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        三維技術(shù)在國內(nèi)水利行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

        2016-04-08 05:08:24王學軍李炳孫秀國
        山東水利 2016年11期
        關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實水利水利工程

        王學軍,李炳,孫秀國

        (1.濟南市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局,山東濟南 250000;2.濟南市水利建筑勘測設(shè)計研究院,山東濟南 250014)

        三維技術(shù)在國內(nèi)水利行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

        王學軍1,李炳2,孫秀國2

        (1.濟南市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局,山東濟南 250000;2.濟南市水利建筑勘測設(shè)計研究院,山東濟南 250014)

        首先提出三維技術(shù)目前在工程管理中應(yīng)用,對比GIS技術(shù)和VR技術(shù),提出GIS技術(shù)主要側(cè)重在全局的分析、決策層面,可應(yīng)用在防洪、防災(zāi)、數(shù)字流域等層面,VR技術(shù)主要側(cè)重在效果逼真的、精細化業(yè)務(wù)管理層面,可應(yīng)用在工程建設(shè)管理、工程運行維護管理、安全應(yīng)急培訓、技能培訓等具體業(yè)務(wù)上;在此基礎(chǔ)上,筆者預測虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR技術(shù))在水量水質(zhì)監(jiān)測、安全生產(chǎn)、信息化與自動化管理、工程運行維護等方面將會具有巨大的應(yīng)用空間。

        三維技術(shù);地理信息技術(shù);虛擬現(xiàn)實技術(shù);水利現(xiàn)代化

        三維技術(shù)是將關(guān)注的對象以三維立體的形式呈現(xiàn),提供直觀化的輔助手段,方便工作人員進行相關(guān)的分析、決策、管理等業(yè)務(wù)。近年來,在大力發(fā)展水利事業(yè)的背景下,在實現(xiàn)水利現(xiàn)代化的進程中,三維技術(shù)在水利行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。從技術(shù)層面上看,主要分為地理信息技術(shù)(GIS技術(shù))和虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR技術(shù))。

        1 地理信息系統(tǒng)(GIS)及水利應(yīng)用

        地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System或Geo-Informationsystem,GIS)有時又稱為“地學信息系統(tǒng)”或“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)”,是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng),是在計算機硬、軟件系統(tǒng)的支持下,對整個或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。

        地理信息系統(tǒng)以其對大范圍區(qū)域展示和地表真實再現(xiàn)的特性,廣泛應(yīng)用在水利的分析決策系統(tǒng)上。如,灤河流域水庫群聯(lián)合調(diào)度三維展示平臺是基于Skyline軟件設(shè)計的,主要實現(xiàn)三維信息的展示、查詢、空間數(shù)據(jù)分析、洪水演進、淹沒分析等功能;遼寧水利工程三維地理信息管理系統(tǒng)項目基于EV-Globe三維地理信息平臺,集成全省水利工程數(shù)據(jù)、水利矢量地圖、三維模型,可為遼寧省防汛提供全省三維地理信息模擬實況,并可利用衛(wèi)星雷達信息數(shù)據(jù)展示災(zāi)后實際災(zāi)情狀況,為遼寧省防汛減災(zāi)提供及時準確的資料。此外,大型灌區(qū)水利工程設(shè)施通常分布在廣闊的地域上,傳統(tǒng)的基于臺賬和紙質(zhì)地圖的管理方式,對水利工程設(shè)施空間分布的信息缺乏足夠的表現(xiàn)力,灌區(qū)工情GIS技術(shù)的應(yīng)用,將整個工程信息通過電子地圖的方式進行展示,能直觀、形象地完成灌區(qū)工程設(shè)施的管理工作。

        2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR技術(shù))及水利應(yīng)用

        虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以三維圖形技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合多媒體、主體視覺、傳感技術(shù)等技術(shù)創(chuàng)造出一個讓人身臨其境的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有3個基本特征——可用3個“I”表示:沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)、構(gòu)想(Imagination)。其中沉浸感是指用戶和計算機的交互方式是自然的,就像現(xiàn)實中人與自然交互一樣,完全沉浸在通過計算機所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中;交互性是指在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中,用戶不再是被動地接受計算機所給予的信息或者是旁觀者,而能夠使用交互輸入設(shè)備來操控虛擬物體,以使虛擬世界發(fā)生改變。構(gòu)想是指用戶利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認識,從而深化概念和萌發(fā)新意。目前,基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的水利三維應(yīng)用項目大多還處于研究階段或初級階段。

        華北水利水電學院的碩士論文基于Unity3D的南水北調(diào)三維場景漫游系統(tǒng),完成了南水北調(diào)中線工程中保定市l(wèi)段設(shè)計單元的基本場景漫游展示,并嘗試將系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫連接,進行數(shù)據(jù)展示和查詢。天津大學的碩士論文水利工程三維可視化仿真系統(tǒng)真實感實現(xiàn),采用Visual Studio 2008開發(fā)工具,Qt實現(xiàn)界面開發(fā),以三維圖形開發(fā)應(yīng)用庫OSG為基礎(chǔ),利用C++語言編程實現(xiàn)了“引漢濟渭”水利工程可視化仿真系統(tǒng),主要解決三維顯示的真實感實現(xiàn)問題。

