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GIS在水利水電工程建設(shè)中的應(yīng)用與展望
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(shè)計方法以提高設(shè)計效率，怎樣直觀清晰地描述復雜工程建設(shè)的施工動態(tài)過程，是提高工程設(shè)計和管理現(xiàn)代化水平的關(guān)鍵。因此，尋求新的技術(shù)和計算機輔助設(shè)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(jié)合的新型空間信息技術(shù)，它把現(xiàn)實世界中對象的空間位置和相關(guān)屬性有機地結(jié)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(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，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(yīng)用與科學管理，以及設(shè)計成果的可視化表達，進而為決策與設(shè)計人員提供直觀形象的信息支持。這給施工組織設(shè)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(shè)計工作的智能化、現(xiàn)代化發(fā)展，極大地提高工程設(shè)計與管理的現(xiàn)代化水平，促進工程設(shè)計界的“設(shè)計革命”。
1.GIS應(yīng)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(jié)合的模式中集成模式與擴展連接模式相結(jié)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(shù)將數(shù)據(jù)傳遞給調(diào)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(diào)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(yīng)的屬性Attributesof Table 與之對應(yīng)，圖形與屬性信息具有一一對應(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(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。三維實體模型再經(jīng)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?nèi)我鈺r刻施工導流面貌及相應(yīng)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(yīng)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(yīng)的記錄，激活其所對應(yīng)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(yīng)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(guān)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(jié)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(zhuǎn)換成相應(yīng)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(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)用三維動畫技術(shù)，制作工程的三維模型，在計算機內(nèi)虛構(gòu)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(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(yīng)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(guān)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(guān)系，幫助設(shè)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(wù)。
3.GIS應(yīng)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(guān)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(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)過濾導出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為抽象可視化對象(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。可以利用GIS強大的動畫及圖形圖像處理技術(shù)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(yīng)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(yīng)，從而反映實體的靜態(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(jīng)過數(shù)據(jù)過濾后轉(zhuǎn)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(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(yīng)可以利用GIS的空間數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中還應(yīng)包括時間特征，以便在三維演示中根據(jù)時間順序調(diào)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(yīng)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(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(yīng)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(yīng)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(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(chǎn)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(shè)計結(jié)構(gòu)，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(zhì)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)�？臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過內(nèi)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(yīng)的關(guān)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(guān)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(shè)計參數(shù)、設(shè)計圖紙、基礎(chǔ)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(jié)果動態(tài)的柱狀圖顯示，包括混凝土澆筑強度、施工機械設(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(nèi)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(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：表面模型和實體模型。兩種模型對復雜地質(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。若進入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)質(zhì)量過高，則造成浪費;反之，質(zhì)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(jié)構(gòu)的設(shè)計、優(yōu)化與實現(xiàn)技術(shù)的運用，三維系統(tǒng)的功能和模塊設(shè)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(yīng)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(shè)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(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。網(wǎng)絡(luò)GIS(WebGIS)，以網(wǎng)絡(luò)瀏覽器為應(yīng)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(yīng)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(yīng)用發(fā)展趨勢之一。
三、結(jié) 語
GIS強大的空間分析功能和圖形顯示功能為工程設(shè)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(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，如計算功能相對薄弱等，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，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)的都是一種多個系統(tǒng)、多種技術(shù)集成的思想，這同時也將促進GIS的更深入應(yīng)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(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，取長補短，綜合地為水利水電工程建設(shè)服務(wù)。
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