李勇鵬

(甘肅省甘南藏族自治州水利技術(shù)綜合服務(wù)站，甘肅 甘南 747000)

0 引言

水力結(jié)構(gòu)的監(jiān)測使用傳感器作為工具。由于測量點的安排和測量結(jié)果呈空間性分布，但技術(shù)人員通常根據(jù)傳感器的位置信息，建立監(jiān)測項目的空間分布圖反映其大小和位置變化。這種監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示方式，需要用戶對建筑物和設(shè)備的布置情況足夠熟悉，因此監(jiān)測信息的利用效率非常低。

可視化展示平臺的測量現(xiàn)場位置可以用三維坐標(biāo)來表示，監(jiān)測結(jié)果信息也可以通過計算機(jī)輕松顯示。周錦榮等[1]研究表明，基于NB-IoT 云服務(wù)智能安全用電裝置可以實現(xiàn)多源施工信息的集成和交互式查詢和可視化分析。它可以為全用電裝置控制和管理提供重要的理論和技術(shù)支撐。田茂杰等[2]建立了基于激光點云的架空線路工況模擬。本文研究和開發(fā)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示平臺。結(jié)合西南某水電工程的地下洞室，實現(xiàn)了虛擬環(huán)境、場景漫游、施工進(jìn)度查詢和監(jiān)測信息交互控制。既能滿足現(xiàn)場工程需要，又能滿足管理部門的宏觀調(diào)度。該平臺的研究成果在施工進(jìn)度、監(jiān)控信息管理和展示等方面進(jìn)行了積極探索。

1 平臺框架

1.1 后端數(shù)據(jù)庫模塊

該模塊是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，存儲著系統(tǒng)所需的空間和屬性信息?？臻g數(shù)據(jù)包括二維線圖數(shù)據(jù)、三維場景模型數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)和各部件的三維模型數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)包括組件的信息數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)。

1.2 地理信息管理模塊

此模塊結(jié)合了構(gòu)成場景的地理位置和屬性數(shù)據(jù)，能夠快速準(zhǔn)確地定位和查詢，提供信息表示所需的其他服務(wù)。如三維漫游時地形數(shù)據(jù)的調(diào)度、多維信息表示中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。

1.3 前端信息表示模塊

該模塊為用戶提供各種信息表現(xiàn)形式和可進(jìn)行的操作。三維場景圖界面給用戶一種身臨其境的感覺，用戶可以在其中自然移動，查看場景的屬性數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)設(shè)備和定位查詢的位置。二維地圖反映了結(jié)構(gòu)物在地形上的位置和地理關(guān)系，主要用于三維漫游的導(dǎo)航、漫游位置的快速定位等。

三維信息管理平臺是一個基于”虛擬現(xiàn)實”技術(shù)的數(shù)據(jù)、模型、圖片和視頻的綜合平臺。該平臺具有直觀性、實時性和互動性特點，比傳統(tǒng)的管理平臺更容易被用戶理解和應(yīng)用。平臺以模型為獨立對象，通過鏈接獨立對象的監(jiān)測數(shù)據(jù)，用戶可以直接對模型對象進(jìn)行操作。其功能框架見圖1。

圖1 平臺的功能框架

2 安全監(jiān)測信息三維可視化顯示平臺的開發(fā)與應(yīng)用

西南某水電工程將主機(jī)樓、主變室、涌水室、引水隧洞和尾水隧洞布置在地下，各單洞和大洞構(gòu)成了一個交匯的地下洞室群結(jié)構(gòu)。安全監(jiān)測信息的三維可視化顯示平臺能夠生動地模擬并交互查詢施工過程中的監(jiān)測結(jié)果，可以實時顯示圍巖的安全狀態(tài)。TST-VR 仿真平臺是集多邊形建模、矢量建模和實時渲染為一體的開發(fā)軟件。它提供了操作數(shù)據(jù)庫文件的接口功能，可以添加自定義數(shù)據(jù)庫實體、擴(kuò)展功能、擴(kuò)展/生成工具和算法，使應(yīng)用工具的開發(fā)更加深入[3]。

2.1 平臺三維漫游模塊的開發(fā)

系統(tǒng)平臺對整個地下洞室群進(jìn)行幾何化重建[4]。通過數(shù)學(xué)方法建立地下引水發(fā)電系統(tǒng)的幾何模型，并將其輸入計算機(jī)。幾何模型完全按照甲方提供的CAD 圖紙進(jìn)行構(gòu)建，以保證準(zhǔn)確性。

圖2 平臺系統(tǒng)的建設(shè)過程

系統(tǒng)平臺對幾何模型的顏色、燈光、材料和紋理進(jìn)行處理，并最終將幾何圖形元素及其視覺特征轉(zhuǎn)換為可用于顯示的圖形或圖像。因此，真實性可得到保證。在渲染三維場景之前，系統(tǒng)平臺會設(shè)置相關(guān)的場景參數(shù)值。這些參數(shù)包括光源的屬性(鏡面光、漫反射光和環(huán)境光)、光源方位角(距離和方向)、光影處理方式(平滑處理或平板處理)和紋理貼圖的方式[5]。三維空間場景通過投影轉(zhuǎn)化為計算機(jī)屏幕上的二維圖像。系統(tǒng)平臺采用了透視投影技術(shù)，以便更好地模擬真實世界。在三維場景漫游中，用戶可通過鼠標(biāo)或鍵盤控制視點的位置、視覺方向和參考方向。當(dāng)視點的位置、方向和參考方向發(fā)生變化時，物體在場景中相對于用戶的方向也發(fā)生變化。

