GIS在水利水電工程建設中的應用與展望

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水利水電工程多數(shù)較為龐大而復雜。如何采用科學有效的設計方法以提高設計效率，怎樣直觀清晰地描述復雜工程建設的施工動態(tài)過程，是提高工程設計和管理現(xiàn)代化水平的關鍵。因此，尋求新的技術和計算機輔助設計的方法成為必然趨勢。ＧＩＳ是近年來迅速發(fā)展起來的一門地學空間數(shù)據(jù)與計算機相結合的新型空間信息技術，它把現(xiàn)實世界中對象的空間位置和相關屬性有機地結合起來，滿足用戶對空間信息的管理，并借助其特有的空間分析功能和可視化表達，進行各種輔助決策。
    一、ＧＩＳ在水利水電工程建設中的應用綜述
    將ＧＩＳ應用于水利水電工程建設，以信息的數(shù)字化、直觀化、可視化為出發(fā)點，可以將復雜施工過程用動畫圖像形象地描繪出來，為全面、準確、快速地分析掌握工程施工全過程提供有力的分析工具，實現(xiàn)工程信息的高效應用與科學管理，以及設計成果的可視化表達，進而為決策與設計人員提供直觀形象的信息支持。這給施工組織設計與決策提供了一個科學簡便、形象直觀的可視化分析手段，有助于推動水利水電設計工作的智能化、現(xiàn)代化發(fā)展，極大地提高工程設計與管理的現(xiàn)代化水平，促進工程設計界的“設計革命”。
    １、ＧＩＳ應用于施工導截流三維動態(tài)可視化
    采用ＧＩＳ軟件系統(tǒng)與其他平臺結合的模式中集成模式與擴展連接模式相結合的方式來開發(fā)施工導截流三維動態(tài)可視化仿真系統(tǒng)。將水文實時數(shù)據(jù)庫和大壩施工實時數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫存放在ＧＩＳ平臺的表Ｔａｂｌｅ?中，通過Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＤＤＥ技術將數(shù)據(jù)傳遞給調洪演算、日徑流模擬、導流實時風險率計算等模塊，這些模塊用ＶＣ＋＋、ＶＢ等平臺開發(fā)１６，模擬所得數(shù)據(jù)再傳回ＧＩＳ平臺，以圖形、報表的形式輸出。ＧＩＳ強大的數(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平臺和ＶＣ＋＋、ＶＢ等平臺間簡便迅速地傳遞，保證了系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的協(xié)調統(tǒng)一。
    通過系統(tǒng)分解，對各子系統(tǒng)分別進行仿真計算和圖形建模，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，圖形有其對應的屬性Ａｔｔｒｉｂｕｔｅｓｏｆ Ｔａｂｌｅ?與之對應，圖形與屬性信息具有一一對應的聯(lián)系。
    ＧＩＳ中三維可視化過程具體表現(xiàn)為：首先創(chuàng)建和組裝三維場景，接著通過三維實體建模創(chuàng)建三維形狀。三維實體模型可以直接由其三維形體坐標參數(shù)構建，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。三維實體模型再經過紋理、光照、消隱、陰影等計算顯示在三維場景中。
    借助ＧＩＳ強大的空間查詢能力可以方便地查詢任意時刻施工導流面貌及相應信息。具體實現(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間、持續(xù)時間、水流幾何形狀及其屬性，由此得到各施工單元任意時刻的面貌，組合起來得到施工導流系統(tǒng)任意時刻的整體面貌，把它貯存在施工圖形庫中并與其一一對應的屬性數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，通過用戶輸入的查詢時刻，查找該時刻施工圖形庫對應的記錄，激活其所對應的圖素，利用ＧＩＳ的條件查詢與圖形顯示機制，顯示出該時刻施工導流場景及導流信息，如圖１所示。
    ２．ＧＩＳ應用于地下廠房施工動態(tài)演示系統(tǒng)
    ＧＩＳ三維空間數(shù)據(jù)模型主要是表達空間目標的幾何信息和屬性信息，同時相對獨立的表達空間目標的拓撲關系。動態(tài)演示是依靠對任意時刻施工面貌的再現(xiàn)實現(xiàn)的。首先運行仿真程序得到確定方案下的洞室施工過程的信息，包括洞室開挖時間參數(shù)（持續(xù)時間、開始時間、結束時間）、進度參數(shù)、強度參數(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)并將其轉換成相應的數(shù)據(jù)庫。利用其中的時間參數(shù)，通過編程生成任一工序任意時刻的面貌Ｓｉ?ｔ?（ｉ工序ｔ時刻的面貌），則地下廠房系統(tǒng)任意時刻的整體面貌Ｓ?ｔ?＝∑Ｓｉ?ｔ?。演示時通過對施工面貌數(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。應用三維動畫技術，制作工程的三維模型，在計算機內虛構一個完整的工程布置，從各種各樣的視角和路徑都能看見。既能在遠處觀看工程全貌，也能就近了解細部結構。廠房、引水洞、母線洞、尾水管等建筑物結構的相互關系清晰、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、地下洞室在各個時刻的形象進度。在施工面貌動態(tài)演示系統(tǒng)有時間坐標軸，可觀察任意時刻的形象進度和對應于該時刻的地下洞室群施工面貌。
