GIS在水利水电工程建设中的应用与展望

GIS在水利水电工程建设中的应用与展望摘要：地理信息系统（ＧＩＳ）作为一种工具在许多领域中得到了越来越广泛的应用。结合近年来ＧＩＳ在水利水电工程建设中的应用情况，从技术角度综述了ＧＩＳ在水利工程建设中的应用现状，并展望了ＧＩＳ在水利水电工程建设领域应用的发展前景。关键词：地理信息系统水利水电工程仿真应用水利水电工程多数较为庞大而复杂。如何采用科学有效的设计方法以提高设计效率，怎样直观清晰地描述复杂工程建设的施工动态过程，是提高工程设计和管理现代化水平的关键。因此，寻求新的技术和计算机辅助设计的方法成为必然趋势。ＧＩＳ是近年来迅速发展起来的一门地学空间数据与计算机相结合的新型空间信息技术，它把现实世界中对象的空间位置和相关属性有机地结合起来，满足用户对空间信息的管理，并借助其特有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策。一、ＧＩＳ在水利水电工程建设中的应用综述将ＧＩＳ应用于水利水电工程建设，以信息的数字化、直观化、可视化为出发点，可以将复杂施工过程用动画图像形象地描绘出来，为全面、准确、快速地分析掌握工程施工全过程提供有力的分析工具，实现工程信息的高效应用与科学管理，以及设计成果的可视化表达，进而为决策与设计人员提供直观形象的信息支持。这给施工组织设计与决策提供了一个科学简便、形象直观的可视化分析手段，有助于推动水利水电设计工作的智能化、现代化发展，极大地提高工程设计与管理的现代化水平，促进工程设计界的“设计革命”。１．ＧＩＳ应用于施工导截流三维动态可视化采用ＧＩＳ软件系统与其他平台结合的模式中集成模式与扩展连接模式相结合的方式来开发施工导截流三维动态可视化仿真系统。将水文实时数据库和大坝施工实时数据库等数据库存放在ＧＩＳ平台的表Ｔａｂｌｅ中，通过Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＤＤＥ技术将数据传递给调洪演算、日径流模拟、导流实时风险率计算等模块，这些模块用ＶＣ＋＋、ＶＢ等平台开发，模拟所得数据再传回ＧＩＳ平台，以图形、报表的形式输出。ＧＩＳ强大的数据库管理和图形显示输出能力在这种开发模式中得到了充分利用。数据在ＧＩＳ平台和ＶＣ＋＋、ＶＢ等平台间简便迅速地传递，保证了系统开发环境的协调统一。通过系统分解，对各子系统分别进行仿真计算和图形建模，形成初始图形数据库。各子系统的图形在ＧＩＳ中以主题地图Ｔｈｅｍｅ的形式分层存放，图形有其对应的属性ＡｔｔｒｉｂｕｔｅｓｏｆＴａｂｌｅ与之对应，图形与属性信息具有一一对应的联系。ＧＩＳ中三维可视化过程具体表现为：首先创建和组装三维场景，接着通过三维实体建模创建三维形状。三维实体模型可以直接由其三维形体坐标参数构建，也可由二维形体生成，其高度由形体特征的几何属性提供，或由表面纹理数据提取。三维实体模型再经过纹理、光照、消隐、阴影等计算显示在三维场景中。借助ＧＩＳ强大的空间查询能力可以方便地查询任意时刻施工导流面貌及相应信息。具体实现途径是：通过仿真模块得到施工系统各方面的信息，包括主体及挡泄水建筑物几何形体面貌及其属性，各施工单元的开始时间、持续时间、水流几何形状及其属性，由此得到各施工单元任意时刻的面貌，组合起来得到施工导流系统任意时刻的整体面貌，把它贮存在施工图形库中并与其一一对应的属性数据建立联系，通过用户输入的查询时刻，查找该时刻施工图形库对应的记录，激活其所对应的图素，利用ＧＩＳ的条件查询与图形显示机制，显示出该时刻施工导流场景及导流信息，如图１所示。２．ＧＩＳ应用于地下厂房施工动态演示系统ＧＩＳ三维空间数据模型主要是表达空间目标的几何信息和属性信息，同时相对独立的表达空间目标的拓扑关系。动态演示是依靠对任意时刻施工面貌的再现实现的。首先运行仿真程序得到确定方案下的洞室施工过程的信息，包括洞室开挖时间参数（持续时间、开始时间、结束时间）、进度参数、强度参数，将这些参数按工序以电子表格的形式输出。ＧＩＳ读取这些数据并将其转换成相应的数据库。利用其中的时间参数，通过编程生成任一工序任意时刻的面貌Ｓｉｔ（ｉ工序ｔ时刻的面貌），则地下厂房系统任意时刻的整体面貌Ｓｔ＝∑Ｓｉｔ。演示时通过对施工面貌数据库的循环，逐条读取数据库中每条记录的形体数据及其他的相关信息，形体数据以图形的形式显示在三维图上，其他信息以文本的形式显示在信息框中。从地下厂房施工面貌动态演示系统中可以获得以下信息：１虚拟的工程环境。应用三维动画技术，制作工程的三维模型，在计算机内虚构一个完整的工程布置，从各种各样的视角和路径都能看见。既能在远处观看工程全貌，也能就近了解细部结构。厂房、引水洞、母线洞、尾水管等建筑物结构的相互关系清晰、明了。由于ＧＩＳ所特有的地形显示功能，使得地下洞室群所处的地形地貌一目了然。２地下洞室在各个时刻的形象进度。