GIS在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用與展望

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水利水電工程多數(shù)較為龐大而復(fù)雜。如何采用科學(xué)有效的設(shè)計(jì)方法以提高設(shè)計(jì)效率，怎樣直觀清晰地描述復(fù)雜工程建設(shè)的施工動(dòng)態(tài)過程，是提高工程設(shè)計(jì)和管理現(xiàn)代化水平的關(guān)鍵。因此，尋求新的技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法成為必然趨勢(shì)。ＧＩＳ是近年來迅速發(fā)展起來的一門地學(xué)空間數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的新型空間信息技術(shù)，它把現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)象的空間位置和相關(guān)屬性有機(jī)地結(jié)合起來，滿足用戶對(duì)空間信息的管理，并借助其特有的空間分析功能和可視化表達(dá)，進(jìn)行各種輔助決策。
    一、ＧＩＳ在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用綜述
    將ＧＩＳ應(yīng)用于水利水電工程建設(shè)，以信息的數(shù)字化、直觀化、可視化為出發(fā)點(diǎn)，可以將復(fù)雜施工過程用動(dòng)畫圖像形象地描繪出來，為全面、準(zhǔn)確、快速地分析掌握工程施工全過程提供有力的分析工具，實(shí)現(xiàn)工程信息的高效應(yīng)用與科學(xué)管理，以及設(shè)計(jì)成果的可視化表達(dá)，進(jìn)而為決策與設(shè)計(jì)人員提供直觀形象的信息支持。這給施工組織設(shè)計(jì)與決策提供了一個(gè)科學(xué)簡便、形象直觀的可視化分析手段，有助于推動(dòng)水利水電設(shè)計(jì)工作的智能化、現(xiàn)代化發(fā)展，極大地提高工程設(shè)計(jì)與管理的現(xiàn)代化水平，促進(jìn)工程設(shè)計(jì)界的“設(shè)計(jì)革命”。
    １、ＧＩＳ應(yīng)用于施工導(dǎo)截流三維動(dòng)態(tài)可視化
    采用ＧＩＳ軟件系統(tǒng)與其他平臺(tái)結(jié)合的模式中集成模式與擴(kuò)展連接模式相結(jié)合的方式來開發(fā)施工導(dǎo)截流三維動(dòng)態(tài)可視化仿真系統(tǒng)。將水文實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和大壩施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫存放在ＧＩＳ平臺(tái)的表Ｔａｂｌｅ?中，通過Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＤＤＥ技術(shù)將數(shù)據(jù)傳遞給調(diào)洪演算、日徑流模擬、導(dǎo)流實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算等模塊，這些模塊用ＶＣ＋＋、ＶＢ等平臺(tái)開發(fā)１６，模擬所得數(shù)據(jù)再傳回ＧＩＳ平臺(tái)，以圖形、報(bào)表的形式輸出。ＧＩＳ強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理和圖形顯示輸出能力在這種開發(fā)模式中得到了充分利用。數(shù)據(jù)在ＧＩＳ平臺(tái)和ＶＣ＋＋、ＶＢ等平臺(tái)間簡便迅速地傳遞，保證了系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
    通過系統(tǒng)分解，對(duì)各子系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真計(jì)算和圖形建模，形成初始圖形數(shù)據(jù)庫。各子系統(tǒng)的圖形在ＧＩＳ中以主題地圖Ｔｈｅｍｅ的形式分層存放，圖形有其對(duì)應(yīng)的屬性Ａｔｔｒｉｂｕｔｅｓｏｆ Ｔａｂｌｅ?與之對(duì)應(yīng)，圖形與屬性信息具有一一對(duì)應(yīng)的聯(lián)系。
    ＧＩＳ中三維可視化過程具體表現(xiàn)為：首先創(chuàng)建和組裝三維場(chǎng)景，接著通過三維實(shí)體建模創(chuàng)建三維形狀。三維實(shí)體模型可以直接由其三維形體坐標(biāo)參數(shù)構(gòu)建，也可由二維形體生成，其高度由形體特征的幾何屬性提供，或由表面紋理數(shù)據(jù)提取。三維實(shí)體模型再經(jīng)過紋理、光照、消隱、陰影等計(jì)算顯示在三維場(chǎng)景中。