    ３、單項洞室開挖過程、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系。
    ５、施工期間任一時刻同時施工的活動。
    實時演示能夠清晰地顯示單洞施工、洞群施工等時間、空間上的邏輯關系，幫助設計人員對施工方案的分析、確認。有助于信息溝通，為決策者提供信息服務。
    ３、ＧＩＳ應用于混凝土壩施工全過程三維動態(tài)演示系統(tǒng)
    利用ＧＩＳ強大的空間信息處理能力來表現(xiàn)混凝土壩的復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)復雜的空間關系和施工過程。在混凝土壩施工全過程三維動態(tài)演示系統(tǒng)中，ＧＩＳ的可視化過程，即實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)到圖像的變換，分為三個子過程：
    （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)的加細或增強，并轉化為適合后續(xù)可視化操作的表示形式。
    （２）可視化映射?？梢暬成鋵?shù)據(jù)過濾導出的數(shù)據(jù)轉換為抽象可視化對象（ＡＶＯ），體現(xiàn)為各種可視化技術。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轉換為可顯示的圖像?？梢岳茫牵桑訌姶蟮膭赢嫾皥D形圖像處理技術實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)、仿真過程的可視化表達。
    通過建立坐標系，把現(xiàn)實世界的事物在計算機中對應位置重現(xiàn)出來，及建立實體的數(shù)字模型，并按照一定方式將實體與其屬性一一對應，從而反映實體的靜態(tài)空間特征。混凝土壩施工系統(tǒng)的三維可視化仿真數(shù)學模型的建立分為兩個步驟。首先建立數(shù)字地形模型。數(shù)字地形是整個施工系統(tǒng)布置和活動的場所，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)，經過數(shù)據(jù)過濾后轉化為三維矢量數(shù)據(jù)，進一步生成三維地表面模型ＤＴＭ。利用內插手段，可以生成更高精度的ＤＴＭ。ＤＴＭ在經紋理、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雜的對象。ＧＩＳ的３Ｄ模塊提供了實現(xiàn)三維圖形的拓撲運算、繪制、渲染、紋理和顯示的功能。與地形模型不同的是，實體模型尚需反映其屬性信息。實體與屬性的一一對應可以利用ＧＩＳ的空間數(shù)據(jù)組織結構來實現(xiàn)。另外為了體現(xiàn)施工的動態(tài)過程，在反映實體的數(shù)據(jù)結構中還應包括時間特征，以便在三維演示中根據(jù)時間順序調用不同的實體單元組成施工面貌。把工程施工任意時刻的整體面貌儲存在圖形庫中，并與其一一對應的屬性數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，從而在動畫演示時，按時間順序讀取圖形庫中的形體數(shù)據(jù)及相應的屬性信息，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，當圖像快速連續(xù)時，由于視覺的暫留，從而實現(xiàn)了整個混凝土壩施工過程的三維面貌及相應信息的動態(tài)顯示。同時利用過程信息，生成三維動畫，如圖２。
    ４．ＧＩＳ應用于水利水電工程施工總布置可視化動態(tài)演示系統(tǒng)
    以ＧＩＳ軟件為平臺，建立數(shù)字化地形，施工場地布置系統(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)信息與其他相關信息，通過映射關系聯(lián)系形成基礎數(shù)據(jù)庫，成為系統(tǒng)的底層支持。這樣就實現(xiàn)了各系統(tǒng)部件表層的獨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?shù)幕緯r間步長，再輔以典型時刻面貌，可以使施工生產管理者對工程進展情況有一個全面直觀的了解。ＧＩＳ中信息的可視化組織表現(xiàn)在對系統(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)庫設計結構，把數(shù)據(jù)貯存形式分為兩個部分：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，可將不同性質的圖素放在不同的圖層上，以便今后查詢或進行圖層疊加分析。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)通過內部代碼和用戶標識碼作為公共數(shù)據(jù)項連接起來，使得描述圖素的屬性數(shù)據(jù)與其圖素建立一一對應的關系。
