水工领域中应用三维可视设计的探讨

　　摘要:如能采用可视化的三维设计系统进行水电工程设计,实现水工设计高效率地进行,一直是水电工作者的理想目标。本文通过分析不同行业三维可视化工程设计研究成果,提出了三维可视化水工设计系统的技术支撑,并针对水工设计行业的特点,指出了实现三维可视化水工设计系统的可行框架和实现方案。
　　关键词:水工领域;水工设计;三维可视
　　在国家和社会信息化建设的框架背景环境下,工程设计界已开始掀起数字化、可视化、智能化于一体的“设计革命”浪潮,充分考虑可视化工程设计在水利水电工程建设大发展时期的应用需求,利用GIS数字化地形技术和水工三维CAD发展的最新成果,实现两者在水工领域的集成,无疑会对提高水电工程设计水平和设计效率、降低设计成本,加快工程建设管理现代化、创造更大的经济社会价值具有重要的意义。
　　1、设计研究现状
　　水利水电工程勘测设计和地形、地质、水文等自然条件密不可分,三维工程设计必然要求首先建立数字化地形地质,地形地质数字化平台也一直作为水工CAD的必备支撑系统和水工CAD软件一起开发,它也一直被视为水工CAD发展的拦路虎。随着GIS技术的发展和应用,将GIS技术引入到水工CAD为研究解决地形地质问题提供了一条新的思路。GIS是一门地学空间数据与计算机技术相结合的新型空间信息技术,其特有的空间形式和强大的空间数据处理能力为工程设计提供强劲的空间建模能力(如数字地形地质建摸,地形填挖分析等)。GIS发展很快,目前已广泛应用于城市规划、电力、交通、矿业等许多领域,但在水利行业尤其是工程设计方面研究却很少,实时动态的三维设计还处于空白。
　　在国外,CAD技术应用于铁路和公路路线设计始于60年代,目前路线CAD技术已发展成集数据采集与处理、设计、分析优化于一体的集成化、系统化技术。其软件共同特点是:建立在功能强大的三维数字地面模型及结构物理模型上,基础牢固;都注重可视化技术、用户界面技术(交互技术),并寻求一定智能化功能以及系统的集成和设计的一体化。国内研究虽起步较晚但发展迅速,三维可视化路线设计从基础理论到实际应用都已迈上了新台阶,研究成果开始进入实用阶段。例如:中南大学道路与铁道工程研究所研发了道路设计动态实时三维可视化系统,可以将三维可视化融入设计过程。其技术涉及到较多GIS建模、算法以及可视化技术。
　　虽然,GIS应用在以地形为基础的一些设计行业有了长足的进步,但到了水利水电行业,由于行业自身的特殊性,如需求有限、开发难度大、应用面窄等,使得这一行业逐渐成为GIS/CAD研究和应用“最不成功的行业之一”。非技术因素的客观存在决定了水工CAD研究的进一步发展必须首先从技术上取得突破以适应水利水电勘测设计的行业特点。随着计算机软硬件技术的不断发展,一些成熟的具有强大功能的GIS商业软件不断推出,这些工具软件为各领域广泛应用GIS提供了有力的技术保证,GIS技术也已开始进入到水电行业的各个方面,并发挥了巨大的作用。总体上看,目前GIS技术在水电行业的应用主要集中在旱灾评估、水资源管理、水土保持、生态和水环境监测以及工程规划等方面。在水利工程施工设计领域,已有一些开拓性尝试,
　　2、设计系统技术构成和支撑
　　三维可视化水工设计系统(VHEDS)从技术角度考虑就是利用计算机强有力的计算功能和高效的图形处理能力,来直观地辅助水电工程人员进行工程设计的一种技术。VHEDS的功能贯穿延伸到水电工程勘测、设计、计算分析、施工、运行管理等各个环节,其发展方向是实现标准化、智能化、集成化和虚拟设计。
　　按照工程设计流程,水工设计实现三维可视化就要求工程设计条件可视化(包括地质、水文、地形、枢纽布置及施工条件等可视化)、设计建模过程可视化,计算分析过程可视化和设计成果可视化(包括三维真实感图形显示及非空间数据的图表、文档输出)。这里可视化是三维工程设计的核心,数字化则是实现可视化设计的基础。同时,VHEDS是一个复杂的系统,又是多个基础学科的交叉应用。要实现三维可视化水工设计,除了需要水工技术及工程设计方法的知识外(在此不赘述),还要有相应的计算机技术来支撑,最基本的包括:
　　(1)软件工程技术。水工CAD软件一般都比较庞大和复杂,所以开发水工CAD软件需要较高的软件工程技术,其中包括软件工程方法、工程数据库技术和面向对象方法技术等。
