水工结构工程与三维可视化技术研究

2022-05-07袁凤娟

工程与建设 2022年2期

袁凤娟

(安徽省阜阳市水利规划设计院有限公司，安徽阜阳 236000)

0 引言

三维可视化技术是一种高效的、高精度的绘制建模技术，不仅可以在一幅数字场景中实现物理世界全要素的还原，同时还可以结合实时数据的处理、计算，实现数字世界与物理世界的互联互通，并以此为基础构建数字孪生体。因此，有必要对水工结构工程与三维可视化技术展开分析，以便三维可视化技术在水工结构工程中得到更好的应用。

1 可视化仿真技术主要内容

三维可视化技术与多媒体、网络技术的结合，使得数据处理虚拟化，通过对对象的全方位监控，建立以现实为基础的3D虚拟现实效果，可使数据呈现更加直观、易于理解[1]。可视化应用可分为以下三类。

1.1 宏观态势可视化

宏观态势的可视化是指在特定环境下，能够感知随时间推移而不断变化的目标实体，直观、灵活、生动地展现宏观态势，迅速把握某一领域的总体态势、特征[2]。

1.2 设备仿真运行可视化

将计算机程控技术与实体模型、图像、三维动画等技术相结合，实现了设备的可视化表达，使管理者对设备有了具体的管理理念，了解了设备的位置、外形及所有参数，大大降低了管理者的劳动强度，提高了管理效率和水平。

1.3 数据统计分析可视化

现已被广泛应用于商业智能、政府决策、公共服务、市场营销等诸多领域。借助直观的数据图表，能够清晰、有效地传达和传递信息[3]。

2 水工结构工程三维可视化关键技术

2.1 三维数据结构

水工结构工程体一般为不规则形，如图1所示。在计算机图形学中，通常都是用许多微小的直线段和三角面来模拟地层的岩性和岩层的表面。也就是说，岩层界面和地表曲线、地下水位等地质界面，以及岩层曲面等，是由许多微小的直线段和三角面构成的集合。在水工结构工程中，地质体的三维空间数据结构是三维建模和可视化的基础，这就要求具有高效的三维数据结构，以保证人机交互和查询的实现。

图1 水工结构工程三维可视化图

2.2 曲面求交

在地层不整合、断层错断岩层、地层尖灭、地下水出露于河谷地表的情况下，地质体中存在着大量的层面，这就使地质体三维模式的上部边界成为地表曲面，通过数学方法拟合出的岩层表面或地下水位面不应超过表面，即不应超出局部显示。同理，当显示多层地层时，岩层下方的每一层都应以其上岩层作为界限。所以，要实现可视化地层界面，就必须解决地层面与地表、断层面及其他地层面的交叉。而在剖面图成图中，地质界线的绘制则是通过显示剖面平面和各种地质界面曲面的交点来完成的。所以，曲面求交是一个在地质界面层面上的交集，而在地质界面上的交集又包括两类问题。

2.3 三维拓扑结构分析

拓扑是一种地质学意义上的地质学对象间关系的形式，拓扑表储存了层间上覆、下伏和交切(由断层断裂带的拓扑表现)等地层学关系和地质空间位置关系。拓扑学还可以被看作是允许这些地质关系被合理存储的数据结构。举例来说，考虑多层地层时，上部岩层的底面和与其相邻下一岩层的顶面是上下岩层两个实体的共同部分或共享边界，二者之间的拓扑关系是相邻且相同的关系。当存储数据时，可将上一层岩层的底面或相邻下一层岩层的顶面，也就是相邻岩层的边界曲面作为地层曲面保存，从而大大减少数据的存储难度与空间需求。在此基础上，提出了一种基于网络的地质体拓扑结构评价方法。

2.4 可视化技术

水工程复杂地质体的可视化是利用计算机技术对工程勘测所获得的数据进行处理，以可视化为目的，将工程数据和测量数据转化为一种便于交互分析的地下地质结构空间形态立体图和剖面图。应用可视化技术，可以从大量的地质调查资料中，构造出地质工程中对于边坡稳定、地下洞室变形破坏等关键作用的岩体结构面，并显示出其范围、走向和交叉关系，可使水工结构工程师能够对原始数据做出正确解释，从而为水工结构工程分析的具体问题提供决策支持[4]。

3 水工结构工程三维可视化系统的基本框架

3.1 基本框架设计

三维可视化系统的基本框架设计，包括模型选取、缩放漫游设计、坐标查询设计等。基础运算模块基本上涵盖了系统中所用到的所有运算，在基础运算模块的设计过程中，坐标查询的运算是非常重要的，只有保证坐标查询的准确性，才能保证三维可视化的查询精度和分析精度。利用正解变换法和逆解变换法，都可以实现坐标查询操作模块的设计。正解变换法是将三维空间中的不同点坐标，通过特殊的转换方法转化为二维屏幕，并与鼠标点击的目标进行匹配，从而得到目标点的三维坐标。逆解变换方法是将三维空间中与投影矩阵相对应的逆矩阵转化为三维点坐标，从而得到选定目标的坐标值。该系统采用逆解变换法完成了坐标系查询模块的设计。

3.2 地标模块设计

地标模块设计系统中，地标编辑模块是非常关键的部分，利用这个模块可以实现地标的各种操作。在编辑过程中，可以将视点作为目标点，以完成目标点的编辑。名称编辑过程中，要精确地确定视点的具体位置，确定父节点，然后把对应的名字输入其中，这样就可以在父节点下面形成特定的子节点。该系统通过设置子节点的具体漫游方式，实现了相机编辑操作中渐变、跳跃、移动、路径等四种不同的漫游方式，以满足用户的多种功能需求。最关键的是查找功能，对于不同的节点属性，可以进行模糊查询，例如，用户输入“山”，就能显示出“山东”“山西”“唐山”“鞍山”“马鞍山”“黄山”等所有具有“山”字的节点。特性内容包含有地名和经纬度等，当用户点击要查询的节点时，系统可以自动漫游到这个节点位置。

3.3 编辑模块设计

模式编辑模组的功能是对某些外界输入的立体视觉模组执行作业命令。在模型编辑模块中，包含了大量的图形信息资源和符号信息资源，模型符号包含了两个不同的类型，分别是三维模型和四维符号。三维模型指的是使用相应的建模软件，如3D MAX软件，建立的与现实事物非常接近的某些尺寸按照一定比例缩放的模型。模型符号具有直观性、形象性等特点，可以应用于多种领域。该系统有一个“编辑”按钮，它主要是用来编辑一些外部导入的模型，可以改变导入模型的自身属性，如改变模型的高度、经纬度和角度等。通过改变模型的这些属性信息，可以将模型放至更合适的位置[5]。