三维可视化技术在水利水电建设中的应用

孙洪秀，田志刚

（青州市水利建筑总公司）

1 三维可视化平台的主要结构

三维可视化的结构主要由三维封装层、三维数据访问层、地理信息服务层、OpenGL 底层等构成，三维可视化技术在水利水电中的应用，以OpenGL 底层作为基础。平台软件中的基础三维平台包括工程建设管理与决策支持系统、水电运行管理与决策支持系统和环保水保管理系统等。三维数据的访问层为数据操作和空间的计算等提供了必要支撑。地理信息服务层的专业功能较多，即三维模型、植被、地形修改和淹没分析等，业务应用层能够对水利水电业务需求了解后进行有效制定和开发。

2 三维可视化技术在水利水电工程中的具体应用

三维可视化技术是借助三维空间的展示让人们了解到更多复杂数据，通过人机交互系统的辅助，为建设人员提供更多海量数据。

2.1 地理三维模式的应用，实现智慧决策功能

水利水电测绘人员根据具体的工作要求，获取重要数据信息，再根据这些数据信息建立流域地理信息模型，展示出高程变化、流域地形、河道信息等，测绘人员采用水流演进算法计算洪水演进和水位涨落，帮助管理人员根据汛限水位进行信息处理，让相关人员及时了解防汛中存在的不足和管理弱点，为开展指挥决策和做出防汛方案奠定基础。如图1所示：

图1 测绘数据的三维仿真系统

2.2 资产信息库的应用，形成资产信息的智能化查询

在水利工程和流域水电工程建设中，通过建立专门的资产信息库，降低资产浪费，强化资产管理效果。例如，施工人员根据设备列表对资产进行管理，设备信息与三维模型、信息库等进行对应后，可以了解设备台账信息。同时，施工人员利用资产信息库对信息库中存在的设备缺陷、图纸信息等进行管理，降低资源的浪费。

2.3 三维数字平台的利用，开展智能监视和巡察

传统的监视查询平台主要应用二维界面为主，操作人员在运用相关的系统对水利水电建设中的实际情况开展实时监督和把控。而三维数字平台中相关操作人员能够了解三维空间中的仪表设备和阀门设备等信息，通过提前设立想要巡查的线路提升工作效率，而一旦出现故障问题，操作人员应结合相关报警信息对实际中存在的问题进行检查，实现三维智能定位，全面掌握报警设备的信息。另外，相关操作人员还可以借助数字化平台观看现场视频，准确把握好现场实时信息，再对这些信息进行有效验证，实现对现场交叉性作业的有效监控。

2.4 3D可视化技术的运用，建立智能化施工现场

水利水电建设中操作人员结合3D可视化技术对水利水电施工现场的地形或者地上建筑物等建立数字化模型，能够真实反映出建设的情况、建筑物整体上的布局或者地基的开挖程度，数字化建模中还能够直接显示出填充的三维过程和更多有价值的信息，数字化建模的创建过程的流程如下所示。

①数字地形模型（DTM）收集地表点的空间坐标（X、Y、Z）和实际测绘中所收集到的各种物体的属性等，通过构建数据特征表示出征地物的模型特征。

②数字地形模型（DTM）还能够对所处的地形开展有效的充填和切割，而该模型主要是由三角形所构成，这些三角形的性质特征在角度、面积、海拔、坡度等方面都不同。

③通过建立施工系统的三维模型，以对实际中存在的情况进行展示和输出，保障该模型的可视化功能和构建三维GIS空间。

④广泛应用CAD图形建模技术。这一技术主要是借助CAD 软件建立系统，并且还可以运用鼠标对模型库进行绘制。

2.5 VR 技术的应用，构建三维数字化电厂

三维数字化电厂将厂房内的摄像头进行建模后，接入安全生产监控视频和门禁监控视频，掌握安全生产的情况有助于对现场状况进行实时监督和把控，其所发挥出的重要优势如表1所示。

表1 VR技术的应用的优势

3 工程实例的分析

以某省水利枢纽为研究对象，该项目是我国重要的水利工程之一，总体预算达到31亿元，开工建设的时间是在2013年，大坝的长度498m，高度48m，正常的蓄水位在56m左右。

3.1 水工建筑物三维模型的构建

该水坝工程对水工建筑物的位置和建筑物形体等都进行了提前设计，并在设计中对三维模型予以高度重视。首先，三维模型在设计时，需要对建筑物的基本信息进行全面获取，然后再对信息进行分析和提取。建筑物典型断面的相关信息，其水工建筑模型需要与平面图像几何尺寸保持一致，导入3DsMax，对实体对象进行任意的旋转、平移和组合、计算。在获取三维实体模型后，根据不同建筑物特征，选择好对应材质后，对模型开展贴图处理，进而设计出三维实体模型。

3.2 获取真实场景

水利水电建设时，施工人员应第一时间了解到该水坝工程的情况，通过在现场布置大量视频监控摄像头，对图像开展有效传输，然后在相匹配的图像传输系统中，利用摄像头，展示施工建设的全貌，帮助施工人员全面观察，提前做好各项施工准备工作，降低各项事故的发生几率，提升工作效率和保障整体施工进度。

3.3 注册相应的硬件相机

施工人员将摄像头安装在RT‐GPS上，通过设置好相关参数，注册相机。借助相机展示虚拟场景，帮助施工人员开展各个环节的施工，从而了解到施工中可能存在的风险，及时对问题进行解决，保障施工的进度和速度。

3.4 借助AR技术搭建可视化工程

虚拟相机在注册之后，能够对建筑物的影像进行直接利用，将虚拟的建筑模型与真实施工图像放在一个空间内，将真实场景与建筑图像重叠在一起，直接反映虚拟物体在空间上的关系，使现实效果得到提升。另外，设计人员在对两张图像每个像素进行辨认后，确保虚拟物体能够在真实场景中进行有效重叠，当出现真实的场景成像点后，将其作为虚拟成像点。

3.5 仿真培训

流域梯级水电在运行过程中，主要采用集控中心的方法进行把控，但是由于之前该电站只对监控的对象予以把控，这就导致监控的效果差强人意。但是，在水利建设工程中，通过仿真培训，借助三维可视化技术，能够增强该水电站工作人员的操作能力，提升监控效果。

4 结语

三维可视化技术应用到水利水电工程中，帮助施工人员拥有更多可以利用的资源和信息，提升施工效率。三维可视化技术中的图像从二维技术向三维技术转变，展现出更加清晰的图像画面，能够为各项决策提供重要依据，提升管理力度，保障各项管理工作有条理。三维可视化技术会使水利水电工程的建设趋于数字化和可视化、智能化发展，从而实现水利水电工程的可持续发展。