    借助ＧＩＳ強(qiáng)大的空間查詢能力可以方便地查詢?nèi)我鈺r(shí)刻施工導(dǎo)流面貌及相應(yīng)信息。具體實(shí)現(xiàn)途徑是：通過仿真模塊得到施工系統(tǒng)各方面的信息，包括主體及擋泄水建筑物幾何形體面貌及其屬性，各施工單元的開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、水流幾何形狀及其屬性，由此得到各施工單元任意時(shí)刻的面貌，組合起來得到施工導(dǎo)流系統(tǒng)任意時(shí)刻的整體面貌，把它貯存在施工圖形庫中并與其一一對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，通過用戶輸入的查詢時(shí)刻，查找該時(shí)刻施工圖形庫對(duì)應(yīng)的記錄，激活其所對(duì)應(yīng)的圖素，利用ＧＩＳ的條件查詢與圖形顯示機(jī)制，顯示出該時(shí)刻施工導(dǎo)流場(chǎng)景及導(dǎo)流信息，如圖１所示。
    ２．ＧＩＳ應(yīng)用于地下廠房施工動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)
    ＧＩＳ三維空間數(shù)據(jù)模型主要是表達(dá)空間目標(biāo)的幾何信息和屬性信息，同時(shí)相對(duì)獨(dú)立的表達(dá)空間目標(biāo)的拓?fù)潢P(guān)系。動(dòng)態(tài)演示是依靠對(duì)任意時(shí)刻施工面貌的再現(xiàn)實(shí)現(xiàn)的。首先運(yùn)行仿真程序得到確定方案下的洞室施工過程的信息，包括洞室開挖時(shí)間參數(shù)（持續(xù)時(shí)間、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間）、進(jìn)度參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)，將這些參數(shù)按工序以電子表格的形式輸出。ＧＩＳ讀取這些數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。利用其中的時(shí)間參數(shù)，通過編程生成任一工序任意時(shí)刻的面貌Ｓｉ?ｔ?（ｉ工序ｔ時(shí)刻的面貌），則地下廠房系統(tǒng)任意時(shí)刻的整體面貌Ｓ?ｔ?＝∑Ｓｉ?ｔ?。演示時(shí)通過對(duì)施工面貌數(shù)據(jù)庫的循環(huán)，逐條讀取數(shù)據(jù)庫中每條記錄的形體數(shù)據(jù)及其他的相關(guān)信息，形體數(shù)據(jù)以圖形的形式顯示在三維圖上，其他信息以文本的形式顯示在信息框中。從地下廠房施工面貌動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)中可以獲得以下信息：
    １、虛擬的工程環(huán)境。應(yīng)用三維動(dòng)畫技術(shù)，制作工程的三維模型，在計(jì)算機(jī)內(nèi)虛構(gòu)一個(gè)完整的工程布置，從各種各樣的視角和路徑都能看見。既能在遠(yuǎn)處觀看工程全貌，也能就近了解細(xì)部結(jié)構(gòu)。廠房、引水洞、母線洞、尾水管等建筑物結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系清晰、明了。由于ＧＩＳ所特有的地形顯示功能，使得地下洞室群所處的地形地貌一目了然。
    ２、地下洞室在各個(gè)時(shí)刻的形象進(jìn)度。在施工面貌動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)有時(shí)間坐標(biāo)軸，可觀察任意時(shí)刻的形象進(jìn)度和對(duì)應(yīng)于該時(shí)刻的地下洞室群施工面貌。
    ３、單項(xiàng)洞室開挖過程、工作面數(shù)量和開挖程序等信息。
    ４、洞室群施工中各單洞施工的邏輯關(guān)系。
    ５、施工期間任一時(shí)刻同時(shí)施工的活動(dòng)。
    實(shí)時(shí)演示能夠清晰地顯示單洞施工、洞群施工等時(shí)間、空間上的邏輯關(guān)系，幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)施工方案的分析、確認(rèn)。有助于信息溝通，為決策者提供信息服務(wù)。
