三维仿真技术在黔中水利枢纽工程水资源调度中的应用

王 芳，蒋 聪

(贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵阳 550002)

0 引 言

随着计算机动画技术、传感技术、三维立体建模以及“3S”技术的快速发展，三维仿真技术的应用需求也越来越大。三维仿真技术是运用计算机结合三维GIS对系统模型进行科学模拟的实践，它具有经济、可靠、实用、安全、灵活等众多优点，已经在安全工程、土木工程、岩土工程、防灾工程、工程项目招投标等工程中有了广泛的应用。

黔中水利枢纽工程是贵州首个大型跨地区、跨流域长距离调水工程,是西部大开发标志性工程,也是贵州水利“十一五”规划的龙头项目。工程分两期建设,一期工程解决黔中主要灌区的农灌用水、县乡镇供水、人畜饮水和贵阳缺水问题。黔中水利枢纽工程是一个复杂的系统工程，涉及到防洪、发电、灌溉、引水及供水各项兴利功能中的各种水工建筑物。以往的水利水电工程运行一般只体现在2D平面图和剖面图等形式，不够形象、直观。

文章通过三维GIS模块，结合黔中水利枢纽一期工程计算机网络、综合信息化、软件系统，建设调度中心三维仿真平台模型，实现了复杂的黔中水利枢纽工程运行状态的动态三维仿真，为现场技术人员的操作提供了简便直观的手段。

1 技术路线

构件化(组件化)集成开发策略主要是实现业务逻辑的组件化开发，采用接口方式整合公共业务支撑平台，降低各个业务系统之间的耦合，方便各系统之间的拆分与组合，或者扩展；实现图形化配置工具，灵活的配置管理，操作简单方便，易于维护等。

三维基础平台通过组件化模块组成，该平台需支持数据总线(ESB)技术实现业务服务和渠道服务的统一管理、统一配置、统一维护。提供基础的框架服务，自身具备系统管理、机构管理等可重用的功能模块，通过该平台可自动生成框架代码，封装完善代码方法的标签，提高开发效率。实现构件化、积木式的规模化软件生产方式。简化了软件开发的复杂度，降低了对开发人员技术多元化的要求，大大缩短了开发周期。提供可视化的界面需求原型设计，实现用户需求快速准确的采集，并迅速生成软件界面原型，同时界面原型的代码可以为后期开发提供基础，提高用户需求的准确性，同时还减少了写代码的工作量。具有跨操作系统、跨数据库、跨应用服务器、跨浏览器的特性，确保业务系统的稳定和安全运行。针对简单有规则的功能，平台实现自动生成与可配置的方式开发。针对复杂界面需求的功能，保留高度的自定义性，以满足不同类型产品的需求，见图1。

图1 技术路线图

2 平台系统结构

结合“贵州省黔中水利枢纽一期工程计算机网络、综合信息化、软件系统”项目建设单位的实际需求，建设调度中心三维仿真系统，包括系统的设计、开发、安装调试、试运行，并且针对三维仿真系统提供技术培训和维护服务。所开发的虚拟仿真系统以遥感影像和三维倾斜摄影数据为基础底图，以三维全景展示黔中水利枢纽工程，该调度中心三维仿真建设内容主要包括：

1)720全景图拍摄。利用无人机拍摄黔中水利枢纽工程区域范围内拍摄水源地平寨水库(库区、营房、平寨电站、渠首电站)、桂家湖水库、革寨水库(水库，1#、2#泵站)、凯掌水库、高寨水库、干渠重要节点水闸等重要区域空中720度全景图，获取重要水利工程现场实时图景，辅助日常管理及指挥决策情境下掌握现场真实的场景等工程120个全景点。

2)低空遥感航飞影像采集(倾斜摄影三维拍摄)。低空遥感航飞影像采集也即倾斜摄影三维拍摄，主要工作是100平方功能区域的数字航空摄影，该100平方功能区域包括两部分：四个水库共10平方公里；渠道线路总长约150公里，拍摄宽度0.6公里，共计90平方公里。

