三維仿真技術(shù)在黔中水利樞紐工程水資源調(diào)度中的應(yīng)用

王 芳，蔣 聰

(貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴陽 550002)

0 引 言

隨著計算機(jī)動畫技術(shù)、傳感技術(shù)、三維立體建模以及“3S”技術(shù)的快速發(fā)展，三維仿真技術(shù)的應(yīng)用需求也越來越大。三維仿真技術(shù)是運(yùn)用計算機(jī)結(jié)合三維GIS對系統(tǒng)模型進(jìn)行科學(xué)模擬的實(shí)踐，它具有經(jīng)濟(jì)、可靠、實(shí)用、安全、靈活等眾多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在安全工程、土木工程、巖土工程、防災(zāi)工程、工程項目招投標(biāo)等工程中有了廣泛的應(yīng)用。

黔中水利樞紐工程是貴州首個大型跨地區(qū)、跨流域長距離調(diào)水工程,是西部大開發(fā)標(biāo)志性工程,也是貴州水利“十一五”規(guī)劃的龍頭項目。工程分兩期建設(shè),一期工程解決黔中主要灌區(qū)的農(nóng)灌用水、縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水、人畜飲水和貴陽缺水問題。黔中水利樞紐工程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到防洪、發(fā)電、灌溉、引水及供水各項興利功能中的各種水工建筑物。以往的水利水電工程運(yùn)行一般只體現(xiàn)在2D平面圖和剖面圖等形式，不夠形象、直觀。

文章通過三維GIS模塊，結(jié)合黔中水利樞紐一期工程計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、綜合信息化、軟件系統(tǒng)，建設(shè)調(diào)度中心三維仿真平臺模型，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的黔中水利樞紐工程運(yùn)行狀態(tài)的動態(tài)三維仿真，為現(xiàn)場技術(shù)人員的操作提供了簡便直觀的手段。

1 技術(shù)路線

構(gòu)件化(組件化)集成開發(fā)策略主要是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的組件化開發(fā)，采用接口方式整合公共業(yè)務(wù)支撐平臺，降低各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的耦合，方便各系統(tǒng)之間的拆分與組合，或者擴(kuò)展；實(shí)現(xiàn)圖形化配置工具，靈活的配置管理，操作簡單方便，易于維護(hù)等。

三維基礎(chǔ)平臺通過組件化模塊組成，該平臺需支持?jǐn)?shù)據(jù)總線(ESB)技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)服務(wù)和渠道服務(wù)的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一配置、統(tǒng)一維護(hù)。提供基礎(chǔ)的框架服務(wù)，自身具備系統(tǒng)管理、機(jī)構(gòu)管理等可重用的功能模塊，通過該平臺可自動生成框架代碼，封裝完善代碼方法的標(biāo)簽，提高開發(fā)效率。實(shí)現(xiàn)構(gòu)件化、積木式的規(guī)?；浖a(chǎn)方式。簡化了軟件開發(fā)的復(fù)雜度，降低了對開發(fā)人員技術(shù)多元化的要求，大大縮短了開發(fā)周期。提供可視化的界面需求原型設(shè)計，實(shí)現(xiàn)用戶需求快速準(zhǔn)確的采集，并迅速生成軟件界面原型，同時界面原型的代碼可以為后期開發(fā)提供基礎(chǔ)，提高用戶需求的準(zhǔn)確性，同時還減少了寫代碼的工作量。具有跨操作系統(tǒng)、跨數(shù)據(jù)庫、跨應(yīng)用服務(wù)器、跨瀏覽器的特性，確保業(yè)務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。針對簡單有規(guī)則的功能，平臺實(shí)現(xiàn)自動生成與可配置的方式開發(fā)。針對復(fù)雜界面需求的功能，保留高度的自定義性，以滿足不同類型產(chǎn)品的需求，見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

2 平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合“貴州省黔中水利樞紐一期工程計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、綜合信息化、軟件系統(tǒng)”項目建設(shè)單位的實(shí)際需求，建設(shè)調(diào)度中心三維仿真系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、安裝調(diào)試、試運(yùn)行，并且針對三維仿真系統(tǒng)提供技術(shù)培訓(xùn)和維護(hù)服務(wù)。所開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)以遙感影像和三維傾斜攝影數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)底圖，以三維全景展示黔中水利樞紐工程，該調(diào)度中心三維仿真建設(shè)內(nèi)容主要包括：

