基于三维仿真的河道修防技术育训场景构建

金斌斌， 周向东，徐朝辉，徐伊丽

(1.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231；2.河海大学，江苏 南京 210098；3.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210098)

目前，全国建有河道堤防43万km，是保江河安澜、惠民生福祉的重要水利工程。水利部全面推行河湖长制，夯实流域统筹、上下协同、专兼联动的河湖管理保护格局。但基层河道管护人员专业能力参差不齐，亟待推进河道修防技术教学培训，全面提升河道管理水平。

因工程的特殊性，很多河道修防技术难以开展实践教学，影响教学效果：①部分河道工程结构投入运行后即掩埋在地下、淹没于水中，现场教学不能窥其全貌、难以上手操作；②随水文、气象等条件变化，河道修防内容、方法、手段有所不同，教学周期无法覆盖全部内容；③防汛演练需耗费大量的人力、物力，无法常态化训练；④管涌、滑坡、溃坝等险情处理因涉及工程和人民生命财产安全，在现实工程中不允许出现、出现即处理，险情排查和抢护训练想做做不了。

三维仿真技术在计算机中构建虚拟逼真的工作条件和场景，通过沉浸式工作体验、情境式交互操作，满足安全、经济、开放的实践教育需求，为河道修防教学培训提供新思路[1- 5]。使用者是否能产生身临其境地的真实感，是河道修防技术虚拟仿真育训系统成功与否的关键，其主要载体是三维仿真场景的构建。

1 河道修防技术育训场景设计

选取一条地形地貌、水文地质条件和河道堤防结构型式相对丰富的河道作为基底模型，构建基于真实数据的三维仿真场景。采用替换堤防结构型式、嫁接河道支流的方式，在基底模型中植入典型堤防结构和护岸，虚实结合，形成涵盖上、中、下游，分段呈现山区河道、平原河道和滨海河道，郊区河道和城市河网特点，能较全面反映河道堤防类型、承载河道修防技术实战演练并融入理论知识学习的河道修防技术综合育训场景。采用地图形式全局浏览整个河道工程，并利用键盘、鼠标、VR手柄等辅助设备自由切换河段，实现空间跳转。

1.1 河道漫游与认知模块

根据真实河道数据，等比例建立河道堤防三维全景模型。支持天空鸟瞰和地面漫游模式，浏览工程全景，学习工程规模、特点、适用条件等；360度旋转查看、任意位置剖析工程结构断面，分离堤身、堤顶、堤肩、堤坡、堤脚、地基各构件，配合工程图纸、实景图片等，将晦涩难懂的工程图纸具象化，满足工程结构漫游认知和工程图纸识读的教学需求。

1.2 河湖管护技能训练模块

按照河道修防初级工、中级工、高级工、技师、高级技师五级工种的技能要求，开发工程运行检查、工程观测、工程养护、工程维修、险情排查与抢险五大工作任务的训练场景[6]。进行工作流程、操作步骤和技术要点的分解，模拟对工具、机具、维修养护和抢险物质材料、标准化管理表单填写等的人机交互操作；设置工程险情特征参数，随时间推移动态呈现险情变化，凸显抢险实训的真实性与合理性。

1.3 河道洪水数字化演练模块

在不同降雨量时，数字化呈现河道纵、横断面的水位、流量等洪水要素。洪水要素要与经验法或数值分析计算结果对接，动态呈现水文站的观测数据变化、河道岸坡水位直观等，并与工程险情联动变化。

2 三维仿真场景建模技术

2.1 BIM设计建模技术

应用BIM(Building Information Modeling)技术构建的模型具有良好的数据可视化(将三维立体的建筑物呈现给使用者)和优秀的操作协调性(可多人同步对模型进行沟通协调和交互)[7- 8]，是构建河道修防场景中水利工程建筑物模型的关键技术，也可模拟现实世界中真实发生但是难以操作的复杂场景，如洪涝灾害发生时的处置等。BIM建模常用的工具软件根据其首字母，常被简称为A、B、C平台。

