王學(xué)軍，李炳，孫秀國(guó)

（1.濟(jì)南市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局，山東濟(jì)南 250000；2.濟(jì)南市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山東濟(jì)南 250014）

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

王學(xué)軍1，李炳2，孫秀國(guó)2

（1.濟(jì)南市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局，山東濟(jì)南 250000；2.濟(jì)南市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山東濟(jì)南 250014）

首先提出三維技術(shù)目前在工程管理中應(yīng)用，對(duì)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(xì)化業(yè)務(wù)管理層面，可應(yīng)用在工程建設(shè)管理、工程運(yùn)行維護(hù)管理、安全應(yīng)急培訓(xùn)、技能培訓(xùn)等具體業(yè)務(wù)上；在此基礎(chǔ)上，筆者預(yù)測(cè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR技術(shù)）在水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)、安全生產(chǎn)、信息化與自動(dòng)化管理、工程運(yùn)行維護(hù)等方面將會(huì)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(shí)技術(shù)；水利現(xiàn)代化

三維技術(shù)是將關(guān)注的對(duì)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(jìn)行相關(guān)的分析、決策、管理等業(yè)務(wù)。近年來(lái)，在大力發(fā)展水利事業(yè)的背景下，在實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化的進(jìn)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(shí)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(shí)又稱為“地學(xué)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(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)的支持下，對(duì)整個(gè)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(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)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(duì)大范圍區(qū)域展示和地表真實(shí)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(kù)群聯(lián)合調(diào)度三維展示平臺(tái)是基于Skyline軟件設(shè)計(jì)的，主要實(shí)現(xiàn)三維信息的展示、查詢、空間數(shù)據(jù)分析、洪水演進(jìn)、淹沒(méi)分析等功能；遼寧水利工程三維地理信息管理系統(tǒng)項(xiàng)目基于EV-Globe三維地理信息平臺(tái)，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(shí)況，并可利用衛(wèi)星雷達(dá)信息數(shù)據(jù)展示災(zāi)后實(shí)際災(zāi)情狀況，為遼寧省防汛減災(zāi)提供及時(shí)準(zhǔn)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(tái)賬和紙質(zhì)地圖的管理方式，對(duì)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(gè)工程信息通過(guò)電子地圖的方式進(jìn)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(shí)技術(shù)（VR技術(shù)）及水利應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)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(jué)、傳感技術(shù)等技術(shù)創(chuàng)造出一個(gè)讓人身臨其境的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有3個(gè)基本特征——可用3個(gè)“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(jì)算機(jī)的交互方式是自然的，就像現(xiàn)實(shí)中人與自然交互一樣，完全沉浸在通過(guò)計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中；交互性是指在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶不再是被動(dòng)地接受計(jì)算機(jī)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(lái)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(shí)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(rèn)識(shí)，從而深化概念和萌發(fā)新意。目前，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的水利三維應(yīng)用項(xiàng)目大多還處于研究階段或初級(jí)階段。

華北水利水電學(xué)院的碩士論文基于Unity3D的南水北調(diào)三維場(chǎng)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(jì)單元的基本場(chǎng)景漫游展示，并嘗試將系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)展示和查詢。天津大學(xué)的碩士論文水利工程三維可視化仿真系統(tǒng)真實(shí)感實(shí)現(xiàn)，采用Visual Studio 2008開(kāi)發(fā)工具，Qt實(shí)現(xiàn)界面開(kāi)發(fā)，以三維圖形開(kāi)發(fā)應(yīng)用庫(kù)OSG為基礎(chǔ)，利用C++語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了“引漢濟(jì)渭”水利工程可視化仿真系統(tǒng)，主要解決三維顯示的真實(shí)感實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。

3 兩種技術(shù)的比較

文章從兩種技術(shù)的費(fèi)用成本、應(yīng)用的深度挖掘、集成性、擴(kuò)展性、靈活性等方面進(jìn)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(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。從成本上講，首先需要購(gòu)買GIS軟件，目前主流GIS軟件價(jià)格都在十幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)間，費(fèi)用較高，VR技術(shù)的核心是三維引擎，目前有逐步開(kāi)源的趨勢(shì)，像UE4、Unity3D相繼推出了免費(fèi)版本，收費(fèi)版本每個(gè)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(wú)法進(jìn)行虛擬角色在場(chǎng)景漫游、添加天氣特效、進(jìn)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(chǎng)景中進(jìn)行漫游、特效處理、協(xié)同作用、運(yùn)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(kuò)展性、靈活性上，GIS技術(shù)局限于軟件架構(gòu)，集成性、擴(kuò)展性、靈活性上受軟件架構(gòu)影響較大。VR技術(shù)大多是開(kāi)源的，或采用跨平臺(tái)的組件技術(shù)，集成性、擴(kuò)展性、靈活性上優(yōu)勢(shì)明顯，可靈活地進(jìn)行關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的集成；可進(jìn)行業(yè)務(wù)功能的擴(kuò)展，不僅能夠進(jìn)行三維靜態(tài)管理，也可以進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)管理；可靈活地進(jìn)行應(yīng)用部署。

綜合以上對(duì)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(xì)化業(yè)務(wù)管理層面，可用在工程建設(shè)管理、工程運(yùn)行維護(hù)管理、安全應(yīng)急培訓(xùn)、技能培訓(xùn)等具體業(yè)務(wù)上。

4 發(fā)展趨勢(shì)

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(jìn)山東水利現(xiàn)代化進(jìn)程。在此背景下，濟(jì)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(jìn)行的就有多項(xiàng)市級(jí)重點(diǎn)工程，如玉符河臥虎山水庫(kù)輸水工程、田山灌區(qū)與濟(jì)平干渠連通工程等。這些水利工程的特點(diǎn)就是以連通多種水源、多條輸水干線為目標(biāo)，實(shí)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(jìn)行安全生產(chǎn)、信息化與自動(dòng)化調(diào)度、水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)、工程運(yùn)行維護(hù)等運(yùn)行、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)等方面的高效率、低成本、高效益管理成為當(dāng)務(wù)之急。

安全生產(chǎn)、信息化與自動(dòng)化管理、水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)、工程運(yùn)行維護(hù)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(shí)，隨著與業(yè)務(wù)不斷結(jié)合，會(huì)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(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，而且還需要多種形式滿足安全生產(chǎn)、自動(dòng)化管理、工程運(yùn)行維護(hù)等業(yè)務(wù)，如設(shè)置事故狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)急處置模擬、基于三維畫面的自動(dòng)控制、運(yùn)行維護(hù)業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)等。濟(jì)南市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局在玉符河臥虎水庫(kù)輸水工程中進(jìn)行了實(shí)踐，將30 km長(zhǎng)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(dòng)態(tài)信息管理、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)控制、安全預(yù)警、安全管理標(biāo)準(zhǔn)化及演練、操作培訓(xùn)、場(chǎng)景地圖等與三維模型結(jié)合，建立了三維可視化管理平臺(tái)，使管理參與者達(dá)到“身在其中”的效果。

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

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

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

（責(zé)任編輯 崔春梅）

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1009-6159（2016）-11-0003-02

王學(xué)軍(1968—)，男，高級(jí)政工師