袁鳳娟

(安徽省阜陽(yáng)市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 阜陽(yáng) 236000)

0 引 言

三維可視化技術(shù)是一種高效的、高精度的繪制建模技術(shù)，不僅可以在一幅數(shù)字場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)物理世界全要素的還原，同時(shí)還可以結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界的互聯(lián)互通，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建數(shù)字孿生體。因此，有必要對(duì)水工結(jié)構(gòu)工程與三維可視化技術(shù)展開(kāi)分析，以便三維可視化技術(shù)在水工結(jié)構(gòu)工程中得到更好的應(yīng)用。

1 可視化仿真技術(shù)主要內(nèi)容

三維可視化技術(shù)與多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，使得數(shù)據(jù)處理虛擬化，通過(guò)對(duì)對(duì)象的全方位監(jiān)控，建立以現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)的3D虛擬現(xiàn)實(shí)效果，可使數(shù)據(jù)呈現(xiàn)更加直觀、易于理解[1]?？梢暬瘧?yīng)用可分為以下三類(lèi)。

1.1 宏觀態(tài)勢(shì)可視化

宏觀態(tài)勢(shì)的可視化是指在特定環(huán)境下，能夠感知隨時(shí)間推移而不斷變化的目標(biāo)實(shí)體，直觀、靈活、生動(dòng)地展現(xiàn)宏觀態(tài)勢(shì)，迅速把握某一領(lǐng)域的總體態(tài)勢(shì)、特征[2]。

1.2 設(shè)備仿真運(yùn)行可視化

將計(jì)算機(jī)程控技術(shù)與實(shí)體模型、圖像、三維動(dòng)畫(huà)等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的可視化表達(dá)，使管理者對(duì)設(shè)備有了具體的管理理念，了解了設(shè)備的位置、外形及所有參數(shù)，大大降低了管理者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了管理效率和水平。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可視化

現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于商業(yè)智能、政府決策、公共服務(wù)、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)等諸多領(lǐng)域。借助直觀的數(shù)據(jù)圖表，能夠清晰、有效地傳達(dá)和傳遞信息[3]。

2 水工結(jié)構(gòu)工程三維可視化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

水工結(jié)構(gòu)工程體一般為不規(guī)則形，如圖1所示。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，通常都是用許多微小的直線段和三角面來(lái)模擬地層的巖性和巖層的表面。也就是說(shuō)，巖層界面和地表曲線、地下水位等地質(zhì)界面，以及巖層曲面等，是由許多微小的直線段和三角面構(gòu)成的集合。在水工結(jié)構(gòu)工程中，地質(zhì)體的三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維建模和可視化的基礎(chǔ)，這就要求具有高效的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以保證人機(jī)交互和查詢(xún)的實(shí)現(xiàn)。

圖1 水工結(jié)構(gòu)工程三維可視化圖

2.2 曲面求交

在地層不整合、斷層錯(cuò)斷巖層、地層尖滅、地下水出露于河谷地表的情況下，地質(zhì)體中存在著大量的層面，這就使地質(zhì)體三維模式的上部邊界成為地表曲面，通過(guò)數(shù)學(xué)方法擬合出的巖層表面或地下水位面不應(yīng)超過(guò)表面，即不應(yīng)超出局部顯示。同理，當(dāng)顯示多層地層時(shí)，巖層下方的每一層都應(yīng)以其上巖層作為界限。所以，要實(shí)現(xiàn)可視化地層界面，就必須解決地層面與地表、斷層面及其他地層面的交叉。而在剖面圖成圖中，地質(zhì)界線的繪制則是通過(guò)顯示剖面平面和各種地質(zhì)界面曲面的交點(diǎn)來(lái)完成的。所以，曲面求交是一個(gè)在地質(zhì)界面層面上的交集，而在地質(zhì)界面上的交集又包括兩類(lèi)問(wèn)題。

2.3 三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

拓?fù)涫且环N地質(zhì)學(xué)意義上的地質(zhì)學(xué)對(duì)象間關(guān)系的形式，拓?fù)浔韮?chǔ)存了層間上覆、下伏和交切(由斷層斷裂帶的拓?fù)浔憩F(xiàn))等地層學(xué)關(guān)系和地質(zhì)空間位置關(guān)系。拓?fù)鋵W(xué)還可以被看作是允許這些地質(zhì)關(guān)系被合理存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。舉例來(lái)說(shuō)，考慮多層地層時(shí)，上部巖層的底面和與其相鄰下一巖層的頂面是上下巖層兩個(gè)實(shí)體的共同部分或共享邊界，二者之間的拓?fù)潢P(guān)系是相鄰且相同的關(guān)系。當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，可將上一層巖層的底面或相鄰下一層巖層的頂面，也就是相鄰巖層的邊界曲面作為地層曲面保存，從而大大減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)難度與空間需求。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)的地質(zhì)體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方法。

2.4 可視化技術(shù)

