体素大致分为显示和透明度调节两部分，其主要目的就是通过对透明度的调节显示内部变化，避免了传统显示方法的内部遮挡问题。相较于传统的数据建模，三维可视化的数据建模需要大量的按照面、体分布的数据[1]。

1.2 三维动态可视化技术的发展现状

现阶段随着经济发展和市场需求的稳步提升，三维可视化技术的发展速度逐年上升。市场需求不仅促进了三维动态可视化技术的广泛应用，还推动了可视化工具等三维可视化相关仪器的研发，例如Open GL和Direct X。其不仅作为现阶段最大的3D图像（3 Dimensions）的应用程序接口，而且实现了3D图像的底层设计。随着经济的发展推动，现阶段国内外的三维可视化应用程序层出不穷，例如AVS（信源编码标准）、VR Map等。这些软件促进了三维动态可视化技术的应用率提升。

将三维动态度可视化技术与水利工程建筑相结合来看，三维动态可视化技术是服务于水利工程建设的，其实际数据对水利工程进行的实际检测所产生的数据可以真实宏观地反映水利建设的真实情况。三维动态可视化技术的本质就是通过图像和图形的方式对方针计算过程的追踪与追踪结果的处理分析。把三维可视化技术广泛应用于水利工程建筑不仅能够降低工作人员的工作量，而且数字化的检测分析平台和科学的检测数据增加了检测工作的安全性。通过数据进行仿真建模分析，可以对施工环境进行仔细分析，避免因为施工场地的测量漏洞导致施工后期频频出现问题。

2 水利工程的三维可视化系统构建

2.1 数据管理模块构建

在三维动态可视化技术中，空间数据库和属性数据库的调节工作主要依靠数据管理模块来完成，通过数据管理模块来实现对繁多数据的多重管理和各个类别数据的科学整合。数据管理模块不仅包括各种基础数据的组织工作，而且对每组数据之间的拓扑关系进行整合，整体数据不仅涵盖了基础数据的时间序列和空间序列，而且记录了各项时间数据和空间数据的变化细节[2]。在三维动态可视化技术中，整体的数据管理模块不仅是系统科学运转的基石，而且为应用三维可视化技术的水利工程、地质检测提出了基础的技术保障。

2.2 图形显示模块构建

图形显示就是利用不同的绘制手段将三维空间数据和三维空间属性数据转变为三维图形，通过把绘制的三维图形展现在可视化平台上进行基础的图像数据分析。图形显示模块之所以作为数据库建立运行的基础，是因为通过三维图形的显示不仅可以让技术人员更加直观地认识监测的整体数据和基本形态，而且面对工程中的突发问题也可以根据显示图形进行全面分析[3]。由此可见，进行图形显示模块的构建不仅能完善水利建筑工程企业的三维动态可视化技术的工作流程，而且有利于解决实际建设中的突发问题。

2.3 图形操作模块构建

对可视化界面显示的图形进行更新、改进和完善就是图形操作的主要工作。在水利工程的基建建设过程中，要根据建设施工场地的实际环境和招标文件中的具体要求进行设计，这不仅关系到水利建筑在面对后期验收工作的达标率，而且关系到水利建筑工程在投入使用后期的意外发生率。由此可见，图形操作模块与水利工程设施的安全程度有着直接联系，因此在采用三维动态可视化技术于水利工程建设过程中一定要注重图形操作模块的构建，便于进行安全分析的技术人员及时解决水利工程建筑施工过程中的安全问题[4]。

2.4 图形分析模块构建

随着科技发展和市场需求，可视化交互系统的逐渐完善不仅促进了计算机计算施工区域中各项参数的准确性，还促进了可视化界面的更新换代，通过图形分析模块的构建，不仅实现了实际数据辅助水利工程施工的目的，而且促进了各项基础数据与时间相结合的科学数据对整体施工进度的科学化把控。由此可见，在水利建筑工程施工过程中，先进技术的应用不仅能够完善工程管理模式，还可达到施工进程的科学控制，在保证建筑质量的前提下进行科学的速度把控，避免在盲目增速大环境中对水利工程建筑的质量忽略问题的频繁发生。