(1)A平台(Autodesk)：美国欧特克公司研发的一系列服务于BIM建模的软件，常用于水利工程建模的有：构建大场景场地、曲面的AutoCAD Civil 3D，构建水闸、涵洞、泵站等水工建筑物的Autodesk Revit，用于场景模型和建筑物模型集成的InfraWork。

(2)B平台(Bentley)：美国Bentley软件公司针对基础设施建设领域研发的，在同一平台集成建模、管理、协同、出图等工程建设领域各环节操作功能的整体解决方案。

(3)C平台(CATIA)：法国达索公司针对航空航天领域研发的以协同设计、高精度分析模拟为特点的BIM建模软件。

根据河道修防三维场景的需求和本项目注重模型构建、对分析计算要求不高的特点，结合今后推进双创工作对易用性的要求，选择A平台作为模型构建基础平台软件。

2.2 倾斜摄影实景建模技术

倾斜摄影是通过无人机多角度航拍采集影像，获取地物的外观、坐标、尺寸等属性数据，用Context Capture等软件快速建立三维实景模型的技术[9- 10]。该技术真实还原了地物之间的空间位置关系和纹理特征[11]，可实现高精度的基于实景的三维虚拟空间场景构建。但因采用的是摄影影像信息，只能构建表面模型，且当地物被遮挡或处于拍摄视角时会出现模型缺失现象。

2.3 3D MAX虚拟仿真建模技术

3D MAX(3D Studio Max)是Autodesk公司发布的三维造型和动画制作软件[12]。3D MAX能建立建筑、人物、环境等模型，通过数据处理、构建白模和贴图渲染，为制作动画和人机交互操作提供载体。

3 河道修防技术育训场景综合构建方案与实现

根据模块功能需求、模型数据来源和数据特点不同，选用不同的三维仿真建模技术，综合构建河道修防技术育训模型，配合Unity 3d，完成场景渲染烘培和实时人机交互功能开发。

3.1 河道堤防工程和附属工程建筑物构建

河道堤防工程和附属工程建筑物的建模数据，来自于实际工程设计资料，包括地质勘察资料、地形测绘数据、工程水文资料、工程结构设计图纸等。用Civil 3D将地质勘察资料和地形测绘数据转换成地层三维模型和地表等高线模型，导入Revit软件，与上部工程建筑物一起，构建形成建筑物综合模型。在河道结构认知模块中，以BIM模型存在；在其他虚拟仿真场景中，从BIM模型中提取关键数据，用3D MAX进行轻量化处理，以提高使用体验感。

表1 三大BIM建模平台优劣势对比分析表

图1 工程地质和工程建筑物建模

图2 工程周边地貌和环境建模

3.2 工程周边地貌和环境场景构建

对于工程设计范围外的山体、房屋等，以外观展现为主。采用倾斜摄影获取影像数据，Context Capture软件进行数据、影像和点云匹配，建立工程环境白模；进行数据筛选，做轻量化处理后，用3D MAX渲染形成工程周边地貌和环境。对遮挡等原因导致大模型表面缺失的，进行模型修复。

3.3 场内其他人、材、物场景构建

工具、机具、维修养护和抢险物质材料、工程标准化管理表单等物件，与操作者互动的场景内人物等，3D MAX 直接虚拟建模。根据河道修防业务内容，采用Unity实现三维动画可视、可操作。

4 结语

利用不同建模技术的优势和适用条件，融合构建基于三维仿真的河道修防技术育训场景，实现了数据的有效性、场景的可视性、技术的可操作性。可破解传统河道修防技术教学与培训中存在的时空受限问题，创新可反复学习、反复操练、远程训练的教学培训手段，服务水利行业一线河湖管护技术人员的培养，切实提高河道修防技术人员的培养质量。本场景的搭建思路还可用于河道数字孪生建设，实施水利数字化、智慧化、精细化管理。