    該系統(tǒng)實現(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態(tài)形象，直觀反映各組成部分空間上和時間上的相互關系。
    （３） 基于三維樞紐布置模型上實現(xiàn)樞紐布置的各種信息可視化查詢，包括建筑物設計參數(shù)、設計圖紙、基礎數(shù)據(jù)、附屬物信息、工程施工進度等。
    （４） 實現(xiàn)樞紐施工全過程總體施工強度的實時統(tǒng)計及統(tǒng)計結果動態(tài)的柱狀圖顯示，包括混凝土澆筑強度、施工機械設備生產率、砂石料等原材料需求量及人力需求量等信息的統(tǒng)計顯示。
    （５） 實現(xiàn)樞紐工程主要建筑物施工全過程動態(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、施工場內交通運輸系統(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中的應用亦需不斷發(fā)展。應用的發(fā)展不僅要與ＧＩＳ本身的發(fā)展相結合，還要與水利水電工程專業(yè)相結合。在水利水電工程未來的建設中，ＧＩＳ與其他技術的結合將更加緊密，應用更加廣泛。
    １、三維建模
    ＧＩＳ中三維幾何造型技術已很成熟，對于三維地質模型的建立、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。對諸如壩區(qū)地形模型等的地質模型的構造，除層狀地層外仍有一定難度。常用模型方法有兩種：表面模型和實體模型。兩種模型對復雜地質體非均勻性的描述均感不足。ＧＩＳ用于水利水電工程中地質建模是今后應用研究的主要內容之一。但影響ＧＩＳ數(shù)據(jù)質量的因素繁多，存在許多不確定性，把握適度質量有一定難度。若進入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)質量過高，則造成浪費；反之，質量偏低，則達不到要求。
    ２、４Ｄ ＧＩＳ
    三維ＧＩＳ目前研究重點集中在三維數(shù)據(jù)結構的設計、優(yōu)化與實現(xiàn)技術的運用，三維系統(tǒng)的功能和模塊設計等方面。但是，地理信息系統(tǒng)所描述的地理對象往往具有時間屬性，即時態(tài)。隨著時間的推移、地理對象的特征會發(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象和組合事件維的處理。實際上許多用戶要求都是基于時間特征的，如洪水的最高水位變化等。對這樣的應用背景，僅采取作為屬性數(shù)據(jù)庫中的一個屬性不能很好地解決問題。故，如何設計并運用４ＤＧＩＳ來描述、處理對象的時態(tài)特征也是個重要研究領域。
    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。網絡ＧＩＳ（ＷｅｂＧＩＳ），以網絡瀏覽器為應用工作平臺，使得從ＷＷＷ的任一個節(jié)點，用戶可以瀏覽ＷｅｂＧＩＳ站點中的空間數(shù)據(jù)，制作專題圖，并進行各種空間檢索和空間分析，且能在多個客戶端實現(xiàn)原來在本機上才能實現(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、快速和及時地將地理信息傳遞到需要的地方，發(fā)揮ＧＩＳ在整個水利水電工程中的應用價值。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。對于布置方案交互式修改，組件式ＧＩＳ（ＣｏｍＧＩＳ）也是重要的應用發(fā)展趨勢之一。
    三、結 語
    ＧＩＳ強大的空間分析功能和圖形顯示功能為工程設計和研究成果的可視化表達提供了有力的現(xiàn)代化手段。但是，ＧＩＳ應用到水利水電工程建設中還有許多不盡如人意的地方，如計算功能相對薄弱等，可通過與不同技術之間的融合來克服。隨著ＧＩＳ應用的深入研究，單一的ＧＩＳ應用系統(tǒng)所存在的缺陷和不足將被逐步解決和弱化。融合各種技術手段成為ＧＩＳ應用的明朗趨勢，不管是與仿真技術結合，抑或是在３Ｓ、４Ｓ的集成概念中，所體現(xiàn)的都是一種多個系統(tǒng)、多種技術集成的思想，這同時也將促進ＧＩＳ的更深入應用。隨著大型水利水電工程信息管理的實時、快速化要求，基于網絡傳輸?shù)牡乩硇畔⑾到y(tǒng)應用成為將來ＧＩＳ與工程結合應用研究的方向。
    總之，應將ＧＩＳ與其他可以結合的技術集成，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，取長補短，綜合地為水利水電工程建設服務。