水工領(lǐng)域中應(yīng)用三維可視設(shè)計(jì)的探討

1、水工領(lǐng)域中應(yīng)用三維可視設(shè)計(jì)的探討    摘要:如能采用可視化的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行水電工程設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)水工設(shè)計(jì)高效率地進(jìn)行,一直是水電工作者的理想目標(biāo)。本文通過(guò)分析不同行業(yè)三維可視化工程設(shè)計(jì)研究成果,提出了三維可視化水工設(shè)計(jì)系統(tǒng)的技術(shù)支撐,并針對(duì)水工設(shè)計(jì)行業(yè)的特點(diǎn),指出了實(shí)現(xiàn)三維可視化水工設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行框架和實(shí)現(xiàn)方案。 關(guān)鍵詞:水工領(lǐng)域;水工設(shè)計(jì);三維可視 在國(guó)家和社會(huì)信息化建設(shè)的框架背景環(huán)境下,工程設(shè)計(jì)界已開(kāi)始掀起數(shù)字化、可視化、智能化于一體的“設(shè)計(jì)革命”浪潮,充分考慮可視化工程設(shè)計(jì)在水利水電工程建設(shè)大發(fā)展時(shí)期的應(yīng)用需求,利用GIS數(shù)字化地形技術(shù)和水工三維C

2、AD發(fā)展的最新成果,實(shí)現(xiàn)兩者在水工領(lǐng)域的集成,無(wú)疑會(huì)對(duì)提高水電工程設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本,加快工程建設(shè)管理現(xiàn)代化、創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值具有重要的意義。 1、設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀 水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)和地形、地質(zhì)、水文等自然條件密不可分,三維工程設(shè)計(jì)必然要求首先建立數(shù)字化地形地質(zhì),地形地質(zhì)數(shù)字化平臺(tái)也一直作為水工CAD的必備支撐系統(tǒng)和水工CAD軟件一起開(kāi)發(fā),它也一直被視為水工CAD發(fā)展的攔路虎。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,將GIS技術(shù)引入到水工CAD為研究解決地形地質(zhì)問(wèn)題提供了一條新的思路。GIS是一門(mén)地學(xué)空間數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的新型空間信息技術(shù),其特有的空間形式和強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理能力

3、為工程設(shè)計(jì)提供強(qiáng)勁的空間建模能力(如數(shù)字地形地質(zhì)建摸,地形填挖分析等)。GIS發(fā)展很快,目前已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、電力、交通、礦業(yè)等許多領(lǐng)域,但在水利行業(yè)尤其是工程設(shè)計(jì)方面研究卻很少,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維設(shè)計(jì)還處于空白。 在國(guó)外,CAD技術(shù)應(yīng)用于鐵路和公路路線設(shè)計(jì)始于60年代,目前路線CAD技術(shù)已發(fā)展成集數(shù)據(jù)采集與處理、設(shè)計(jì)、分析優(yōu)化于一體的集成化、系統(tǒng)化技術(shù)。其軟件共同特點(diǎn)是:建立在功能強(qiáng)大的三維數(shù)字地面模型及結(jié)構(gòu)物理模型上,基礎(chǔ)牢固;都注重可視化技術(shù)、用戶界面技術(shù)(交互技術(shù)),并尋求一定智能化功能以及系統(tǒng)的集成和設(shè)計(jì)的一體化。國(guó)內(nèi)研究雖起步較晚但發(fā)展迅速,三維可視化路線設(shè)計(jì)從基礎(chǔ)理論到實(shí)際應(yīng)用都

4、已邁上了新臺(tái)階,研究成果開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段。例如:中南大學(xué)道路與鐵道工程研究所研發(fā)了道路設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)三維可視化系統(tǒng),可以將三維可視化融入設(shè)計(jì)過(guò)程。其技術(shù)涉及到較多GIS建模、算法以及可視化技術(shù)。 雖然,GIS應(yīng)用在以地形為基礎(chǔ)的一些設(shè)計(jì)行業(yè)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但到了水利水電行業(yè),由于行業(yè)自身的特殊性,如需求有限、開(kāi)發(fā)難度大、應(yīng)用面窄等,使得這一行業(yè)逐漸成為GIS/CAD研究和應(yīng)用“最不成功的行業(yè)之一”。非技術(shù)因素的客觀存在決定了水工CAD研究的進(jìn)一步發(fā)展必須首先從技術(shù)上取得突破以適應(yīng)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)的行業(yè)特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展,一些成熟的具有強(qiáng)大功能的GIS商業(yè)軟件不斷推出,這些工具軟