3 三维动态可视化技术在水利工程中的应用

3.1 水闸水下冲坑监测

水下部位的止水失效、闸基土流失、结构断裂、冲坑和塌陷现象是造成水闸地基渗流异常和闸水流流态异常的主要原因。为了避免此类现象频繁发生而造成人民群众生命财产的较大威胁，不仅在前期的施工和中期的质检验收中严格把关，在水利工程投入使用后也要进行定期质检[5]。我国境内大量水利工程建筑需求和现存的大量水利工程不仅增加了水利工程的建筑施工工作量，而且加深了投入使用的定期检测的检测工作量。现阶段通过科技手段对水利工程建筑进行监控，通过监控数据进行科学检修。这种方法的使用不仅节省了定期检测的人力成本和物力成本，而且相较于传统的检测方式，科技手段测量的数据更加全面准确。例如，一个运行多年的水库，因为下流水流的冲坑对水闸的安全运行有较大影响。在进行维修之前的数据监测中需要几十条的测量数据，人力测量不仅费时、费力，而且测量产生的误差较大。但是使用三维动态可视化技术进行测量不仅可以得到准确的数据，而且可以绘制出精确形象的三维可视化图帮助维修。

3.2 渗透监测

无论是传统施工技术建造的水利工程还是新型建造技术建造的水利工程，其常见的隐患都是水利工程的渗漏。造成水利工程渗漏的原因有很多，对于未发生的渗漏和破坏，现阶段的检测技术还做不到全面检测，在检测过程中存在较多的漏洞，在水利工程建筑已发生渗漏在检测中会出现波形不均匀的现象[6]。因此这一性质被渗透检测工作和防渗工作广泛应用，其主要过程：把实际考察检测的数据作为三维体数据，然后把三维体数据进行可视化，最后对可视化图形进行数据分析，使用分析数据作为渗漏检测工作的指导方针。

3.3 地下连续墙质量监测

在水利工程中，对于地下连续墙的质量检测主要以高频弹性脉冲波的波形记录作为依据。在湖区探测检查区域内不同的混凝土密实度参数后，将这些信息参数进行信息处理加工，然后通过三维可视化一起进行质量检测。这样不仅能够较为直观地进行地下连续墙的展示，而且可以通过形象直观的可视图进行地下墙的质量分析[7]。此项方法常用于堤防加固工程，主要方法是采用切槽混凝土对地下墙进行加固防渗处理，在处理后采用三维高密度电法对加固范围的地下墙进行质量检测，检测结果一般采用voxler软件进行三维可视化效果图的绘制，通过分析三维可视化效果图，得到质量良好的结果后进行存档，以便于下次堤坝维修。如果分析结果出现质量问题，则采用科学方法进行加固，以保证加固后的堤坝可以投入使用。

3.4 内部隐患监测

水利工程并不是某一项工程的具体表达，水闸工程、水库工程、堤防工程等工程都是水利工程，这些工程长期处于水流与堤岸间干湿交替的恶劣环境，不仅前期的施工建设难度大于陆地建设施工建设难度，而且因为水流的冲刷后期容易出现各种各样的问题，为了保证树立工程建筑的实际作用，在投入使用后要对其进行定期检修工作[8]。相较于传统检修工作耗费的巨大人力、物力，三维动态可视化技术这种以数据建模为技术的可视化技术不仅在检测结果的准确性方面有较大提高，而且有助于基础数据信息向标准涂层化信息的转变，这就是图层可视化的基本原理。与传统的基础图像可视化相比，图层可视化对于水利建筑内部的基础情况可以清晰展现，从而在检修工程中通过全面的水利工程基础信息进行针对性地加固或者维修，不仅可以合理解决内部隐患，而且增加了水利工程的使用寿命。

4 结束语

综上所述，三维动态可视化技术在水利工程专业中起着重要作用，其精确的数据模拟和逼真的场景呈现技术不仅极大地增加了用户体验感，而且提高了水利工程工作人员的工作效率，在保证水利建筑工程质量的同时为国家水利工程事业做出了较大帮助。由此可见，三维动态可视化技术作为可以提高工作效率的重要技术，一定会成为一个重要的研究方向。