摘要:如能采用可視化的三維設計系統進行水電工程設計,實現水工設計高效率地進行,一直是水電工作者的理想目標。本文通過分析不同行業三維可視化工程設計研究成果,提出了三維可視化水工設計系統的技術支撐,并針對水工設計行業的特點,指出了實現三維可視化水工設計系統的可行框架和實現方案。
　　關鍵詞:水工領域;水工設計;三維可視
　　在國家和社會信息化建設的框架背景環境下,工程設計界已開始掀起數字化、可視化、智能化于一體的“設計革命”浪潮,充分考慮可視化工程設計在水利水電工程建設大發展時期的應用需求,利用GIS數字化地形技術和水工三維CAD發展的最新成果,實現兩者在水工領域的集成,無疑會對提高水電工程設計水平和設計效率、降低設計成本,加快工程建設管理現代化、創造更大的經濟社會價值具有重要的意義。
　　1、設計研究現狀
　　水利水電工程勘測設計和地形、地質、水文等自然條件密不可分,三維工程設計必然要求首先建立數字化地形地質,地形地質數字化平臺也一直作為水工CAD的必備支撐系統和水工CAD軟件一起開發,它也一直被視為水工CAD發展的攔路虎。隨著GIS技術的發展和應用,將GIS技術引入到水工CAD為研究解決地形地質問題提供了一條新的思路。GIS是一門地學空間數據與計算機技術相結合的新型空間信息技術,其特有的空間形式和強大的空間數據處理能力為工程設計提供強勁的空間建模能力(如數字地形地質建摸,地形填挖分析等)。GIS發展很快,目前已廣泛應用于城市規劃、電力、交通、礦業等許多領域,但在水利行業尤其是工程設計方面研究卻很少,實時動態的三維設計還處于空白。
　　在國外,CAD技術應用于鐵路和公路路線設計始于60年代,目前路線CAD技術已發展成集數據采集與處理、設計、分析優化于一體的集成化、系統化技術。其軟件共同特點是:建立在功能強大的三維數字地面模型及結構物理模型上,基礎牢固;都注重可視化技術、用戶界面技術(交互技術),并尋求一定智能化功能以及系統的集成和設計的一體化。國內研究雖起步較晚但發展迅速,三維可視化路線設計從基礎理論到實際應用都已邁上了新臺階,研究成果開始進入實用階段。例如:中南大學道路與鐵道工程研究所研發了道路設計動態實時三維可視化系統,可以將三維可視化融入設計過程。其技術涉及到較多GIS建模、算法以及可視化技術。
　　雖然,GIS應用在以地形為基礎的一些設計行業有了長足的進步,但到了水利水電行業,由于行業自身的特殊性,如需求有限、開發難度大、應用面窄等,使得這一行業逐漸成為GIS/CAD研究和應用“最不成功的行業之一”。非技術因素的客觀存在決定了水工CAD研究的進一步發展必須首先從技術上取得突破以適應水利水電勘測設計的行業特點。隨著計算機軟硬件技術的不斷發展,一些成熟的具有強大功能的GIS商業軟件不斷推出,這些工具軟件為各領域廣泛應用GIS提供了有力的技術保證,GIS技術也已開始進入到水電行業的各個方面,并發揮了巨大的作用。總體上看,目前GIS技術在水電行業的應用主要集中在旱災評估、水資源管理、水土保持、生態和水環境監測以及工程規劃等方面。在水利工程施工設計領域,已有一些開拓性嘗試,
　　2、設計系統技術構成和支撐
　　三維可視化水工設計系統(VHEDS)從技術角度考慮就是利用計算機強有力的計算功能和高效的圖形處理能力,來直觀地輔助水電工程人員進行工程設計的一種技術。VHEDS的功能貫穿延伸到水電工程勘測、設計、計算分析、施工、運行管理等各個環節,其發展方向是實現標準化、智能化、集成化和虛擬設計。
　　按照工程設計流程,水工設計實現三維可視化就要求工程設計條件可視化(包括地質、水文、地形、樞紐布置及施工條件等可視化)、設計建模過程可視化,計算分析過程可視化和設計成果可視化(包括三維真實感圖形顯示及非空間數據的圖表、文檔輸出)。這里可視化是三維工程設計的核心,數字化則是實現可視化設計的基礎。同時,VHEDS是一個復雜的系統,又是多個基礎學科的交叉應用。要實現三維可視化水工設計,除了需要水工技術及工程設計方法的知識外(在此不贅述),還要有相應的計算機技術來支撐,最基本的包括:
　　(1)軟件工程技術。水工CAD軟件一般都比較龐大和復雜,所以開發水工CAD軟件需要較高的軟件工程技術,其中包括軟件工程方法、工程數據庫技術和面向對象方法技術等。
　　(2)集成化技術。多專業協同工作是水利水電工程勘測設計的本質特點,水電工程從規劃、勘測、設計(包括計算分析)到施工、運行管理是一個環環相扣的縱向過程,同時各階段又存在著不同專業(橫向)的分工。因此,集成化乃至協同工作、并行設計成為CAD系統發展的趨勢。
