三维技术在国内水利行业的应用现状分析

王学军，李炳，孙秀国

（1.济南市南水北调工程建设管理局，山东济南 250000；2.济南市水利建筑勘测设计研究院，山东济南 250014）

三维技术在国内水利行业的应用现状分析

王学军1，李炳2，孙秀国2

（1.济南市南水北调工程建设管理局，山东济南 250000；2.济南市水利建筑勘测设计研究院，山东济南 250014）

首先提出三维技术目前在工程管理中应用，对比GIS技术和VR技术，提出GIS技术主要侧重在全局的分析、决策层面，可应用在防洪、防灾、数字流域等层面，VR技术主要侧重在效果逼真的、精细化业务管理层面，可应用在工程建设管理、工程运行维护管理、安全应急培训、技能培训等具体业务上；在此基础上，笔者预测虚拟现实技术（VR技术）在水量水质监测、安全生产、信息化与自动化管理、工程运行维护等方面将会具有巨大的应用空间。

三维技术；地理信息技术；虚拟现实技术；水利现代化

三维技术是将关注的对象以三维立体的形式呈现，提供直观化的辅助手段，方便工作人员进行相关的分析、决策、管理等业务。近年来，在大力发展水利事业的背景下，在实现水利现代化的进程中，三维技术在水利行业得到了广泛应用。从技术层面上看，主要分为地理信息技术（GIS技术）和虚拟现实技术（VR技术）。

1 地理信息系统（GIS）及水利应用

地理信息系统（Geographic Information System或Geo－Informationsystem，GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”，是一种特定的十分重要的空间信息系统，是在计算机硬、软件系统的支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

地理信息系统以其对大范围区域展示和地表真实再现的特性，广泛应用在水利的分析决策系统上。如，滦河流域水库群联合调度三维展示平台是基于Skyline软件设计的，主要实现三维信息的展示、查询、空间数据分析、洪水演进、淹没分析等功能；辽宁水利工程三维地理信息管理系统项目基于EV-Globe三维地理信息平台，集成全省水利工程数据、水利矢量地图、三维模型，可为辽宁省防汛提供全省三维地理信息模拟实况，并可利用卫星雷达信息数据展示灾后实际灾情状况，为辽宁省防汛减灾提供及时准确的资料。此外，大型灌区水利工程设施通常分布在广阔的地域上，传统的基于台账和纸质地图的管理方式，对水利工程设施空间分布的信息缺乏足够的表现力，灌区工情GIS技术的应用，将整个工程信息通过电子地图的方式进行展示，能直观、形象地完成灌区工程设施的管理工作。

2 虚拟现实技术（VR技术）及水利应用

虚拟现实技术是以三维图形技术为基础，结合多媒体、主体视觉、传感技术等技术创造出一个让人身临其境的虚拟世界。虚拟现实技术具有3个基本特征——可用3个“I”表示：沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、构想（Imagination）。其中沉浸感是指用户和计算机的交互方式是自然的，就像现实中人与自然交互一样，完全沉浸在通过计算机所创建的虚拟环境中；交互性是指在虚拟现实系统中，用户不再是被动地接受计算机所给予的信息或者是旁观者，而能够使用交互输入设备来操控虚拟物体，以使虚拟世界发生改变。构想是指用户利用虚拟现实系统可以从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而深化概念和萌发新意。目前，基于虚拟现实技术的水利三维应用项目大多还处于研究阶段或初级阶段。

华北水利水电学院的硕士论文基于Unity3D的南水北调三维场景漫游系统，完成了南水北调中线工程中保定市l段设计单元的基本场景漫游展示，并尝试将系统与数据库连接，进行数据展示和查询。天津大学的硕士论文水利工程三维可视化仿真系统真实感实现，采用Visual Studio 2008开发工具，Qt实现界面开发，以三维图形开发应用库OSG为基础，利用C++语言编程实现了“引汉济渭”水利工程可视化仿真系统，主要解决三维显示的真实感实现问题。

3 两种技术的比较

文章从两种技术的费用成本、应用的深度挖掘、集成性、扩展性、灵活性等方面进行了综合比较。

1）GIS技术应用模式主要是以成熟软件进行二次开发。从成本上讲，首先需要购买GIS软件，目前主流GIS软件价格都在十几万至几十万间，费用较高，VR技术的核心是三维引擎，目前有逐步开源的趋势，像UE4、Unity3D相继推出了免费版本，收费版本每个月也就十几美元。

2）应用的深度挖掘上，GIS技术局限于软件架构，只能是和地理信息应用相关，无法进行虚拟角色在场景漫游、添加天气特效、进行协同作业模拟等。VR技术不仅能使地理信息三维再现，更能够在三维场景中进行漫游、特效处理、协同作用、运行模拟等，其在应用的深度挖掘上不存在瓶颈。

3）集成性、扩展性、灵活性上，GIS技术局限于软件架构，集成性、扩展性、灵活性上受软件架构影响较大。VR技术大多是开源的，或采用跨平台的组件技术，集成性、扩展性、灵活性上优势明显，可灵活地进行关系数据库、实时数据库的集成；可进行业务功能的扩展，不仅能够进行三维静态管理，也可以进行三维动态管理；可灵活地进行应用部署。

综合以上对两种技术的比较，GIS技术主要侧重在全局的分析、决策层面，可应用在防洪、防灾、数字流域等层面。VR技术主要侧重在效果逼真的、精细化业务管理层面，可用在工程建设管理、工程运行维护管理、安全应急培训、技能培训等具体业务上。

4 发展趋势

山东省水利厅党组高度重视现代水网建设，明确提出要以工程建设为主抓手，加快推进山东水利现代化进程。在此背景下，济南市大力发展水利工程基础建设，近几年，已完成或正在进行的就有多项市级重点工程，如玉符河卧虎山水库输水工程、田山灌区与济平干渠连通工程等。这些水利工程的特点就是以连通多种水源、多条输水干线为目标，实现跨区域、多路径调水。这些水利工程建成后，怎样利用现代最新技术手段进行安全生产、信息化与自动化调度、水量水质监测、工程运行维护等运行、技术、经营等方面的高效率、低成本、高效益管理成为当务之急。

安全生产、信息化与自动化管理、水量水质监测、工程运行维护等都属于具体的业务范畴，采用某种信息化手段辅助这些具体业务管理时，随着与业务不断结合，会不断有新的业务需求提出，这就要求采用的信息化手段具备与具体业务深度融合的潜能。随着业务的深入，在三维再现的基础上，不仅需要关联各类关系数据库和实时数据库，而且还需要多种形式满足安全生产、自动化管理、工程运行维护等业务，如设置事故状态进行应急处置模拟、基于三维画面的自动控制、运行维护业务技能培训等。济南市南水北调工程建设管理局在玉符河卧虎水库输水工程中进行了实践，将30 km长的输水线路，包括泵站、管道、闸阀等，全部建立了三维可视化模型，并按照管理需求将工程动态信息管理、风险点控制、安全预警、安全管理标准化及演练、操作培训、场景地图等与三维模型结合，建立了三维可视化管理平台，使管理参与者达到“身在其中”的效果。

[1]邱林，等.滦河流域水库群联合调度及三维仿真[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[2]王冉.基于Unity 3D的南水北调三维场景漫游系统[D].河南：华北水利水电学院，2012.

[3]魏莹.水利工程三维可视化仿真系统真实感实现[D].天津：天津大学，2012.

（责任编辑 崔春梅）

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1009-6159（2016）-11-0003-02

王学军(1968—)，男，高级政工师