李勇鹏

(甘肃省甘南藏族自治州水利技术综合服务站，甘肃 甘南 747000)

0 引言

水力结构的监测使用传感器作为工具。由于测量点的安排和测量结果呈空间性分布，但技术人员通常根据传感器的位置信息，建立监测项目的空间分布图反映其大小和位置变化。这种监测数据的显示方式，需要用户对建筑物和设备的布置情况足够熟悉，因此监测信息的利用效率非常低。

可视化展示平台的测量现场位置可以用三维坐标来表示，监测结果信息也可以通过计算机轻松显示。周锦荣等[1]研究表明，基于NB-IoT 云服务智能安全用电装置可以实现多源施工信息的集成和交互式查询和可视化分析。它可以为全用电装置控制和管理提供重要的理论和技术支撑。田茂杰等[2]建立了基于激光点云的架空线路工况模拟。本文研究和开发了监测数据的显示平台。结合西南某水电工程的地下洞室，实现了虚拟环境、场景漫游、施工进度查询和监测信息交互控制。既能满足现场工程需要，又能满足管理部门的宏观调度。该平台的研究成果在施工进度、监控信息管理和展示等方面进行了积极探索。

1 平台框架

1.1 后端数据库模块

该模块是整个系统的基础，存储着系统所需的空间和属性信息。空间数据包括二维线图数据、三维场景模型数据、图像数据和各部件的三维模型数据。属性数据包括组件的信息数据和纹理数据。

1.2 地理信息管理模块

此模块结合了构成场景的地理位置和属性数据，能够快速准确地定位和查询，提供信息表示所需的其他服务。如三维漫游时地形数据的调度、多维信息表示中的坐标转换等。

1.3 前端信息表示模块

该模块为用户提供各种信息表现形式和可进行的操作。三维场景图界面给用户一种身临其境的感觉，用户可以在其中自然移动，查看场景的属性数据、结构设备和定位查询的位置。二维地图反映了结构物在地形上的位置和地理关系，主要用于三维漫游的导航、漫游位置的快速定位等。

三维信息管理平台是一个基于”虚拟现实”技术的数据、模型、图片和视频的综合平台。该平台具有直观性、实时性和互动性特点，比传统的管理平台更容易被用户理解和应用。平台以模型为独立对象，通过链接独立对象的监测数据，用户可以直接对模型对象进行操作。其功能框架见图1。

图1 平台的功能框架

2 安全监测信息三维可视化显示平台的开发与应用

西南某水电工程将主机楼、主变室、涌水室、引水隧洞和尾水隧洞布置在地下，各单洞和大洞构成了一个交汇的地下洞室群结构。安全监测信息的三维可视化显示平台能够生动地模拟并交互查询施工过程中的监测结果，可以实时显示围岩的安全状态。TST-VR 仿真平台是集多边形建模、矢量建模和实时渲染为一体的开发软件。它提供了操作数据库文件的接口功能，可以添加自定义数据库实体、扩展功能、扩展/生成工具和算法，使应用工具的开发更加深入[3]。

2.1 平台三维漫游模块的开发

系统平台对整个地下洞室群进行几何化重建[4]。通过数学方法建立地下引水发电系统的几何模型，并将其输入计算机。几何模型完全按照甲方提供的CAD 图纸进行构建，以保证准确性。

图2 平台系统的建设过程

系统平台对几何模型的颜色、灯光、材料和纹理进行处理，并最终将几何图形元素及其视觉特征转换为可用于显示的图形或图像。因此，真实性可得到保证。在渲染三维场景之前，系统平台会设置相关的场景参数值。这些参数包括光源的属性(镜面光、漫反射光和环境光)、光源方位角(距离和方向)、光影处理方式(平滑处理或平板处理)和纹理贴图的方式[5]。三维空间场景通过投影转化为计算机屏幕上的二维图像。系统平台采用了透视投影技术，以便更好地模拟真实世界。在三维场景漫游中，用户可通过鼠标或键盘控制视点的位置、视觉方向和参考方向。当视点的位置、方向和参考方向发生变化时，物体在场景中相对于用户的方向也发生变化。

2.2 地下洞室施工进度模拟的三维可视化模块

三维可视化模型按照施工计划划分为若干块，通过高程和桩号数据的变化，实时显示各洞口当前的施工进度。根据CAD 图纸，建立每个空腔的几何模型。根据施工计划，每个空腔的几何模型被划分为不同的层和块，有独立的地址号。为腔体几何模型的独立层和块设置不同的颜色、光照、材料和纹理，这可在施工过程中区分完成和未完成的层和块。开发腔体施工进度模拟的参数设置界面。通过对主机楼和主变空腔的施工方式层块、标高、桩号等参数的设置，可以实时模拟出主机楼、主变空腔当前施工进度的三维可视化模型。建立背景数据库，保存每个时期输入的施工参数，以便为后续施工提供可靠的施工数据和经验参数。开发进度回放功能，可以实时浏览施工过程的三维可视化模拟模型。

图3 挖掘进度分层和地下植物碎裂的动态演示截图

2.3 传感器的布局、显示和查询模块

通过标高、桩号等数据，将监测传感器模型添加到三维视觉场景中，根据不同功能进行分类， 有独立的ID 号。建立不同监测传感器的三维可视化模型，如多点位移计、螺栓应力计和锚绳测力计。为不同的传感器设置了不同的颜色、灯光、材质和纹理，这样用户就可以更快、更准确地分辨出不同的传感器。开发传感器安装模块。通过该模块，用户可以在场景中任意位置添加传感器的三维可视化模型，并进行旋转、平移、缩放等操作。同时，用户可以为传感器设置独立的ID 号。通过传感器模型的识别功能。明显的标识可以被添加到传感器上，因此用户可容易地进行区分和查询。传感器的设置和地质剖面的安排为了地下洞穴。当选择不同的地质剖面时，可显示不同剖面上的传感器。建立了地下洞室室内场景的三维视觉模型。用户可以通过室内漫游，来了解建设后的岩洞的室内场景。根据传感器的安装位置确定地质断面。通过选择不同的地质断面，可打开并了解三维场景。

2.4 监测结果的显示模块

可以在系统平台上通过点击鼠标选择任意一个传感器的测量点。通过过程图查询功能模块，打开测量点的过程线图，测量值随时间变化。根据需要，过程图界面显示测量点的名称、编号、埋深、测量原始值、物理有效值量、日期等。系统平台可将同一或不同监测断面的某类或某组测量点设为一个分布单元，并可为其设置固定的ID。通过在分布单元上点击鼠标，查看设定时间内的测量值分布。

该平台经测试运行，对监察信息查询和控制等操作的故障率为0.0178%，远低于市场同类水电工程安全检测可视化平台0.0856%的故障率，因此可以提高水电工程的管理效率。

3 结语

水电工程三维信息管理平台是现代信息技术、施工技术和管理技术的结合。其显示的安全监测数据和结果，对西南某水电工程洞室施工过程中围岩的稳定性评价具有重要意义。本项目开发的三维信息管理平台系统，是利用三维模型实现施工过程的动态安全可视化分析。不仅可以模拟工程的真实地质形态，使动态图形更加准确、生动、逼真，而且可以更加了解地下洞室群地质情况和变形应力。因此可以为项目决策提供更多的信息，有助于对施工方案的分析和确认。