    ３、ＧＩＳ應(yīng)用于混凝土壩施工全過程三維動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)
    利用ＧＩＳ強(qiáng)大的空間信息處理能力來表現(xiàn)混凝土壩的復(fù)雜施工過程具有極大優(yōu)越性。ＧＩＳ特有的空間數(shù)據(jù)組織形式能夠充分反映混凝土壩施工系統(tǒng)復(fù)雜的空間關(guān)系和施工過程。在混凝土壩施工全過程三維動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)中，ＧＩＳ的可視化過程，即實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)到圖像的變換，分為三個(gè)子過程：
    （１）數(shù)據(jù)操縱。數(shù)據(jù)操縱主要完成數(shù)據(jù)的過濾，是原始數(shù)據(jù)的加細(xì)或增強(qiáng)，并轉(zhuǎn)化為適合后續(xù)可視化操作的表示形式。
    （２）可視化映射?？梢暬成鋵?shù)據(jù)過濾導(dǎo)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為抽象可視化對(duì)象（ＡＶＯ），體現(xiàn)為各種可視化技術(shù)。ＧＩＳ的可視化過程是基于信息處理的，模型以信息鏈的形式表示，并存放在數(shù)據(jù)庫中。
    （３）繪制。繪制將ＡＶＯ轉(zhuǎn)換為可顯示的圖像?？梢岳茫牵桑訌?qiáng)大的動(dòng)畫及圖形圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)、仿真過程的可視化表達(dá)。
    通過建立坐標(biāo)系，把現(xiàn)實(shí)世界的事物在計(jì)算機(jī)中對(duì)應(yīng)位置重現(xiàn)出來，及建立實(shí)體的數(shù)字模型，并按照一定方式將實(shí)體與其屬性一一對(duì)應(yīng)，從而反映實(shí)體的靜態(tài)空間特征?；炷翂问┕は到y(tǒng)的三維可視化仿真數(shù)學(xué)模型的建立分為兩個(gè)步驟。首先建立數(shù)字地形模型。數(shù)字地形是整個(gè)施工系統(tǒng)布置和活動(dòng)的場(chǎng)所，是三維圖像展示的重要“背景”。通過人工輸入或掃描儀、數(shù)字化儀等將地形原始數(shù)據(jù)（等高線）輸入到系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)過濾后轉(zhuǎn)化為三維矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步生成三維地表面模型ＤＴＭ。利用內(nèi)插手段，可以生成更高精度的ＤＴＭ。ＤＴＭ在經(jīng)紋理、光照等圖先渲染操作，即生成逼真的壩區(qū)數(shù)字地形模型，然后建立混凝土壩施工系統(tǒng)中建筑物的三維實(shí)體模型。ＧＩＳ中提供了ｐｏｉｎｔ，ｌｉｎｅ，ｐｏｌｙｇｏｎ三種最基本的形（ｓｈａｐｅ），利用它們可以反映任意復(fù)雜的對(duì)象。ＧＩＳ的３Ｄ模塊提供了實(shí)現(xiàn)三維圖形的拓?fù)溥\(yùn)算、繪制、渲染、紋理和顯示的功能。與地形模型不同的是，實(shí)體模型尚需反映其屬性信息。實(shí)體與屬性的一一對(duì)應(yīng)可以利用ＧＩＳ的空間數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。另外為了體現(xiàn)施工的動(dòng)態(tài)過程，在反映實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中還應(yīng)包括時(shí)間特征，以便在三維演示中根據(jù)時(shí)間順序調(diào)用不同的實(shí)體單元組成施工面貌。把工程施工任意時(shí)刻的整體面貌儲(chǔ)存在圖形庫中，并與其一一對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，從而在動(dòng)畫演示時(shí)，按時(shí)間順序讀取圖形庫中的形體數(shù)據(jù)及相應(yīng)的屬性信息，不斷更新繪圖變量和屬性變量賦值，并不斷刷新屏幕顯示。這樣高速地顯示一系列靜止圖像，當(dāng)圖像快速連續(xù)時(shí)，由于視覺的暫留，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)混凝土壩施工過程的三維面貌及相應(yīng)信息的動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)利用過程信息，生成三維動(dòng)畫，如圖２。
