基于多要素控制的水利水电工程三维建模技术分析

徐杰

【摘要】通过开发水利水电工程防洪预警的三维虚拟仿真平台，在计算机中将整个沙溪流域以及周边的情况模拟出来，利用DEM数据、遥感影像数据等资料采用Terra Vista软件对沙溪流域内的地形地物进行建模，建立三维可视化平台，实时显示流域内水库的蓄水量以及洪水的演进过程，以提高防洪决策的科学性和效率，进而为流域内的防洪调度提供良好的虚拟平台。

【关键词】水利水电工程；三维建模；多要素控制；虚拟仿真平台

引言

三维地质建模是将地下三维空间中的各种地质数据信息，综合起来建立的三维定量模型。地质数据具有多时态、多量和多维度的特征，其建模的精确度一直是国内外关注的重点问题。因此如何增加辅助的数据确保建模的精确度是本文研究的主要问题。以工程复杂的水电工程的地质数据为例，通过其他地质建模的成功经验为本文的三维建模提供参考的价值。

1、流域概况

沙溪作为三明市最大的河流，是闽江的发源，全长为328公里，流域内面积为10267m2。各级的支流为99条，其中西溪、罗口溪、嵩口溪、罗丰溪、文川溪、巴溪、胡贡溪、渔塘溪、东溪（沙县）、豆士溪集雨面积超过了300平方千米。沙溪流域内全年降水丰沛，平均年降水量在1650-1800mm之间，在4-6月和7-9月春夏之交冷暖气团和东南沿海台风的影响造成洪涝灾害频发，洪水流量大、历时长，从起涨到落平一般约3-5天。目前沙溪流域内建立了安砂水库，水库控制流域的面积为5184km2，水库总库容7.4亿立方米，为沙溪流域内的防洪防汛提供了安全保障。近年来随着三明市经济社会的发展，沙溪流域内的地形和植被遭受了很大的破坏，导致流域内的气象水文呈现特征性的改变，沙溪流域内面临着严峻的洪涝灾害形势，给人民的财产安全造成了极大的威胁。因此急需对三明市沙溪流域内的情况进行实时的监测，提高防洪防汛工作的有效性。

2、软件平台与开发工具

可采用Terra Vista3.0软件进行地形建模，地物建模采用Multistage Creator2.5软件进行，三维建模的存储采用Open Flight格式文件。采用OPen GVS4.5完成三维场景的驱动。整个系统的开发采用Visua C++6.0。流域内的具体地物包括桥梁、闸门以及建筑物等，采用Open GL对流域内的水流进行动态的模拟，完成函数的计算。

2.1 仿真数据库以及三维可视化平台。三维虚拟仿真平台的开发以数据库作为基础，可以采用空间数据库和属性数据库两种形式对沙溪流域内的防洪预警进行三维虚拟仿真。空间数据库能够存储流域范围内三维地形和地物的模拟，而属性数据库能够将流域内的流量数据、水位以及遥感影像等以文字、图片和视频的方式进行存储，并且以此为依据，作为流域内防洪防汛预警信息的评估依据。首先将沙溪流域内的地形以1：50000的等高线数据和遥感影像进行定位的建模，获取标准的矢量数据。为了将河网水系和蓄洪区的水流进行动态的演进，可对流域内的地形和河道等进行三角网的加密，并且将其嵌入到地形中，形成镶嵌式的结构模型。地形的建模采用Terra Vista3.0来完成，集合其DEM、遥感影像和各种的矢量数据生成三维模型。从宏观上将流域内的地形形态反映出来，微观上以矢量数据为支撑获取流域内的细节地形状况，进而生成比较逼真的场景。按照流域内地物的重要程度，可以分为普通的建模和典型的建模。普通实体的建模主要有流域内的道路、建筑物以及标志牌等，能够在软件中提供点线面的矢量数据，并将对应的实体等模拟出来。典型建模主要是针对流域内具有重要性和代表性的水利设施和建筑物等进行建模，如堤坝、水文站、大坝等，这些水利设施的模拟可以采用Creator软件进行精细化的建模，建成后标注相应的地理位置信息。

2.2 视景数据库的存储。视景数据库的存储能够生成三维的图像景观，并且非常的精确可靠。Open flight格式的文件能够根据地物的几何构造建成三维模型，进而构建成不同的三角面，完成不同面的组合，最后构造成完整的形体。Open flight格式能够存储三维实体显示的相关信息，如颜色、文理等，这些信息能够增强模型的真实感，能够根据模型的性质便于控制。按照层次化的结构，视景数据库能够进行有效的组合和管理，便于仿真应用程序对场景的真实渲染。

2.3 三维可视化平台的建立。三维可视化平台的建立需要在计算机上将三维的场景和地形进行真实的演示，将流域内各种信息资源进行有效的整合和表现。采用图形工作站建立沙溪流域内的防洪预警三维仿真平台，采用VisualC++进行开发，由初始化的程序、图形信息的集中显示以及程序的安装和卸载三个部分构成三维可视化平台的控制程序。

3、防洪预警平台的功能以及应用

3.1 淹没分析。本研究通过DEM建模计算实现某一点有实测淹没水深的区域进行淹没范围的分析和计算，同时在地图上可以选定一个点将该点的经纬度输入，设定淹没水深，系统能够自动生成淹没的范围和面积。沙溪流域采用二维水动力学分析，将洪水演进的过程以及淹没的范围和水深的分布等情况显示出来，根据这些数据将堤坝内的蓄水量计算出来。流域内三维可视化系统能够真实的表达三维空间的具体情况，真实的反应流域内的地形和地貌，并且为数字模型的计算提供科学的数据。将水电站洪水演进过程中的淹没范围、水深分布以及流速大小通过三维可视化虚拟仿真平台演示出来，根据提供的这些实时参数，能够计算出对应时刻水电站的蓄水量，从而为削减沙溪流域洪峰提供正确的依据。

3.2 灾情评估。通过淹没以及洪水演进过程确定洪水的影响范围，通过对流域内土地利用、人口分布等信息的叠加分析，能够将流域内受影响的淹没面积以及人口等详细的信息显示出来。收集流域内DEM、遥感影像以及實时水情等数据，并进行综合的分析和处理，可用于对流域内淹没的范围、洪水演进以及灾情情况进行具体的评估，并且采用模拟软件构建流域内的大场景，综合开发流域内防汛空间展示与分析、数据服务等功能，为沙溪流域的防汛提供辅助。

4、结语

本文以沙溪流域内的防洪防汛为研究实例，利用计算机技术和三维仿真技术构建流域内的数字信息，对流域内的防洪相关信息进行实时的数据监测和洪水预报，构建虚拟化的模型和可视化的平台，为三明的防汛决策提供科学的数据支持。