1)720全景圖拍攝。利用無人機(jī)拍攝黔中水利樞紐工程區(qū)域范圍內(nèi)拍攝水源地平寨水庫(庫區(qū)、營房、平寨電站、渠首電站)、桂家湖水庫、革寨水庫(水庫，1#、2#泵站)、凱掌水庫、高寨水庫、干渠重要節(jié)點(diǎn)水閘等重要區(qū)域空中720度全景圖，獲取重要水利工程現(xiàn)場實(shí)時圖景，輔助日常管理及指揮決策情境下掌握現(xiàn)場真實(shí)的場景等工程120個全景點(diǎn)。

2)低空遙感航飛影像采集(傾斜攝影三維拍攝)。低空遙感航飛影像采集也即傾斜攝影三維拍攝，主要工作是100平方功能區(qū)域的數(shù)字航空攝影，該100平方功能區(qū)域包括兩部分：四個水庫共10平方公里；渠道線路總長約150公里，拍攝寬度0.6公里，共計90平方公里。

3)真三維建模。對工程調(diào)蓄水庫，主體工程建筑物、相關(guān)土建工程建筑物、附屬工程建筑物、泄水建筑物、大壩、電站廠房以及其他附屬設(shè)施，以及干渠重要節(jié)制閘進(jìn)行帶有準(zhǔn)確地理空間坐標(biāo)的三維建模，具體建設(shè)范圍包括：對水源地平寨水庫(取水閘室、溢洪道閘室)、革寨水庫(6孔泄洪閘、革寨2#泵站)等工程三維建模，通過真三維建模技術(shù)獲取建筑物準(zhǔn)確模型，輔助用戶直觀、形象了解水利工程的實(shí)況。

4)傾斜攝影三維建模。傾斜攝影三維建模，數(shù)據(jù)生產(chǎn)工藝基于航空攝影測量技術(shù)，提供多種測繪成果，并將機(jī)載多角度傾斜攝影數(shù)據(jù)與機(jī)載激光掃描(LiDAR)數(shù)據(jù)集成，通過真三維模型自動構(gòu)建技術(shù)，得到真實(shí)、完整、一致和可量測的真三維黔中水利樞紐工程三維模型數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

1)多元時空一體化技術(shù)。三維顯示數(shù)據(jù)采用文件系統(tǒng)存儲，以提高數(shù)據(jù)調(diào)度響應(yīng)速度。其中遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)采用影像金字塔技術(shù)和JPEG進(jìn)行數(shù)據(jù)組織和壓縮存儲；屬性數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫存儲，以滿足屬性數(shù)據(jù)豐富多樣性、維護(hù)更新頻繁等管理特點(diǎn)需要；空間數(shù)據(jù)采用二維GIS空間數(shù)據(jù)引擎進(jìn)行存儲，如Geodatabase+PostGIS或Oracle Spatial等，以滿足矢量分析和查詢需要。屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)通過關(guān)鍵詞進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以達(dá)到功能、管理的相對獨(dú)立性；空間數(shù)據(jù)與三維顯示數(shù)據(jù)通過關(guān)鍵詞進(jìn)行關(guān)聯(lián)。將二維和三維統(tǒng)一到一個真實(shí)的地理空間(球面空間)中，真正實(shí)現(xiàn)了二三維的有機(jī)結(jié)合。

圖2 大數(shù)據(jù)GIS的應(yīng)用模式

2)高效的海量空間信息數(shù)據(jù)管理。項目針對空間地理信息數(shù)據(jù)類型豐富、來源多樣、數(shù)據(jù)量巨大等大數(shù)據(jù)特征，在傳統(tǒng)的三維模型數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合了實(shí)時遮擋數(shù)據(jù)裁剪算法、四叉樹結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)層次(LOD)模型和數(shù)據(jù)動態(tài)裝載技術(shù)快速地顯示、分析海量三維數(shù)據(jù)，優(yōu)化創(chuàng)新了流程和算法，模擬人的自然觀察方式來表現(xiàn)具有豐富幾何細(xì)節(jié)和相片質(zhì)感的三維城市模型，具有與現(xiàn)實(shí)世界一致的視覺體驗和空間感知，同時大大提升了系統(tǒng)的三維可視化性能。