    ４．ＧＩＳ應(yīng)用于水利水電工程施工總布置可視化動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)
    以ＧＩＳ軟件為平臺(tái)，建立數(shù)字化地形，施工場(chǎng)地布置系統(tǒng)中各系統(tǒng)部件的三維數(shù)字化模型。系統(tǒng)部件的數(shù)據(jù)信息與其他相關(guān)信息，通過映射關(guān)系聯(lián)系形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，成為系統(tǒng)的底層支持。這樣就實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)部件表層的獨(dú)立性和深層的耦合性。根據(jù)不同工程的施工期長短，選擇恰當(dāng)?shù)幕緯r(shí)間步長，再輔以典型時(shí)刻面貌，可以使施工生產(chǎn)管理者對(duì)工程進(jìn)展情況有一個(gè)全面直觀的了解。ＧＩＳ中信息的可視化組織表現(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的操作及管理上。由于ＧＩＳ特有的混合數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，把數(shù)據(jù)貯存形式分為兩個(gè)部分：一是圖形數(shù)據(jù)庫，它主要是存放各種專題圖及組成它們的所有圖素。根據(jù)需要，可將不同性質(zhì)的圖素放在不同的圖層上，以便今后查詢或進(jìn)行圖層疊加分析。二是圖素的屬性數(shù)據(jù)庫，它主要用來存放描述圖素的屬性數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過內(nèi)部代碼和用戶標(biāo)識(shí)碼作為公共數(shù)據(jù)項(xiàng)連接起來，使得描述圖素的屬性數(shù)據(jù)與其圖素建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
    該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體功能概括如下：
    （１） 顯示樞紐施工總布置三維全景。
    （２） 演示樞紐施工全過程三維動(dòng)態(tài)形象，直觀反映各組成部分空間上和時(shí)間上的相互關(guān)系。
    （３） 基于三維樞紐布置模型上實(shí)現(xiàn)樞紐布置的各種信息可視化查詢，包括建筑物設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)圖紙、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、附屬物信息、工程施工進(jìn)度等。
    （４） 實(shí)現(xiàn)樞紐施工全過程總體施工強(qiáng)度的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果動(dòng)態(tài)的柱狀圖顯示，包括混凝土澆筑強(qiáng)度、施工機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)率、砂石料等原材料需求量及人力需求量等信息的統(tǒng)計(jì)顯示。
    （５） 實(shí)現(xiàn)樞紐工程主要建筑物施工全過程動(dòng)態(tài)演示，包括地下洞室群施工全過程仿真及演示、大壩混凝土澆筑全過程仿真及演示、施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸系統(tǒng)仿真與演示等。
    二、討論與展望
    ＧＩＳ本身在不斷發(fā)展，它在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用亦需不斷發(fā)展。應(yīng)用的發(fā)展不僅要與ＧＩＳ本身的發(fā)展相結(jié)合，還要與水利水電工程專業(yè)相結(jié)合。在水利水電工程未來的建設(shè)中，ＧＩＳ與其他技術(shù)的結(jié)合將更加緊密，應(yīng)用更加廣泛。
    １、三維建模
    ＧＩＳ中三維幾何造型技術(shù)已很成熟，對(duì)于三維地質(zhì)模型的建立、圖形顯示目前均有較多研究。但水利水電工程中三維數(shù)字地形模型的建立大多只是停留在面模型這一層面上。對(duì)諸如壩區(qū)地形模型等的地質(zhì)模型的構(gòu)造，除層狀地層外仍有一定難度。常用模型方法有兩種：表面模型和實(shí)體模型。兩種模型對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體非均勻性的描述均感不足。ＧＩＳ用于水利水電工程中地質(zhì)建模是今后應(yīng)用研究的主要內(nèi)容之一。但影響ＧＩＳ數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素繁多，存在許多不確定性，把握適度質(zhì)量有一定難度。若進(jìn)入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)質(zhì)量過高，則造成浪費(fèi)；反之，質(zhì)量偏低，則達(dá)不到要求。
