楊慶運(yùn)

（山東水利建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250109）

經(jīng)濟(jì)建設(shè)增加了各地對水利工程的基建需求，較大的需求量和水利工程在國家基建的重要地位加大了國家對于水利工程的重視程度，但是水利工程建筑的繁多品種和其中錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系加大了水利工程的建筑難度。三維可視化技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代，作為一種集圖像顯示、計(jì)算機(jī)圖像處理、素描等多種處理方式為一體的技術(shù)，三維可視化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)測繪等專業(yè)，文章主要是通過實(shí)例發(fā)掘三維可視化技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用價(jià)值。

1 三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)的基本原理和發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)的基本原理

三維可視化就是利用三維數(shù)據(jù)，通過建模的方法，以3D的形式把測量數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。三維建模作為三維可視化技術(shù)的關(guān)鍵，三維技術(shù)的優(yōu)化程度與三維圖像的逼真科學(xué)程度成正比。根據(jù)科學(xué)原理分析，客觀上實(shí)現(xiàn)三維可視化技術(shù)可分為以下兩種方法：第一種方法是以等值面為基準(zhǔn)進(jìn)行圖像繪制，具體操作流程就是將數(shù)據(jù)抽取等值面，然后使用三維數(shù)據(jù)進(jìn)行建模；第二種方法是以體素?cái)?shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行單元繪制，體素大致分為顯示和透明度調(diào)節(jié)兩部分，其主要目的就是通過對透明度的調(diào)節(jié)顯示內(nèi)部變化，避免了傳統(tǒng)顯示方法的內(nèi)部遮擋問題。相較于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)建模，三維可視化的數(shù)據(jù)建模需要大量的按照面、體分布的數(shù)據(jù)[1]。

1.2 三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和市場需求的穩(wěn)步提升，三維可視化技術(shù)的發(fā)展速度逐年上升。市場需求不僅促進(jìn)了三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，還推動(dòng)了可視化工具等三維可視化相關(guān)儀器的研發(fā)，例如Open GL和Direct X。其不僅作為現(xiàn)階段最大的3D圖像（3 Dimensions）的應(yīng)用程序接口，而且實(shí)現(xiàn)了3D圖像的底層設(shè)計(jì)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展推動(dòng)，現(xiàn)階段國內(nèi)外的三維可視化應(yīng)用程序?qū)映霾桓F，例如AVS（信源編碼標(biāo)準(zhǔn)）、VR Map等。這些軟件促進(jìn)了三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)的應(yīng)用率提升。

將三維動(dòng)態(tài)度可視化技術(shù)與水利工程建筑相結(jié)合來看，三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)是服務(wù)于水利工程建設(shè)的，其實(shí)際數(shù)據(jù)對水利工程進(jìn)行的實(shí)際檢測所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以真實(shí)宏觀地反映水利建設(shè)的真實(shí)情況。三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)的本質(zhì)就是通過圖像和圖形的方式對方針計(jì)算過程的追蹤與追蹤結(jié)果的處理分析。把三維可視化技術(shù)廣泛應(yīng)用于水利工程建筑不僅能夠降低工作人員的工作量，而且數(shù)字化的檢測分析平臺和科學(xué)的檢測數(shù)據(jù)增加了檢測工作的安全性。通過數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真建模分析，可以對施工環(huán)境進(jìn)行仔細(xì)分析，避免因?yàn)槭┕龅氐臏y量漏洞導(dǎo)致施工后期頻頻出現(xiàn)問題。

2 水利工程的三維可視化系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)管理模塊構(gòu)建

在三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)中，空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫的調(diào)節(jié)工作主要依靠數(shù)據(jù)管理模塊來完成，通過數(shù)據(jù)管理模塊來實(shí)現(xiàn)對繁多數(shù)據(jù)的多重管理和各個(gè)類別數(shù)據(jù)的科學(xué)整合。數(shù)據(jù)管理模塊不僅包括各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的組織工作，而且對每組數(shù)據(jù)之間的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行整合，整體數(shù)據(jù)不僅涵蓋了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列和空間序列，而且記錄了各項(xiàng)時(shí)間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的變化細(xì)節(jié)[2]。在三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)中，整體的數(shù)據(jù)管理模塊不僅是系統(tǒng)科學(xué)運(yùn)轉(zhuǎn)的基石，而且為應(yīng)用三維可視化技術(shù)的水利工程、地質(zhì)檢測提出了基礎(chǔ)的技術(shù)保障。