5、件為各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用GIS提供了有力的技術(shù)保證,GIS技術(shù)也已開(kāi)始進(jìn)入到水電行業(yè)的各個(gè)方面,并發(fā)揮了巨大的作用?？傮w上看,目前GIS技術(shù)在水電行業(yè)的應(yīng)用主要集中在旱災(zāi)評(píng)估、水資源管理、水土保持、生態(tài)和水環(huán)境監(jiān)測(cè)以及工程規(guī)劃等方面。在水利工程施工設(shè)計(jì)領(lǐng)域,已有一些開(kāi)拓性嘗試, 2、設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)成和支撐 三維可視化水工設(shè)計(jì)系統(tǒng)(VHEDS)從技術(shù)角度考慮就是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)有力的計(jì)算功能和高效的圖形處理能力,來(lái)直觀地輔助水電工程人員進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的一種技術(shù)。VHEDS的功能貫穿延伸到水電工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)、計(jì)算分析、施工、運(yùn)行管理等各個(gè)環(huán)節(jié),其發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、集成化和虛擬設(shè)計(jì)。 按照工程設(shè)計(jì)流

6、程,水工設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三維可視化就要求工程設(shè)計(jì)條件可視化(包括地質(zhì)、水文、地形、樞紐布置及施工條件等可視化)、設(shè)計(jì)建模過(guò)程可視化,計(jì)算分析過(guò)程可視化和設(shè)計(jì)成果可視化(包括三維真實(shí)感圖形顯示及非空間數(shù)據(jù)的圖表、文檔輸出)。這里可視化是三維工程設(shè)計(jì)的核心,數(shù)字化則是實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。同時(shí),VHEDS是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),又是多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科的交叉應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)三維可視化水工設(shè)計(jì),除了需要水工技術(shù)及工程設(shè)計(jì)方法的知識(shí)外(在此不贅述),還要有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)支撐,最基本的包括: (1)軟件工程技術(shù)。水工CAD軟件一般都比較龐大和復(fù)雜,所以開(kāi)發(fā)水工CAD軟件需要較高的軟件工程技術(shù),其中包括軟件工程方法、工程數(shù)據(jù)庫(kù)

7、技術(shù)和面向?qū)ο蠓椒夹g(shù)等。 (2)集成化技術(shù)。多專(zhuān)業(yè)協(xié)同工作是水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)的本質(zhì)特點(diǎn),水電工程從規(guī)劃、勘測(cè)、設(shè)計(jì)(包括計(jì)算分析)到施工、運(yùn)行管理是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的縱向過(guò)程,同時(shí)各階段又存在著不同專(zhuān)業(yè)(橫向)的分工。因此,集成化乃至協(xié)同工作、并行設(shè)計(jì)成為CAD系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。 (3)可視化技術(shù)。可視化技術(shù)是三維設(shè)計(jì)的基本要求?？梢暬夹g(shù)是科學(xué)計(jì)算與圖形圖象技術(shù)的結(jié)合,涉及科學(xué)與工程計(jì)算、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖象處理、人機(jī)界面等多個(gè)學(xué)科與技術(shù)領(lǐng)域,特別是地形地物生成、簡(jiǎn)化及多分辨率表達(dá)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)可視化的研究關(guān)鍵。 (4)地形地質(zhì)數(shù)字化技術(shù)。水利水電工程設(shè)計(jì)離不開(kāi)地形、地質(zhì)資料,水工建筑物的不定型和

8、具體地形、地質(zhì)條件的多樣性、復(fù)雜性密切相關(guān),所以水工CAD軟件必須以地形地質(zhì)數(shù)字化平臺(tái)為支撐,二者集成建模,最好有統(tǒng)一的數(shù)字模型。 (5)不定型建模技術(shù),參數(shù)化建模技術(shù)已在其它行業(yè)的CAD軟件中得到廣泛應(yīng)用,然而卻很難適用于水工建筑物的不定型建模,因此水工建模問(wèn)題仍是本系統(tǒng)建立的難點(diǎn)。 當(dāng)然,從計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)而言,水工三維可視化設(shè)計(jì)的過(guò)程其實(shí)也是工程數(shù)據(jù)(包括幾何數(shù)據(jù)、拓?fù)鋽?shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等)流向和管理的過(guò)程。具體地,通過(guò)分析可視化工程設(shè)計(jì)所表現(xiàn)的內(nèi)容,可以得到水工三維可視化設(shè)計(jì)的技術(shù)支撐體系,見(jiàn)圖1。同時(shí),該圖也詳細(xì)地反映了水工三維可視化設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的構(gòu)成體系。 圖1三維可視化水工設(shè)計(jì)理論和技