　　(2)集成化技术。多专业协同工作是水利水电工程勘测设计的本质特点,水电工程从规划、勘测、设计(包括计算分析)到施工、运行管理是一个环环相扣的纵向过程,同时各阶段又存在着不同专业(横向)的分工。因此,集成化乃至协同工作、并行设计成为CAD系统发展的趋势。
　　(3)可视化技术。可视化技术是三维设计的基本要求。可视化技术是科学计算与图形图象技术的结合,涉及科学与工程计算、计算机图形学、图象处理、人机界面等多个学科与技术领域,特别是地形地物生成、简化及多分辨率表达是实现设计可视化的研究关键。
　　(4)地形地质数字化技术。水利水电工程设计离不开地形、地质资料,水工建筑物的不定型和具体地形、地质条件的多样性、复杂性密切相关,所以水工CAD软件必须以地形地质数字化平台为支撑,二者集成建模,最好有统一的数字模型。
　　(5)不定型建模技术,参数化建模技术已在其它行业的CAD软件中得到广泛应用,然而却很难适用于水工建筑物的不定型建模,因此水工建模问题仍是本系统建立的难点。
　　当然,从计算机的实现而言,水工三维可视化设计的过程其实也是工程数据(包括几何数据、拓扑数据、属性数据等)流向和管理的过程。具体地,通过分析可视化工程设计所表现的内容,可以得到水工三维可视化设计的技术支撑体系,见图1。同时,该图也详细地反映了水工三维可视化设计理论和技术的构成体系。
　　
　　图1三维可视化水工设计理论和技术构成体系
　　3、设计系统实现方法和框架
　　完整的VHEDS是一个非常庞大复杂的系统,在具体实现中只能从基础应用抓起。按照可视化的基本要求,实现三维设计系统平台,就必须集成运用数字化技术、真三维技术、可视化技术等关键支撑技术,特别是开展大比例尺下三维地形地物统一建模、空间数据处理以及高级图形处理技术在水电领域的应用研究,是实现水工三维可视化设计的重要基础。
　　通过前面的分析,将三维水工可视化设计的研究思路概括为:从基于地形的工程设计等实际应用需要出发,通过收集国内外有关三维GIS数据模型、计算机图形学、可视化仿真技术等资料,深入了解目前在基于地形的三维景观建模和交互式设计领域的研究现状及存在问题,从国内外学者在相关行业相关领域已有的一些研究成果中吸收借鉴有益的思想,研究基于地形的、适合水工设计的三维数据模型,特别对交互式设计及空间模型集成分析等若干关键技术,提出相适应的算法;考虑OpenGL在三维图形开发中的主流地位,故采用面向对象技术,用VC++作为开发语言,以OpenGL作图形编程接口,进行实验系统的开发设计,并结合应用实例论证相关理论、实现技术和算法的正确性和可行性。因此,VHEDS的关键技术及实现内容包括:
　　(1)建立基于地形的三维数据模型(考虑对设计成果的实时计算分析,设计模型还应与分析模型统一);
　　(2)三维地形地物景观可视化与虚拟环境下三维交互关键技术和实现算法:包括真实感地形景观的构建技术、三维交互操作和编辑技术等实现技术与算法。
　　(3)基于地形景观交互式设计和集成分析的关键技术
　　与相关算法,包括交互式地形设计、基于地形的工程集成分析等实现技术与算法。
　　(4)基于三维景观模型和交互式景观设计理论、技术与方法,研究和开发实验系统,结合应用实例,对所提理论与方法进行验证。
　　以上研究内容构成了VHEDS的技术核心,它是实现三维可视化水工设计的关键。基于地形的VHEDS最大的特点是工程三维地形地物数字模型的建立,并在此基础上实现可视化的设计、分析和应用。三维地形地物数字模型建立方法很多,不同对象可采用不同的方式建模。比如一般水电工程所处区域复杂,采用TIN模型建立工程地表DTM;对于水工建筑物,采用B-rep法结合参数化建模对于快速精确建立三维实体是合适的,对于不规则水体则需要采用基于粒子系统的水流建模等等。
　　三维可视化工程设计的技术难点是系统组成和功能集成,二者组织的好坏直接影响工程设计的效率和结果。由于水工设计过程的多样性、复杂性和软件本身的实用性要求,决定了系统软件功能必须全面概括整个工程设计的过程,同时各个功能模块之间相互支持,功能设计操作简单、高效。通过系统分析和建模,可以设计VHEDS的软件框架原型(见图2),以此构架集成便可开发出实用有效的水工设计系统。
　　
　　图2可视化水工设计基本框架结构图
　　4结语
　　三维可视化水工设计克服了目前二维设计不直观、作业周期长、工作量大、重复性工作多等缺点,大大减轻工作人员的工作量、节省投资,同时提高了设计精度和效率。三维可视化水工设计系统的研究和应用必将加速推动水电工程设计施工管理一体化、智能化的进程,推动水电建设的高速发展。