2.2 圖形顯示模塊構(gòu)建

圖形顯示就是利用不同的繪制手段將三維空間數(shù)據(jù)和三維空間屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S圖形，通過把繪制的三維圖形展現(xiàn)在可視化平臺上進(jìn)行基礎(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)分析。圖形顯示模塊之所以作為數(shù)據(jù)庫建立運(yùn)行的基礎(chǔ)，是因?yàn)橥ㄟ^三維圖形的顯示不僅可以讓技術(shù)人員更加直觀地認(rèn)識監(jiān)測的整體數(shù)據(jù)和基本形態(tài)，而且面對工程中的突發(fā)問題也可以根據(jù)顯示圖形進(jìn)行全面分析[3]。由此可見，進(jìn)行圖形顯示模塊的構(gòu)建不僅能完善水利建筑工程企業(yè)的三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)的工作流程，而且有利于解決實(shí)際建設(shè)中的突發(fā)問題。

2.3 圖形操作模塊構(gòu)建

對可視化界面顯示的圖形進(jìn)行更新、改進(jìn)和完善就是圖形操作的主要工作。在水利工程的基建建設(shè)過程中，要根據(jù)建設(shè)施工場地的實(shí)際環(huán)境和招標(biāo)文件中的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，這不僅關(guān)系到水利建筑在面對后期驗(yàn)收工作的達(dá)標(biāo)率，而且關(guān)系到水利建筑工程在投入使用后期的意外發(fā)生率。由此可見，圖形操作模塊與水利工程設(shè)施的安全程度有著直接聯(lián)系，因此在采用三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)于水利工程建設(shè)過程中一定要注重圖形操作模塊的構(gòu)建，便于進(jìn)行安全分析的技術(shù)人員及時(shí)解決水利工程建筑施工過程中的安全問題[4]。

2.4 圖形分析模塊構(gòu)建

隨著科技發(fā)展和市場需求，可視化交互系統(tǒng)的逐漸完善不僅促進(jìn)了計(jì)算機(jī)計(jì)算施工區(qū)域中各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性，還促進(jìn)了可視化界面的更新?lián)Q代，通過圖形分析模塊的構(gòu)建，不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)際數(shù)據(jù)輔助水利工程施工的目的，而且促進(jìn)了各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與時(shí)間相結(jié)合的科學(xué)數(shù)據(jù)對整體施工進(jìn)度的科學(xué)化把控。由此可見，在水利建筑工程施工過程中，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠完善工程管理模式，還可達(dá)到施工進(jìn)程的科學(xué)控制，在保證建筑質(zhì)量的前提下進(jìn)行科學(xué)的速度把控，避免在盲目增速大環(huán)境中對水利工程建筑的質(zhì)量忽略問題的頻繁發(fā)生。

3 三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

3.1 水閘水下沖坑監(jiān)測

水下部位的止水失效、閘基土流失、結(jié)構(gòu)斷裂、沖坑和塌陷現(xiàn)象是造成水閘地基滲流異常和閘水流流態(tài)異常的主要原因。為了避免此類現(xiàn)象頻繁發(fā)生而造成人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的較大威脅，不僅在前期的施工和中期的質(zhì)檢驗(yàn)收中嚴(yán)格把關(guān)，在水利工程投入使用后也要進(jìn)行定期質(zhì)檢[5]。我國境內(nèi)大量水利工程建筑需求和現(xiàn)存的大量水利工程不僅增加了水利工程的建筑施工工作量，而且加深了投入使用的定期檢測的檢測工作量?，F(xiàn)階段通過科技手段對水利工程建筑進(jìn)行監(jiān)控，通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)檢修。這種方法的使用不僅節(jié)省了定期檢測的人力成本和物力成本，而且相較于傳統(tǒng)的檢測方式，科技手段測量的數(shù)據(jù)更加全面準(zhǔn)確。例如，一個(gè)運(yùn)行多年的水庫，因?yàn)橄铝魉鞯臎_坑對水閘的安全運(yùn)行有較大影響。在進(jìn)行維修之前的數(shù)據(jù)監(jiān)測中需要幾十條的測量數(shù)據(jù)，人力測量不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且測量產(chǎn)生的誤差較大。但是使用三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)進(jìn)行測量不僅可以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，而且可以繪制出精確形象的三維可視化圖幫助維修。