3)真三维建模。对工程调蓄水库，主体工程建筑物、相关土建工程建筑物、附属工程建筑物、泄水建筑物、大坝、电站厂房以及其他附属设施，以及干渠重要节制闸进行带有准确地理空间坐标的三维建模，具体建设范围包括：对水源地平寨水库(取水闸室、溢洪道闸室)、革寨水库(6孔泄洪闸、革寨2#泵站)等工程三维建模，通过真三维建模技术获取建筑物准确模型，辅助用户直观、形象了解水利工程的实况。

4)倾斜摄影三维建模。倾斜摄影三维建模，数据生产工艺基于航空摄影测量技术，提供多种测绘成果，并将机载多角度倾斜摄影数据与机载激光扫描(LiDAR)数据集成，通过真三维模型自动构建技术，得到真实、完整、一致和可量测的真三维黔中水利枢纽工程三维模型数据。

3 系统功能设计

1)多元时空一体化技术。三维显示数据采用文件系统存储，以提高数据调度响应速度。其中遥感影像数据和DEM数据采用影像金字塔技术和JPEG进行数据组织和压缩存储；属性数据采用数据库存储，以满足属性数据丰富多样性、维护更新频繁等管理特点需要；空间数据采用二维GIS空间数据引擎进行存储，如Geodatabase+PostGIS或Oracle Spatial等，以满足矢量分析和查询需要。属性数据与空间数据通过关键词进行关联，以达到功能、管理的相对独立性；空间数据与三维显示数据通过关键词进行关联。将二维和三维统一到一个真实的地理空间(球面空间)中，真正实现了二三维的有机结合。

图2 大数据GIS的应用模式

2)高效的海量空间信息数据管理。项目针对空间地理信息数据类型丰富、来源多样、数据量巨大等大数据特征，在传统的三维模型数据可视化技术的基础上，融合了实时遮挡数据裁剪算法、四叉树结构的细节层次(LOD)模型和数据动态装载技术快速地显示、分析海量三维数据，优化创新了流程和算法，模拟人的自然观察方式来表现具有丰富几何细节和相片质感的三维城市模型，具有与现实世界一致的视觉体验和空间感知，同时大大提升了系统的三维可视化性能。

3)三维数据网络实时传输技术。对于基于网络的三维场影模型绘制系统而言，由于大量的几何数据需要经由网络传输到客户端，网络带宽常常成为系统的瓶颈，因此如何采用紧凑灵活的数据表示方式及高效的网络传输策略一直是三维场景研究领域的重点。本三维仿真平台对多种三维数据传输技术进行了优化。主要包括ActiveX插件技术、渐进传输技术、数据组织与压缩技术和下载分流技术。

4)可装配式(COTS)的系统架构。将系统的功能按照不同的业务需求封装成不同层次和颗粒大小的Web服务(Web Services)功能包，内容涵盖对水利枢纽工程空间数据的访问权限、浏览、查询、统计、分析等各方面的需求，这些功能包可以按照不同的权限设置分发给任何需要空间信息的其他部门的应用系统，实现了可装配式(COTS)的系统架构，便于用户自主维护和系统的拓展。解决了不同应用系统间互操作和融合问题。

5)三维动画特效表现技术。系统通过粒子系统、骨骼动画技术、刚体动画技术的深入使用，支持对溢洪道泄流状态、渠道水流状态等动态对象以及雨、雪、雾等天气特效在三维场景中的模拟仿真。此外，还可通过模拟重力、空气阻力以及其他物理环境的影响，可以进一步增强模拟的真实感。通过对粒子系统中粒子属性的不同设置，可以模拟出各种不同的效果，表现为各种不同的自然现象和物理现象，最为常见的如降雨、降雪等。

6)智能感知在三维地理信息的综合集成。平台可支撑智能感知设备在三维地理信息的综合应用技术。该技术以末端感知层——摄像监控作为切入点，通过建立视频监控与三维坐标的自动匹配和实时画面传输，形成一系列多个地点的视频画面的在三维虚拟世界的真实反映，可实现多设备，多现场联动的视频管理机制，为水库大坝监测、泵站运行情况等方面提供技术支撑。

