水利水电工程三维可视化技术与应用研究

李青常

（日照市兴源水务有限公司，山东 日照276803）

在水利水电工程中，通过快速构建三维建模能够有效提高工程质量。对于可视化技术而言，作为知识覆盖面极为广泛的新兴技术，能够在工程建模领域中发挥出非常重要的作用，提高工程人员接收数据信息时的效果与质量。因此，有必要对水利水电工程中的三维可视化技术进行研究。

1 三维可视化技术综述

可视化技术就是针对人类大脑中某种图像的心智处理过程，通过可视化技术能够将计算机中的数字信号进行转换，并形成图形以及图像，从而让使用者能够更加直观地进行观察，了解到以往无法真正看到的事物。而且通过可视化技术还能够完成视觉交互，因此可视化技术的核心内容便是原始数据信息的高速转化以及可视化建模。图1 为可视化过程图。

图1 可视化建模流程图

在可视化技术中，以计算机可视化为核心的三维可视化可以利用三维的方式对客观事物进行准确判断，因此在科学领域中能够发挥出非常重要的作用。三维可视化建模在使用过程中，可以为对应学科提供非常多的帮助。比如在交通运输、建筑工程等领域，通过三维可视化能够为决策者提供数据信息上的支持，从而让决策风险降低。而在动画设计中利用三维可视化，则能够有效提高视觉冲击力，从而提高动画口碑。因为三维可视化自身具有的泛用性，所以同样能够在水利水电工程中发挥出自身应有的作用，从而有效提高工程质量。

2 水利水电工程建模思路分析

从建模角度出发，模型的层次划分其本质就是通过物理与仿真质量来得到体现的。在水利水电工程中，因为建筑物的种类多种多样，所以物理构成具有非常大的差别，在划分阶段中，应该结合使用的基本原则专门针对特定的具体系统来作出规定，以下三种原则属于基本原则：第一，模型层次。在建模过程中，模块属于组成系统的核心，是一种能够组成复杂系统且无法继续分解的子系统。在各种模块中，上层模块作为主要成分，是通过元素、底层模块构成的，而存在于最上层的模块便是系统模型。所以在针对系统进行模块划分时，需要针对模块做出细致分解，并在划分过程中考虑到各个模块相互之间的关系与连接性。第二，模块基础。在模块划分时，可以将独立设备作为模块基础。第三，独立性。模块自身必须具备独立性，即具有可以针对模块开展特性描述的部件方程，而且模块在经过计算后，其所有流程都应该归纳到程序中[1]。图2 为可视化过程模型。

图2 可视化过程模型

在工程开展实体建模时，其主要方式通常可以分为如下几种：第一，空间分割。通过将简单物体进行粘合后，就可以产生全新的构造体，其中能够粘合的物体是基本体素，基本体素正是建模中的基础。第二，实体几何方式。实体几何其原理与空间分割的方式大体相同，即利用工程实体来完成体素组合的构建，但是几何方式使用中往往需要开展更加复杂的计算。第三，边界表示。无论工程实体如何都需要与边界始终保持对应关系，因此通过描述实体边界便能够表达出实体的含义。水利水电工程中的建模模型通常可以分为几何、形象建模以及三维显示。建模期间需要将GIS 作为开发平台，然后结合CAD 等软件，最终形成三维建模。

3 水利枢纽几何建模技术分析

在开展几何建模时，需要结合实体特征点数据来得出法向量并生成三位几何模型，在水利水电工程中可以结合不同类型的建筑来使用不同的建模方式，以此来完成三维仿真模型的构建。

3.1 简单建筑的三维模型

在大比例尺的环境下，房屋以及圆形管道建模属于较为简单的建筑三维建模，例如在房屋建模中三维建模就是由屋顶面以及外墙形成的简单模型。而圆形管道模型则是由外壁、开关闸两者结合而成的简单模型[2]。

3.2 同高程水域平面模型

对面状水系要素通常会具有明确的边界条件，而且其可视范围内的高程值几乎并不会出现变化。除此之外，还可以水平面看作高程平面，并且平面对比时间范围将会更大，多余的位置因为能够被地形覆盖，所以模型可以保证与地形之间相吻合。

3.3 复杂三维实体构造

复杂三维实体模型在构建过程中，必须结合各类商业软件才能够保证模型质量。灵活使用建模工具可以通过各种文件类型完成数据信息的交换，并且在于GIS 软件几何使用后便能够将文件中的模型剖分成为空间三角网，此时通过将数据信息按照比例、角度进行平移、旋转，便可以在空间坐标系中实现定位。图3 为水利工程三维建模。

图3 水利工程三维建模

3.3.1 参数化实体建模

参数化实体建模就是通过将几何关系重新组合，然后利用数据参数对特征部件进行控制的几何模型。在开展模型设计时，可以通过代数方程来合理实现约束，通过代数方程能够把模型中的几何形状重新定义成为特征点，其中约束则属于特征点中的各种坐标，并且特征点还可以在建模期间当作变元。而且约束模型还能够在体现出几何信息的同时表现约束关系。通常情况下，结构、尺寸约束是最为常见的几何约束形式，其中结构约束属于隐式条件，因此并不能当作变动对象。然而尺寸约束则可以在使用中确定不同几何元素相互之间的位置情况，因此能够在建模期间作为变动对象。在开展参数化设计时，可以将变化参数几何模型当作设计核心，以此来保证参数设计质量。

在对水利水电工程中的溢洪道、道路进行三维建模时，可以利用参数化建模来构建模型。在构建模型期间需要优先定义全局以及局部变量信息，其中全局变量的主要作用就是让实体中所有部分都能够及时对变化进行响应。而局部变量则只能够针对指定部分进行控制。在开展程序编写时，需要调动属性参数来确定控制点以及形体参数，然后结合绘图函数来完成模型拟建。在进行建模时，如果设计方案中途产生了变化，则只需要通过对全局、局部变量进行适当调整，然后重新生产几何模型便可以完成建模[3]。

3.3.2 特征建模

特征建模在使用过程中，需要结合预定义特征并在系统内形成特征库与分类，然后形成具有层次化的结构。在设计期间用户需要结合实际需求输入特征，然后加入约束来完成模型的构建与求解。通常情况下，特征建模可以在主体工程建筑中得到使用，例如引水洞、导流洞就可以通过特征建模的方式来实现可视化建模。在模型设计期间需要结合实际形状特征来完成分类，然后根据特征构建特征模型库，并编写子程序，子程序所利用的关键点会根据隧洞类型的改变而出现变化。在绘制隧洞模型时，通过输入其相对应的尺寸参数调动对应特征中的子程序，便能够成功构建出该段落的实体模型。通过对具有相关特征的模型进行组合后，就可以得到最终的实体模型。例如在面对洞型隧洞时，就可以将其对应的子程序调用出来，在输入各项控制参数后，程序便可以自动生成对应的隧洞模型。除此之外，附属建筑物模型的作用是营造出虚拟环境，强化模型效果，这部分建筑物虽然并没有固定的位置与尺寸，但是同样可以利用特征建模的方式来完成可视化模型的构建。

总而言之，在水利水电工程中三维可视化建模的重要性毋庸置疑。通过三维可视化建模技术不仅能够提高水利水电工程质量，还能够提前了解工程开展时需要注意的问题，从而提高工程安全性。