3.2 滲透監(jiān)測

無論是傳統(tǒng)施工技術(shù)建造的水利工程還是新型建造技術(shù)建造的水利工程，其常見的隱患都是水利工程的滲漏。造成水利工程滲漏的原因有很多，對于未發(fā)生的滲漏和破壞，現(xiàn)階段的檢測技術(shù)還做不到全面檢測，在檢測過程中存在較多的漏洞，在水利工程建筑已發(fā)生滲漏在檢測中會(huì)出現(xiàn)波形不均勻的現(xiàn)象[6]。因此這一性質(zhì)被滲透檢測工作和防滲工作廣泛應(yīng)用，其主要過程：把實(shí)際考察檢測的數(shù)據(jù)作為三維體數(shù)據(jù)，然后把三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，最后對可視化圖形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用分析數(shù)據(jù)作為滲漏檢測工作的指導(dǎo)方針。

3.3 地下連續(xù)墻質(zhì)量監(jiān)測

在水利工程中，對于地下連續(xù)墻的質(zhì)量檢測主要以高頻彈性脈沖波的波形記錄作為依據(jù)。在湖區(qū)探測檢查區(qū)域內(nèi)不同的混凝土密實(shí)度參數(shù)后，將這些信息參數(shù)進(jìn)行信息處理加工，然后通過三維可視化一起進(jìn)行質(zhì)量檢測。這樣不僅能夠較為直觀地進(jìn)行地下連續(xù)墻的展示，而且可以通過形象直觀的可視圖進(jìn)行地下墻的質(zhì)量分析[7]。此項(xiàng)方法常用于堤防加固工程，主要方法是采用切槽混凝土對地下墻進(jìn)行加固防滲處理，在處理后采用三維高密度電法對加固范圍的地下墻進(jìn)行質(zhì)量檢測，檢測結(jié)果一般采用voxler軟件進(jìn)行三維可視化效果圖的繪制，通過分析三維可視化效果圖，得到質(zhì)量良好的結(jié)果后進(jìn)行存檔，以便于下次堤壩維修。如果分析結(jié)果出現(xiàn)質(zhì)量問題，則采用科學(xué)方法進(jìn)行加固，以保證加固后的堤壩可以投入使用。

3.4 內(nèi)部隱患監(jiān)測

水利工程并不是某一項(xiàng)工程的具體表達(dá)，水閘工程、水庫工程、堤防工程等工程都是水利工程，這些工程長期處于水流與堤岸間干濕交替的惡劣環(huán)境，不僅前期的施工建設(shè)難度大于陸地建設(shè)施工建設(shè)難度，而且因?yàn)樗鞯臎_刷后期容易出現(xiàn)各種各樣的問題，為了保證樹立工程建筑的實(shí)際作用，在投入使用后要對其進(jìn)行定期檢修工作[8]。相較于傳統(tǒng)檢修工作耗費(fèi)的巨大人力、物力，三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)這種以數(shù)據(jù)建模為技術(shù)的可視化技術(shù)不僅在檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性方面有較大提高，而且有助于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息向標(biāo)準(zhǔn)涂層化信息的轉(zhuǎn)變，這就是圖層可視化的基本原理。與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)圖像可視化相比，圖層可視化對于水利建筑內(nèi)部的基礎(chǔ)情況可以清晰展現(xiàn)，從而在檢修工程中通過全面的水利工程基礎(chǔ)信息進(jìn)行針對性地加固或者維修，不僅可以合理解決內(nèi)部隱患，而且增加了水利工程的使用壽命。

4 結(jié)束語

綜上所述，三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)在水利工程專業(yè)中起著重要作用，其精確的數(shù)據(jù)模擬和逼真的場景呈現(xiàn)技術(shù)不僅極大地增加了用戶體驗(yàn)感，而且提高了水利工程工作人員的工作效率，在保證水利建筑工程質(zhì)量的同時(shí)為國家水利工程事業(yè)做出了較大幫助。由此可見，三維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)作為可以提高工作效率的重要技術(shù)，一定會(huì)成為一個(gè)重要的研究方向。