基于GIS理论的水电工程三维设计新方法研究

2018-09-12赵永辉

中国水利 2018年16期

赵永辉

渊西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院袁850000袁拉萨冤

水电工程技术研究和应用一直是工程界关注的焦点。近年，随着我国经济技术和计算机软、硬件技术的快速发展，水电工程三维设计与可视化研究进入了全新发展时代。中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司首先开始了三维工程设计，并建立了三维设计团队。随后，长江勘测规划设计研究院、中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司、中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司等相继建立了三维设计平台。截至目前，国内各大设计院乃至地质队纷纷加入三维工程设计行列，提升了设计质量。三维工程设计的魅力在市政、道桥、铁路等行业同样受到青睐。

目前，主流的三维设计软件很多，如 UG、Pro/Engineer、IDEAS、Solid-Works、Inventor、CATIA、Civil 3D、Revit等。但是没有一款软件专门为水电工程三维设计量身打造，同时一些三维工程设计产品未能体现三维实景效果。本文通过分析众多地质软件的特色功能模块，并结合地质学理论知识，探索出一套基于GIS理论的水电工程三维设计新方法。

一、水电工程三维工程设计的必要性

众所周知，水电工程建设周期较长，需要经过决策、实施等阶段，参建方众多，包括业主方、设计方、施工方、监理方等。整个建设周期内，工程设计占据主导地位，其质量直接决定着整个工程的优劣。现行水电工程设计理念主要以二维图纸为主，施工方以二维设计图纸为依据在三维实体空间中进行施工作业。不难发现，从二维向三维转化的过程存在设计盲区，这也增加了施工阶段出现设计变更的可能。与交通工程、市政工程等比较，水电工程设计过程相对复杂，对最终设计质量要求较高。因此，水电工程设计技术革新势在必行，而加强水电工程三维设计不失为一条具有前瞻性的发展途径。通过分析已完工水电工程三维设计实例，其具有以下优越性：①水电工程三维设计作品形象直观，可视化程度极高，可从三维空间各个方位进行设计和观察，激发水工设计人员的创作灵感。②水电工程三维设计集合各个专业技术人员协同工作，极大地提高了设计质量和设计效率。③通过水电工程三维设计，业主、施工和监理能准确理解设计意图，有助于技术交底和经济方案必选。④水电工程三维设计还可进行后期数值模拟和渲染水电工程三维效果图。

二、某水电工程三维设计实例

勘察是设计的基础，水电工程三维设计也不例外。建立准确的三维地质模型是水电工程三维设计的重点和难点，如果没有三维地质模型，三维设计无从谈起。下面以西南某水电站三维设计为例，介绍整个设计流程，主要分三维地质建模和三维水工设计两个步骤详述。

1.三维地质建模

建立三维地质模型需要详实的基础地质数据。如果工程规模巨大，一般的工程地质测绘很难满足其要求。同时，为确保精度要求，现阶段三维地质建模数据主要来源于无人机航拍。但是受各方面条件制约，很多地区一般不易开展无人机航拍工作。因此，基于GIS理论，利用SRTM DEM数据和Google Earth影像数据完成了三维地质建模。

众所周知，SRTM DEM数据和Google Earth影像坐标系为WGS-84地理坐标系，其很容易转化为UTM（通用横轴墨卡托投影）投影坐标系。我国采用的坐标系主要为西安80坐标系和北京54坐标系（高斯—克吕格投影），以及最新的国家CGCS2000地理坐标系。以上坐标系差别较大，如果随意叠加数据，容易造成数据丢失或引起系统误差。因此，建模之前，所有数据必须统一坐标系。由于本次建模数据主要为SRTM DEM数据和Google Earth影像，因此选定UTM坐标系为统一坐标系。目前，实现各坐标系之间的数据转换并非难事，一般采用ArcGIS、Global mapper以及中国地质大学MapGIS和Section等。鉴于本次需要处理的SRTM DEM数据包含强大的地理信息，而Global mapper是专门为地理信息处理技术而生，可将DEM数据处理为不同格式的数据。本次GIS数据处理选用Global mapper，基于UTM坐标系，采用SRTM DEM数据生成间距为10m的等高线，以研究区四个角点处的地理坐标作为控制点，利用Global mapper准确地获取了研究区的等高线数据。