2.2 地下洞室施工進(jìn)度模擬的三維可視化模塊

三維可視化模型按照施工計劃劃分為若干塊，通過高程和樁號數(shù)據(jù)的變化，實時顯示各洞口當(dāng)前的施工進(jìn)度。根據(jù)CAD 圖紙，建立每個空腔的幾何模型。根據(jù)施工計劃，每個空腔的幾何模型被劃分為不同的層和塊，有獨立的地址號。為腔體幾何模型的獨立層和塊設(shè)置不同的顏色、光照、材料和紋理，這可在施工過程中區(qū)分完成和未完成的層和塊。開發(fā)腔體施工進(jìn)度模擬的參數(shù)設(shè)置界面。通過對主機(jī)樓和主變空腔的施工方式層塊、標(biāo)高、樁號等參數(shù)的設(shè)置，可以實時模擬出主機(jī)樓、主變空腔當(dāng)前施工進(jìn)度的三維可視化模型。建立背景數(shù)據(jù)庫，保存每個時期輸入的施工參數(shù)，以便為后續(xù)施工提供可靠的施工數(shù)據(jù)和經(jīng)驗參數(shù)。開發(fā)進(jìn)度回放功能，可以實時瀏覽施工過程的三維可視化模擬模型。

圖3 挖掘進(jìn)度分層和地下植物碎裂的動態(tài)演示截圖

2.3 傳感器的布局、顯示和查詢模塊

通過標(biāo)高、樁號等數(shù)據(jù)，將監(jiān)測傳感器模型添加到三維視覺場景中，根據(jù)不同功能進(jìn)行分類， 有獨立的ID 號。建立不同監(jiān)測傳感器的三維可視化模型，如多點位移計、螺栓應(yīng)力計和錨繩測力計。為不同的傳感器設(shè)置了不同的顏色、燈光、材質(zhì)和紋理，這樣用戶就可以更快、更準(zhǔn)確地分辨出不同的傳感器。開發(fā)傳感器安裝模塊。通過該模塊，用戶可以在場景中任意位置添加傳感器的三維可視化模型，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等操作。同時，用戶可以為傳感器設(shè)置獨立的ID 號。通過傳感器模型的識別功能。明顯的標(biāo)識可以被添加到傳感器上，因此用戶可容易地進(jìn)行區(qū)分和查詢。傳感器的設(shè)置和地質(zhì)剖面的安排為了地下洞穴。當(dāng)選擇不同的地質(zhì)剖面時，可顯示不同剖面上的傳感器。建立了地下洞室室內(nèi)場景的三維視覺模型。用戶可以通過室內(nèi)漫游，來了解建設(shè)后的巖洞的室內(nèi)場景。根據(jù)傳感器的安裝位置確定地質(zhì)斷面。通過選擇不同的地質(zhì)斷面，可打開并了解三維場景。

2.4 監(jiān)測結(jié)果的顯示模塊

可以在系統(tǒng)平臺上通過點擊鼠標(biāo)選擇任意一個傳感器的測量點。通過過程圖查詢功能模塊，打開測量點的過程線圖，測量值隨時間變化。根據(jù)需要，過程圖界面顯示測量點的名稱、編號、埋深、測量原始值、物理有效值量、日期等。系統(tǒng)平臺可將同一或不同監(jiān)測斷面的某類或某組測量點設(shè)為一個分布單元，并可為其設(shè)置固定的ID。通過在分布單元上點擊鼠標(biāo)，查看設(shè)定時間內(nèi)的測量值分布。

該平臺經(jīng)測試運(yùn)行，對監(jiān)察信息查詢和控制等操作的故障率為0.0178%，遠(yuǎn)低于市場同類水電工程安全檢測可視化平臺0.0856%的故障率，因此可以提高水電工程的管理效率。

3 結(jié)語

水電工程三維信息管理平臺是現(xiàn)代信息技術(shù)、施工技術(shù)和管理技術(shù)的結(jié)合。其顯示的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)果，對西南某水電工程洞室施工過程中圍巖的穩(wěn)定性評價具有重要意義。本項目開發(fā)的三維信息管理平臺系統(tǒng)，是利用三維模型實現(xiàn)施工過程的動態(tài)安全可視化分析。不僅可以模擬工程的真實地質(zhì)形態(tài)，使動態(tài)圖形更加準(zhǔn)確、生動、逼真，而且可以更加了解地下洞室群地質(zhì)情況和變形應(yīng)力。因此可以為項目決策提供更多的信息，有助于對施工方案的分析和確認(rèn)。