水工程復(fù)雜地質(zhì)體的可視化是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)工程勘測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以可視化為目的，將工程數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一種便于交互分析的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間形態(tài)立體圖和剖面圖。應(yīng)用可視化技術(shù)，可以從大量的地質(zhì)調(diào)查資料中，構(gòu)造出地質(zhì)工程中對(duì)于邊坡穩(wěn)定、地下洞室變形破壞等關(guān)鍵作用的巖體結(jié)構(gòu)面，并顯示出其范圍、走向和交叉關(guān)系，可使水工結(jié)構(gòu)工程師能夠?qū)υ紨?shù)據(jù)做出正確解釋?zhuān)瑥亩鵀樗そY(jié)構(gòu)工程分析的具體問(wèn)題提供決策支持[4]。

3 水工結(jié)構(gòu)工程三維可視化系統(tǒng)的基本框架

3.1 基本框架設(shè)計(jì)

三維可視化系統(tǒng)的基本框架設(shè)計(jì)，包括模型選取、縮放漫游設(shè)計(jì)、坐標(biāo)查詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)等?；A(chǔ)運(yùn)算模塊基本上涵蓋了系統(tǒng)中所用到的所有運(yùn)算，在基礎(chǔ)運(yùn)算模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中，坐標(biāo)查詢(xún)的運(yùn)算是非常重要的，只有保證坐標(biāo)查詢(xún)的準(zhǔn)確性，才能保證三維可視化的查詢(xún)精度和分析精度。利用正解變換法和逆解變換法，都可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)查詢(xún)操作模塊的設(shè)計(jì)。正解變換法是將三維空間中的不同點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)特殊的轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)化為二維屏幕，并與鼠標(biāo)點(diǎn)擊的目標(biāo)進(jìn)行匹配，從而得到目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。逆解變換方法是將三維空間中與投影矩陣相對(duì)應(yīng)的逆矩陣轉(zhuǎn)化為三維點(diǎn)坐標(biāo)，從而得到選定目標(biāo)的坐標(biāo)值。該系統(tǒng)采用逆解變換法完成了坐標(biāo)系查詢(xún)模塊的設(shè)計(jì)。

3.2 地標(biāo)模塊設(shè)計(jì)

地標(biāo)模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，地標(biāo)編輯模塊是非常關(guān)鍵的部分，利用這個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)地標(biāo)的各種操作。在編輯過(guò)程中，可以將視點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)，以完成目標(biāo)點(diǎn)的編輯。名稱(chēng)編輯過(guò)程中，要精確地確定視點(diǎn)的具體位置，確定父節(jié)點(diǎn)，然后把對(duì)應(yīng)的名字輸入其中，這樣就可以在父節(jié)點(diǎn)下面形成特定的子節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置子節(jié)點(diǎn)的具體漫游方式，實(shí)現(xiàn)了相機(jī)編輯操作中漸變、跳躍、移動(dòng)、路徑等四種不同的漫游方式，以滿(mǎn)足用戶(hù)的多種功能需求。最關(guān)鍵的是查找功能，對(duì)于不同的節(jié)點(diǎn)屬性，可以進(jìn)行模糊查詢(xún)，例如，用戶(hù)輸入“山”，就能顯示出“山東”“山西”“唐山”“鞍山”“馬鞍山”“黃山”等所有具有“山”字的節(jié)點(diǎn)。特性?xún)?nèi)容包含有地名和經(jīng)緯度等，當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊要查詢(xún)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)漫游到這個(gè)節(jié)點(diǎn)位置。

3.3 編輯模塊設(shè)計(jì)

模式編輯模組的功能是對(duì)某些外界輸入的立體視覺(jué)模組執(zhí)行作業(yè)命令。在模型編輯模塊中，包含了大量的圖形信息資源和符號(hào)信息資源，模型符號(hào)包含了兩個(gè)不同的類(lèi)型，分別是三維模型和四維符號(hào)。三維模型指的是使用相應(yīng)的建模軟件，如3D MAX軟件，建立的與現(xiàn)實(shí)事物非常接近的某些尺寸按照一定比例縮放的模型。模型符號(hào)具有直觀性、形象性等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于多種領(lǐng)域。該系統(tǒng)有一個(gè)“編輯”按鈕，它主要是用來(lái)編輯一些外部導(dǎo)入的模型，可以改變導(dǎo)入模型的自身屬性，如改變模型的高度、經(jīng)緯度和角度等。通過(guò)改變模型的這些屬性信息，可以將模型放至更合適的位置[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用3D MAX、GIS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維可視化，使人們?cè)谡J(rèn)識(shí)環(huán)境的過(guò)程中，既有了更多的方法和途徑，又能預(yù)測(cè)未來(lái)的變化趨勢(shì)，在遇到水工結(jié)構(gòu)工程難題時(shí)，能更準(zhǔn)確地把握全局，更直觀地模擬現(xiàn)實(shí)空間。因此，對(duì)水工結(jié)構(gòu)工程與三維可視化技術(shù)的融合研究具有重要意義。