9、術(shù)構(gòu)成體系 3、設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法和框架 完整的VHEDS是一個(gè)非常龐大復(fù)雜的系統(tǒng),在具體實(shí)現(xiàn)中只能從基礎(chǔ)應(yīng)用抓起。按照可視化的基本要求,實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái),就必須集成運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)、真三維技術(shù)、可視化技術(shù)等關(guān)鍵支撐技術(shù),特別是開(kāi)展大比例尺下三維地形地物統(tǒng)一建模、空間數(shù)據(jù)處理以及高級(jí)圖形處理技術(shù)在水電領(lǐng)域的應(yīng)用研究,是實(shí)現(xiàn)水工三維可視化設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。 通過(guò)前面的分析,將三維水工可視化設(shè)計(jì)的研究思路概括為:從基于地形的工程設(shè)計(jì)等實(shí)際應(yīng)用需要出發(fā),通過(guò)收集國(guó)內(nèi)外有關(guān)三維GIS數(shù)據(jù)模型、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、可視化仿真技術(shù)等資料,深入了解目前在基于地形的三維景觀建模和交互式設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題,從

10、國(guó)內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域已有的一些研究成果中吸收借鑒有益的思想,研究基于地形的、適合水工設(shè)計(jì)的三維數(shù)據(jù)模型,特別對(duì)交互式設(shè)計(jì)及空間模型集成分析等若干關(guān)鍵技術(shù),提出相適應(yīng)的算法;考慮OpenGL在三維圖形開(kāi)發(fā)中的主流地位,故采用面向?qū)ο蠹夹g(shù),用VC+作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,以O(shè)penGL作圖形編程接口,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例論證相關(guān)理論、實(shí)現(xiàn)技術(shù)和算法的正確性和可行性。因此,VHEDS的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)內(nèi)容包括: (1)建立基于地形的三維數(shù)據(jù)模型(考慮對(duì)設(shè)計(jì)成果的實(shí)時(shí)計(jì)算分析,設(shè)計(jì)模型還應(yīng)與分析模型統(tǒng)一); (2)三維地形地物景觀可視化與虛擬環(huán)境下三維交互關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)算法:包括真實(shí)感地

11、形景觀的構(gòu)建技術(shù)、三維交互操作和編輯技術(shù)等實(shí)現(xiàn)技術(shù)與算法。 (3)基于地形景觀交互式設(shè)計(jì)和集成分析的關(guān)鍵技術(shù) 與相關(guān)算法,包括交互式地形設(shè)計(jì)、基于地形的工程集成分析等實(shí)現(xiàn)技術(shù)與算法。 (4)基于三維景觀模型和交互式景觀設(shè)計(jì)理論、技術(shù)與方法,研究和開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),結(jié)合應(yīng)用實(shí)例,對(duì)所提理論與方法進(jìn)行驗(yàn)證。 以上研究?jī)?nèi)容構(gòu)成了VHEDS的技術(shù)核心,它是實(shí)現(xiàn)三維可視化水工設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。基于地形的VHEDS最大的特點(diǎn)是工程三維地形地物數(shù)字模型的建立,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可視化的設(shè)計(jì)、分析和應(yīng)用。三維地形地物數(shù)字模型建立方法很多,不同對(duì)象可采用不同的方式建模。比如一般水電工程所處區(qū)域復(fù)雜,采用TIN模型建立工程地表DTM;對(duì)于水工建筑物,采用B-rep法結(jié)合參數(shù)化建模對(duì)于快速精確建立三維實(shí)體是合適的,對(duì)于不規(guī)則水體則需要采用基于粒子系統(tǒng)的水流建模等等。 三維可視化工程設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)是系統(tǒng)組成和功能集成,二者組織的好壞直接影響工程設(shè)計(jì)的效率和結(jié)果。由于水工設(shè)計(jì)過(guò)程的多樣性、復(fù)雜性和軟件本身的實(shí)用性要求,決定了系統(tǒng)軟件功能必須全面概括整個(gè)工程設(shè)計(jì)的過(guò)程,同時(shí)各個(gè)功能模塊之間相互支持,功能設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單、高效。通過(guò)系統(tǒng)分析和建模,可以設(shè)計(jì)VHEDS的軟件