　　(3)可視化技術。可視化技術是三維設計的基本要求。可視化技術是科學計算與圖形圖象技術的結合,涉及科學與工程計算、計算機圖形學、圖象處理、人機界面等多個學科與技術領域,特別是地形地物生成、簡化及多分辨率表達是實現設計可視化的研究關鍵。
　　(4)地形地質數字化技術。水利水電工程設計離不開地形、地質資料,水工建筑物的不定型和具體地形、地質條件的多樣性、復雜性密切相關,所以水工CAD軟件必須以地形地質數字化平臺為支撐,二者集成建模,最好有統一的數字模型。
　　(5)不定型建模技術,參數化建模技術已在其它行業的CAD軟件中得到廣泛應用,然而卻很難適用于水工建筑物的不定型建模,因此水工建模問題仍是本系統建立的難點。
　　當然,從計算機的實現而言,水工三維可視化設計的過程其實也是工程數據(包括幾何數據、拓撲數據、屬性數據等)流向和管理的過程。具體地,通過分析可視化工程設計所表現的內容,可以得到水工三維可視化設計的技術支撐體系,見圖1。同時,該圖也詳細地反映了水工三維可視化設計理論和技術的構成體系。
　　
　　圖1三維可視化水工設計理論和技術構成體系
　　3、設計系統實現方法和框架
　　完整的VHEDS是一個非常龐大復雜的系統,在具體實現中只能從基礎應用抓起。按照可視化的基本要求,實現三維設計系統平臺,就必須集成運用數字化技術、真三維技術、可視化技術等關鍵支撐技術,特別是開展大比例尺下三維地形地物統一建模、空間數據處理以及高級圖形處理技術在水電領域的應用研究,是實現水工三維可視化設計的重要基礎。
　　通過前面的分析,將三維水工可視化設計的研究思路概括為:從基于地形的工程設計等實際應用需要出發,通過收集國內外有關三維GIS數據模型、計算機圖形學、可視化仿真技術等資料,深入了解目前在基于地形的三維景觀建模和交互式設計領域的研究現狀及存在問題,從國內外學者在相關行業相關領域已有的一些研究成果中吸收借鑒有益的思想,研究基于地形的、適合水工設計的三維數據模型,特別對交互式設計及空間模型集成分析等若干關鍵技術,提出相適應的算法;考慮OpenGL在三維圖形開發中的主流地位,故采用面向對象技術,用VC++作為開發語言,以OpenGL作圖形編程接口,進行實驗系統的開發設計,并結合應用實例論證相關理論、實現技術和算法的正確性和可行性。因此,VHEDS的關鍵技術及實現內容包括:
　　(1)建立基于地形的三維數據模型(考慮對設計成果的實時計算分析,設計模型還應與分析模型統一);
　　(2)三維地形地物景觀可視化與虛擬環境下三維交互關鍵技術和實現算法:包括真實感地形景觀的構建技術、三維交互操作和編輯技術等實現技術與算法。
　　(3)基于地形景觀交互式設計和集成分析的關鍵技術
　　與相關算法,包括交互式地形設計、基于地形的工程集成分析等實現技術與算法。
　　(4)基于三維景觀模型和交互式景觀設計理論、技術與方法,研究和開發實驗系統,結合應用實例,對所提理論與方法進行驗證。
　　以上研究內容構成了VHEDS的技術核心,它是實現三維可視化水工設計的關鍵。基于地形的VHEDS最大的特點是工程三維地形地物數字模型的建立,并在此基礎上實現可視化的設計、分析和應用。三維地形地物數字模型建立方法很多,不同對象可采用不同的方式建模。比如一般水電工程所處區域復雜,采用TIN模型建立工程地表DTM;對于水工建筑物,采用B-rep法結合參數化建模對于快速精確建立三維實體是合適的,對于不規則水體則需要采用基于粒子系統的水流建模等等。
　　三維可視化工程設計的技術難點是系統組成和功能集成,二者組織的好壞直接影響工程設計的效率和結果。由于水工設計過程的多樣性、復雜性和軟件本身的實用性要求,決定了系統軟件功能必須全面概括整個工程設計的過程,同時各個功能模塊之間相互支持,功能設計操作簡單、高效。通過系統分析和建模,可以設計VHEDS的軟件框架原型(見圖2),以此構架集成便可開發出實用有效的水工設計系統。
　　
　　圖2可視化水工設計基本框架結構圖
　　4結語
　　三維可視化水工設計克服了目前二維設計不直觀、作業周期長、工作量大、重復性工作多等缺點,大大減輕工作人員的工作量、節省投資,同時提高了設計精度和效率。三維可視化水工設計系統的研究和應用必將加速推動水電工程設計施工管理一體化、智能化的進程,推動水電建設的高速發展。