3)三維數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸技術(shù)。對于基于網(wǎng)絡(luò)的三維場影模型繪制系統(tǒng)而言，由于大量的幾何數(shù)據(jù)需要經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇蛻舳?，網(wǎng)絡(luò)帶寬常常成為系統(tǒng)的瓶頸，因此如何采用緊湊靈活的數(shù)據(jù)表示方式及高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸策略一直是三維場景研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。本三維仿真平臺對多種三維數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。主要包括ActiveX插件技術(shù)、漸進(jìn)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)組織與壓縮技術(shù)和下載分流技術(shù)。

4)可裝配式(COTS)的系統(tǒng)架構(gòu)。將系統(tǒng)的功能按照不同的業(yè)務(wù)需求封裝成不同層次和顆粒大小的Web服務(wù)(Web Services)功能包，內(nèi)容涵蓋對水利樞紐工程空間數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限、瀏覽、查詢、統(tǒng)計、分析等各方面的需求，這些功能包可以按照不同的權(quán)限設(shè)置分發(fā)給任何需要空間信息的其他部門的應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了可裝配式(COTS)的系統(tǒng)架構(gòu)，便于用戶自主維護(hù)和系統(tǒng)的拓展。解決了不同應(yīng)用系統(tǒng)間互操作和融合問題。

5)三維動畫特效表現(xiàn)技術(shù)。系統(tǒng)通過粒子系統(tǒng)、骨骼動畫技術(shù)、剛體動畫技術(shù)的深入使用，支持對溢洪道泄流狀態(tài)、渠道水流狀態(tài)等動態(tài)對象以及雨、雪、霧等天氣特效在三維場景中的模擬仿真。此外，還可通過模擬重力、空氣阻力以及其他物理環(huán)境的影響，可以進(jìn)一步增強(qiáng)模擬的真實(shí)感。通過對粒子系統(tǒng)中粒子屬性的不同設(shè)置，可以模擬出各種不同的效果，表現(xiàn)為各種不同的自然現(xiàn)象和物理現(xiàn)象，最為常見的如降雨、降雪等。

6)智能感知在三維地理信息的綜合集成。平臺可支撐智能感知設(shè)備在三維地理信息的綜合應(yīng)用技術(shù)。該技術(shù)以末端感知層——攝像監(jiān)控作為切入點(diǎn)，通過建立視頻監(jiān)控與三維坐標(biāo)的自動匹配和實(shí)時畫面?zhèn)鬏敚纬梢幌盗卸鄠€地點(diǎn)的視頻畫面的在三維虛擬世界的真實(shí)反映，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備，多現(xiàn)場聯(lián)動的視頻管理機(jī)制，為水庫大壩監(jiān)測、泵站運(yùn)行情況等方面提供技術(shù)支撐。

7)支持統(tǒng)一地圖服務(wù)需求。項目中統(tǒng)一地圖服務(wù)是基于采購的地理信息平臺，建設(shè)空間信息服務(wù)系統(tǒng)，利用3S技術(shù)建設(shè)多比例尺基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、影像數(shù)據(jù)，在收集整理與加工黔中水利樞紐工程空間地理要素信息基礎(chǔ)上，建立工程專題圖?？臻g信息服務(wù)平臺一方面實(shí)現(xiàn)對黔中水利樞紐工程信息數(shù)據(jù)的空間存儲管理、空間查詢、空間分析及多維展示，另一方面將空間服務(wù)作為一種應(yīng)用，與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的查詢和瀏覽。

8)支持水庫調(diào)度及渠道水動力分析。系統(tǒng)基于流體力學(xué)原理，根據(jù)質(zhì)量守恒定率、動量守恒定率、能量守恒定率，采用有限差分?jǐn)?shù)值方法，可計算模擬一定流量下多閘孔閘門不同組合開啟方式下的堰面流態(tài)、挑距、壩下河道流速、河底壓強(qiáng)四項要素及水流主流區(qū)域的水力特性；可分析計算河道在不同頻率洪水過程中水深及流量變化情況，并用三維圖的形式展示自由液面位置和河道沿程速度和流線分布情況。