用AutoCAD打开截图的研究区等高线数据，可见其中包含多个图层，但我们并不需要全部数据。因此，对研究区SRTM数据添加闭合边界线，并进行彻底的数据过滤处理，将文件标注图层、属性图层全部清除，最后只留等高线数据。至此，即可使用该数据生成三维地质模型。目前，有两种方法可生产三维地质模型。具体如下：

（1）基于三维数据建立3D Surface地表模型

由于AutoCAD等高线数据无法直接建立3D Surface地表模型，且Auto CAD对等高线三维数据的提取功能相对复杂，可操作性较差。因此只能通过接口程序或者其他方式对AutoCAD等高线进行数据提取，然后保留其中的三维数据，删除其他数据。此时的三维数据存在行列方向上分布不均的可能，如果直接采用将会影响后期三维模型的表现力。因此，采用克里金插值法对保留的三维数据做必要处理，最后生成3D Surface模型。该方法便于生成三维地质模型，且色彩表达效果较强，但是不方便后期的水电工程三维设计，目前只处于三维地质模型阶段。如果能突破后期数据转换，将该格式的三维地质模型导入现存设计平台，将大大缩短三维设计周期。因此，有待研究人员进一步探索。

（2）利用等高线数据建立GOCAD Surface地表模型

本方法简单方便，不必生成三维地质数据，使用AutoCAD等高线数据即可完成。将AutoCAD过滤数据加载到GOCAD的Curve中，直接利用GOCAD生成Surface地表曲面模型，然后保存为CATIA可识别格式。

将上述CATIA可识别数据利用CATIA的DSE模块中的Export功能加载，生成CATIA地表模型。至此，完全可以基于CATIA三维设计平台，进行后期全面的三维水工、机电等方面的设计。同时，还可以借助CATIA三维模型进行三维数值计算与效果图制作。长江勘测规划设计研究院张德文、黄少华、胡瑞华等多位业内专家对此已经完成了多项研究，对国内三维设计的推广影响较大。但是，CATIA三维设计也存在一些不便之处，一方面，CATIA三维设计需要团队协同合作，个人很难完成高质量设计；另一方面，CATIA三维设计平台不是专门为水电工程设计量身打造，使用过程中需要数据接口程序，如钻孔数据的录入程序等，而接口开发难度相对较大，一般短期内不易实现。鉴于上述原因，通过分析各款软件的优势功能模块，又将CATIA地表模型加载至3D Max进行后期设计。

3D Max的强大在于其优秀的三维设计与渲染功能，为三维设计人员提供了一个完整的设计平台，帮助设计人员充分发挥设计灵感。3D Max地表数据模型加载成功后，可实现多种数据格式和视图方位间的切换，方便后期设计。具体可通过平面建模、修改、剪切等命令，在3D Max中得到三维地质模型的实体，然后为实体模型添加相应的材质和Google Earth二维图纸贴图，即得到研究区三维地质模型。

2.三维水工设计

就三维水电工程设计而言，3D Studio Max的优势毋庸置疑，但是缺点也显而易见，其并非为水电工程三维设计行业量身打造，难以建立复杂的三维地质模型。本例基于GIS理论，借助Global mapper、AutoCAD 等一系列软件协同工作，建立了工程区的三维地质模型。在此基础上，根据水电工程设计资料和设计人员的要求，3D Studio Max可完成几乎所有的后期任务。下面以重力坝和拱坝为例，分述采用3D Studio Max完成不同水电工程三维设计任务的具体步骤。

（1）三维重力坝模型

如果拟建电站大坝坝型为重力坝，三维设计人员可利用二维设计图纸、设计高程、坝轴线位置等一系列相关数据，在Max修改器的帮助下完成相应的三维重力坝模型。然后，将设计部件按图纸进行装配。最后，将其按设计要求与三维地质模型结合（见图 1）。

（2）三维拱坝模型

如果设计坝型为拱坝，设计流程与重力坝相同，按拱坝原始设计图纸建立相应的三维拱坝实体模型，然后将其与三维地质模型相结合，根据工程布置的需要，添加水电站启闭平台等其他模型，即可得到拱坝三维设计模型。

本例只介绍具有代表性的步骤，在实际水电工程三维设计中，还需实现水电站输水洞、溢洪道等整套水工构筑物三维设计。