    ２、４Ｄ ＧＩＳ
    三維ＧＩＳ目前研究重點(diǎn)集中在三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的運(yùn)用，三維系統(tǒng)的功能和模塊設(shè)計(jì)等方面。但是，地理信息系統(tǒng)所描述的地理對(duì)象往往具有時(shí)間屬性，即時(shí)態(tài)。隨著時(shí)間的推移、地理對(duì)象的特征會(huì)發(fā)生變化，而目前大多數(shù)地理信息系統(tǒng)都不能很好地支持地理對(duì)象和組合事件維的處理。實(shí)際上許多用戶要求都是基于時(shí)間特征的，如洪水的最高水位變化等。對(duì)這樣的應(yīng)用背景，僅采取作為屬性數(shù)據(jù)庫中的一個(gè)屬性不能很好地解決問題。故，如何設(shè)計(jì)并運(yùn)用４ＤＧＩＳ來描述、處理對(duì)象的時(shí)態(tài)特征也是個(gè)重要研究領(lǐng)域。
    ３、ＷｅｂＧＩＳ
    水利水電工程中地理信息和數(shù)據(jù)的交流范圍要求越來越廣泛。隨著Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的發(fā)展，利用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技術(shù)在Ｗｅｂ上發(fā)布空間數(shù)據(jù)供用戶瀏覽、使用是ＧＩＳ發(fā)展的必然趨勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)ＧＩＳ（ＷｅｂＧＩＳ），以網(wǎng)絡(luò)瀏覽器為應(yīng)用工作平臺(tái)，使得從ＷＷＷ的任一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用戶可以瀏覽ＷｅｂＧＩＳ站點(diǎn)中的空間數(shù)據(jù)，制作專題圖，并進(jìn)行各種空間檢索和空間分析，且能在多個(gè)客戶端實(shí)現(xiàn)原來在本機(jī)上才能實(shí)現(xiàn)的功能。由于水利工程中地理信息和大量的空間數(shù)據(jù)都是以文字、數(shù)字、圖形和影像方式表示的，將它們數(shù)字化，便可方便、快速和及時(shí)地將地理信息傳遞到需要的地方，發(fā)揮ＧＩＳ在整個(gè)水利水電工程中的應(yīng)用價(jià)值。數(shù)據(jù)的保密性需加以控制。
    ４、ＣｏｍＧＩＳ
    水利水電工程布置方案的可視化的要求已不局限在單純的表現(xiàn)上。對(duì)于布置方案交互式修改，組件式ＧＩＳ（ＣｏｍＧＩＳ）也是重要的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)之一。
    三、結(jié) 語
    ＧＩＳ強(qiáng)大的空間分析功能和圖形顯示功能為工程設(shè)計(jì)和研究成果的可視化表達(dá)提供了有力的現(xiàn)代化手段。但是，ＧＩＳ應(yīng)用到水利水電工程建設(shè)中還有許多不盡如人意的地方，如計(jì)算功能相對(duì)薄弱等，可通過與不同技術(shù)之間的融合來克服。隨著ＧＩＳ應(yīng)用的深入研究，單一的ＧＩＳ應(yīng)用系統(tǒng)所存在的缺陷和不足將被逐步解決和弱化。融合各種技術(shù)手段成為ＧＩＳ應(yīng)用的明朗趨勢(shì)，不管是與仿真技術(shù)結(jié)合，抑或是在３Ｓ、４Ｓ的集成概念中，所體現(xiàn)的都是一種多個(gè)系統(tǒng)、多種技術(shù)集成的思想，這同時(shí)也將促進(jìn)ＧＩＳ的更深入應(yīng)用。隨著大型水利水電工程信息管理的實(shí)時(shí)、快速化要求，基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡乩硇畔⑾到y(tǒng)應(yīng)用成為將來ＧＩＳ與工程結(jié)合應(yīng)用研究的方向。
    總之，應(yīng)將ＧＩＳ與其他可以結(jié)合的技術(shù)集成，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，取長補(bǔ)短，綜合地為水利水電工程建設(shè)服務(wù)。