7)支持统一地图服务需求。项目中统一地图服务是基于采购的地理信息平台，建设空间信息服务系统，利用3S技术建设多比例尺基础地理信息数据库、影像数据，在收集整理与加工黔中水利枢纽工程空间地理要素信息基础上，建立工程专题图。空间信息服务平台一方面实现对黔中水利枢纽工程信息数据的空间存储管理、空间查询、空间分析及多维展示，另一方面将空间服务作为一种应用，与其他业务系统相结合，来实现系统空间数据的查询和浏览。

8)支持水库调度及渠道水动力分析。系统基于流体力学原理，根据质量守恒定率、动量守恒定率、能量守恒定率，采用有限差分数值方法，可计算模拟一定流量下多闸孔闸门不同组合开启方式下的堰面流态、挑距、坝下河道流速、河底压强四项要素及水流主流区域的水力特性；可分析计算河道在不同频率洪水过程中水深及流量变化情况，并用三维图的形式展示自由液面位置和河道沿程速度和流线分布情况。

4 仿真实现过程

1)数据收集。水利工程数据根据从具体建筑物或景观的设计规划图、效果图、立面图中获取；对黔中水利枢纽工程范围内的平寨水库、桂家湖水库、革寨水库、凯掌水库、平寨电站、渠首电站、革寨2#泵站、干渠(不含隧洞)等范围进行低空遥感航飞影像采集；利用无人机拍摄水源地平寨水库(库区、营房、平寨电站、渠首电站)、桂家湖水库、革寨水库(水库，1#、2#泵站)、凯掌水库(5处)、高寨水库、干渠重要节点水闸等重要区域空中720度全景图，获取重要水利工程现场实时图景，辅助日常管理及指挥决策情境下掌握现场真实的场景。

2)数据处理。一是空间数据处理。对电子地图、DEM数据、影像地图进行预处理。针对黔中水利枢纽信息化的应用，参考地理信息系统数据标准和主流地理信息应用系统数据格式等因素，处理对象主要包括数据格式、矢量数据、栅格数据及文本数据。二是数据高程处理。数字高程模型(DEM)，是描述地面高程或海拔空间分布的有序数值阵列，是以高程表达地面起伏形态的数据集合。DEM的格网间隔应与其高程精度相适配，并形成有规则的格网系列。完成激光扫描飞行任务之后，所获取的数据可以分为两类，一类为定位定向数据(POS数据)，它包括差分GPS数据和惯性测量数据(IMU数据)；另一类就是激光扫描测距数据，利用这些数据可将激光点的坐标计算出来，最终生成DEM。

3)真三维建模。对水源地平寨水库(取水闸室、溢洪道闸室)、革寨水库(6 孔泄洪闸、革寨1#2#泵站)进行带有准确地理空间坐标的工程三维建模，通过真三维建模技术获取建筑物准确模型，辅助用户直观、形象了解水利工程的实况，与现实的物体几乎一致，逼真度达到95%以上，见图3。

图3 平寨水库溢洪道3dMax模型

4)倾斜摄影三维建模。对革寨水库、平寨水库、凯掌水库、桂家湖水库、干渠(不含隧洞)沿线及相关工程采用倾斜摄影三维建模的方式建立三维仿真。模型精度0.1m、分辨率5cm。

5 结 论

文章主要是基于GSI三维地球引擎，研发了贵州省黔中水利枢纽工程调度中心三维仿真，通过地形、影像等的集成加载构建三维虚拟交互场景，解决了传统客户端模式或为浏览器安装插件进行浏览的模式下存在的兼容性差等问题， 证明了通过WebGL技术构建水利水电工程三维地理信息平台的可能性和优越性。但是，本研究只是初步的探索，还有许多需要完善的部分。首先本研究只应用了小范围的数据，对于大范围的海量数据还需进一步测试优化；其次，平台目前只具备 基本的功能，对于具体项目应用，仍需进一步完善和优化。