4 仿真實(shí)現(xiàn)過程

1)數(shù)據(jù)收集。水利工程數(shù)據(jù)根據(jù)從具體建筑物或景觀的設(shè)計規(guī)劃圖、效果圖、立面圖中獲??；對黔中水利樞紐工程范圍內(nèi)的平寨水庫、桂家湖水庫、革寨水庫、凱掌水庫、平寨電站、渠首電站、革寨2#泵站、干渠(不含隧洞)等范圍進(jìn)行低空遙感航飛影像采集；利用無人機(jī)拍攝水源地平寨水庫(庫區(qū)、營房、平寨電站、渠首電站)、桂家湖水庫、革寨水庫(水庫，1#、2#泵站)、凱掌水庫(5處)、高寨水庫、干渠重要節(jié)點(diǎn)水閘等重要區(qū)域空中720度全景圖，獲取重要水利工程現(xiàn)場實(shí)時圖景，輔助日常管理及指揮決策情境下掌握現(xiàn)場真實(shí)的場景。

2)數(shù)據(jù)處理。一是空間數(shù)據(jù)處理。對電子地圖、DEM數(shù)據(jù)、影像地圖進(jìn)行預(yù)處理。針對黔中水利樞紐信息化的應(yīng)用，參考地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和主流地理信息應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式等因素，處理對象主要包括數(shù)據(jù)格式、矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)及文本數(shù)據(jù)。二是數(shù)據(jù)高程處理。數(shù)字高程模型(DEM)，是描述地面高程或海拔空間分布的有序數(shù)值陣列，是以高程表達(dá)地面起伏形態(tài)的數(shù)據(jù)集合。DEM的格網(wǎng)間隔應(yīng)與其高程精度相適配，并形成有規(guī)則的格網(wǎng)系列。完成激光掃描飛行任務(wù)之后，所獲取的數(shù)據(jù)可以分為兩類，一類為定位定向數(shù)據(jù)(POS數(shù)據(jù))，它包括差分GPS數(shù)據(jù)和慣性測量數(shù)據(jù)(IMU數(shù)據(jù))；另一類就是激光掃描測距數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可將激光點(diǎn)的坐標(biāo)計算出來，最終生成DEM。

3)真三維建模。對水源地平寨水庫(取水閘室、溢洪道閘室)、革寨水庫(6 孔泄洪閘、革寨1#2#泵站)進(jìn)行帶有準(zhǔn)確地理空間坐標(biāo)的工程三維建模，通過真三維建模技術(shù)獲取建筑物準(zhǔn)確模型，輔助用戶直觀、形象了解水利工程的實(shí)況，與現(xiàn)實(shí)的物體幾乎一致，逼真度達(dá)到95%以上，見圖3。

圖3 平寨水庫溢洪道3dMax模型

4)傾斜攝影三維建模。對革寨水庫、平寨水庫、凱掌水庫、桂家湖水庫、干渠(不含隧洞)沿線及相關(guān)工程采用傾斜攝影三維建模的方式建立三維仿真。模型精度0.1m、分辨率5cm。

5 結(jié) 論

文章主要是基于GSI三維地球引擎，研發(fā)了貴州省黔中水利樞紐工程調(diào)度中心三維仿真，通過地形、影像等的集成加載構(gòu)建三維虛擬交互場景，解決了傳統(tǒng)客戶端模式或為瀏覽器安裝插件進(jìn)行瀏覽的模式下存在的兼容性差等問題， 證明了通過WebGL技術(shù)構(gòu)建水利水電工程三維地理信息平臺的可能性和優(yōu)越性。但是，本研究只是初步的探索，還有許多需要完善的部分。首先本研究只應(yīng)用了小范圍的數(shù)據(jù)，對于大范圍的海量數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步測試優(yōu)化；其次，平臺目前只具備 基本的功能，對于具體項目應(yīng)用，仍需進(jìn)一步完善和優(yōu)化。