        3 兩種技術(shù)的比較

        文章從兩種技術(shù)的費用成本、應(yīng)用的深度挖掘、集成性、擴展性、靈活性等方面進行了綜合比較。

        1)GIS技術(shù)應(yīng)用模式主要是以成熟軟件進行二次開發(fā)。從成本上講,首先需要購買GIS軟件,目前主流GIS軟件價格都在十幾萬至幾十萬間,費用較高,VR技術(shù)的核心是三維引擎,目前有逐步開源的趨勢,像UE4、Unity3D相繼推出了免費版本,收費版本每個月也就十幾美元。

        2)應(yīng)用的深度挖掘上,GIS技術(shù)局限于軟件架構(gòu),只能是和地理信息應(yīng)用相關(guān),無法進行虛擬角色在場景漫游、添加天氣特效、進行協(xié)同作業(yè)模擬等。VR技術(shù)不僅能使地理信息三維再現(xiàn),更能夠在三維場景中進行漫游、特效處理、協(xié)同作用、運行模擬等,其在應(yīng)用的深度挖掘上不存在瓶頸。

        3)集成性、擴展性、靈活性上,GIS技術(shù)局限于軟件架構(gòu),集成性、擴展性、靈活性上受軟件架構(gòu)影響較大。VR技術(shù)大多是開源的,或采用跨平臺的組件技術(shù),集成性、擴展性、靈活性上優(yōu)勢明顯,可靈活地進行關(guān)系數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫的集成;可進行業(yè)務(wù)功能的擴展,不僅能夠進行三維靜態(tài)管理,也可以進行三維動態(tài)管理;可靈活地進行應(yīng)用部署。

        綜合以上對兩種技術(shù)的比較,GIS技術(shù)主要側(cè)重在全局的分析、決策層面,可應(yīng)用在防洪、防災(zāi)、數(shù)字流域等層面。VR技術(shù)主要側(cè)重在效果逼真的、精細化業(yè)務(wù)管理層面,可用在工程建設(shè)管理、工程運行維護管理、安全應(yīng)急培訓、技能培訓等具體業(yè)務(wù)上。

        4 發(fā)展趨勢

        山東省水利廳黨組高度重視現(xiàn)代水網(wǎng)建設(shè),明確提出要以工程建設(shè)為主抓手,加快推進山東水利現(xiàn)代化進程。在此背景下,濟南市大力發(fā)展水利工程基礎(chǔ)建設(shè),近幾年,已完成或正在進行的就有多項市級重點工程,如玉符河臥虎山水庫輸水工程、田山灌區(qū)與濟平干渠連通工程等。這些水利工程的特點就是以連通多種水源、多條輸水干線為目標,實現(xiàn)跨區(qū)域、多路徑調(diào)水。這些水利工程建成后,怎樣利用現(xiàn)代最新技術(shù)手段進行安全生產(chǎn)、信息化與自動化調(diào)度、水量水質(zhì)監(jiān)測、工程運行維護等運行、技術(shù)、經(jīng)營等方面的高效率、低成本、高效益管理成為當務(wù)之急。

        安全生產(chǎn)、信息化與自動化管理、水量水質(zhì)監(jiān)測、工程運行維護等都屬于具體的業(yè)務(wù)范疇,采用某種信息化手段輔助這些具體業(yè)務(wù)管理時,隨著與業(yè)務(wù)不斷結(jié)合,會不斷有新的業(yè)務(wù)需求提出,這就要求采用的信息化手段具備與具體業(yè)務(wù)深度融合的潛能。隨著業(yè)務(wù)的深入,在三維再現(xiàn)的基礎(chǔ)上,不僅需要關(guān)聯(lián)各類關(guān)系數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫,而且還需要多種形式滿足安全生產(chǎn)、自動化管理、工程運行維護等業(yè)務(wù),如設(shè)置事故狀態(tài)進行應(yīng)急處置模擬、基于三維畫面的自動控制、運行維護業(yè)務(wù)技能培訓等。濟南市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局在玉符河臥虎水庫輸水工程中進行了實踐,將30 km長的輸水線路,包括泵站、管道、閘閥等,全部建立了三維可視化模型,并按照管理需求將工程動態(tài)信息管理、風險點控制、安全預警、安全管理標準化及演練、操作培訓、場景地圖等與三維模型結(jié)合,建立了三維可視化管理平臺,使管理參與者達到“身在其中”的效果。

        [1]邱林,等.灤河流域水庫群聯(lián)合調(diào)度及三維仿真[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

        [2]王冉.基于Unity 3D的南水北調(diào)三維場景漫游系統(tǒng)[D].河南:華北水利水電學院,2012.

        [3]魏瑩.水利工程三維可視化仿真系統(tǒng)真實感實現(xiàn)[D].天津:天津大學,2012.

        (責任編輯 崔春梅)

        F426.91

        B

        1009-6159(2016)-11-0003-02

        王學軍(1968—),男,高級政工師

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