在施工面貌动态演示系统有时间坐标轴，可观察任意时刻的形象进度和对应于该时刻的地下洞室群施工面貌。３单项洞室开挖过程、工作面数量和开挖程序等信息。４洞室群施工中各单洞施工的逻辑关系。５施工期间任一时刻同时施工的活动。实时演示能够清晰地显示单洞施工、洞群施工等时间、空间上的逻辑关系，帮助设计人员对施工方案的分析、确认。有助于信息沟通，为决策者提供信息服务。３．ＧＩＳ应用于混凝土坝施工全过程三维动态演示系统利用ＧＩＳ强大的空间信息处理能力来表现混凝土坝的复杂施工过程具有极大优越性。ＧＩＳ特有的空间数据组织形式能够充分反映混凝土坝施工系统复杂的空间关系和施工过程。在混凝土坝施工全过程三维动态演示系统中，ＧＩＳ的可视化过程，即实现模拟数据到图像的变换，分为三个子过程：（１）数据操纵。数据操纵主要完成数据的过滤，是原始数据的加细或增强，并转化为适合后续可视化操作的表示形式。（２）可视化映射。可视化映射将数据过滤导出的数据转换为抽象可视化对象（ＡＶＯ），体现为各种可视化技术。ＧＩＳ的可视化过程是基于信息处理的，模型以信息链的形式表示，并存放在数据库中。（３）绘制。绘制将ＡＶＯ转换为可显示的图像。可以利用ＧＩＳ强大的动画及图形图像处理技术实现模拟数据、仿真过程的可视化表达。通过建立坐标系，把现实世界的事物在计算机中对应位置重现出来，及建立实体的数字模型，并按照一定方式将实体与其属性一一对应，从而反映实体的静态空间特征。混凝土坝施工系统的三维可视化仿真数学模型的建立分为两个步骤。首先建立数字地形模型。数字地形是整个施工系统布置和活动的场所，是三维图像展示的重要“背景”。通过人工输入或扫描仪、数字化仪等将地形原始数据（等高线）输入到系统，经过数据过滤后转化为三维矢量数据，进一步生成三维地表面模型ＤＴＭ。利用内插手段，可以生成更高精度的ＤＴＭ。ＤＴＭ在经纹理、光照等图先渲染操作，即生成逼真的坝区数字地形模型，然后建立混凝土坝施工系统中建筑物的三维实体模型。ＧＩＳ中提供了ｐｏｉｎｔ，ｌｉｎｅ，ｐｏｌｙｇｏｎ三种最基本的形（ｓｈａｐｅ），利用它们可以反映任意复杂的对象。ＧＩＳ的３Ｄ模块提供了实现三维图形的拓扑运算、绘制、渲染、纹理和显示的功能。与地形模型不同的是，实体模型尚需反映其属性信息。实体与属性的一一对应可以利用ＧＩＳ的空间数据组织结构来实现。另外为了体现施工的动态过程，在反映实体的数据结构中还应包括时间特征，以便在三维演示中根据时间顺序调用不同的实体单元组成施工面貌。把工程施工任意时刻的整体面貌储存在图形库中，并与其一一对应的属性数据建立联系，从而在动画演示时，按时间顺序读取图形库中的形体数据及相应的属性信息，不断更新绘图变量和属性变量赋值，并不断刷新屏幕显示。这样高速地显示一系列静止图像，当图像快速连续时，由于视觉的暂留，从而实现了整个混凝土坝施工过程的三维面貌及相应信息的动态显示。同时利用过程信息，生成三维动画，如图２。４．ＧＩＳ应用于水利水电工程施工总布置可视化动态演示系统以ＧＩＳ软件为平台，建立数字化地形，施工场地布置系统中各系统部件的三维数字化模型。系统部件的数据信息与其他相关信息，通过映射关系联系形成基础数据库，成为系统的底层支持。这样就实现了各系统部件表层的独立性和深层的耦合性。根据不同工程的施工期长短，选择恰当的基本时间步长，再辅以典型时刻面貌，可以使施工生产管理者对工程进展情况有一个全面直观的了解。ＧＩＳ中信息的可视化组织表现在对系统数据库的操作及管理上。由于ＧＩＳ特有的混合数据库设计结构，把数据贮存形式分为两个部分：一是图形数据库，它主要是存放各种专题图及组成它们的所有图素。根据需要，可将不同性质的图素放在不同的图层上，以便今后查询或进行图层叠加分析。二是图素的属性数据库，它主要用来存放描述图素的属性数据。空间数据和属性数据通过内部代码和用户标识码作为公共数据项连接起来，使得描述图素的属性数据与其图素建立一一对应的关系。该系统实现的总体功能概括如下：（１）显示枢纽施工总布置三维全景。（２）演示枢纽施工全过程三维动态形象，直观反映各组成部分空间上和时间上的相互关系。（３）基于三维枢纽布置模型上实现枢纽布置的各种信息可视化查询，包括建筑物设计参数、设计图纸、基础数据、附属物信息、工程施工进度等。（４）实现枢纽施工全过程总体施工强度的实时统计及统计结果动态的柱状图显示，包括混凝土浇筑强度、施工机械设备生产率、砂石料等原材料需求量及人力需求量等信息的统计显示。（５）实现枢纽工程主要建筑物施工全过程动态演示，包括地下洞室群施工全过程仿真及演示、大坝混凝土浇筑全过程仿真及演示、施工场内交通运输系统仿真与演示等。二、讨论与展望ＧＩＳ本身在不断发展，它在水利水电工程建设中的应用亦需不断发展。应用的发展不仅要与ＧＩＳ本身的发展相结合，还要与水利水电工程专业相结合。在水利水电工程未来的建设中，ＧＩＳ与其他技术的结合将更加紧密，应用更加广泛。１．三维建模ＧＩＳ中三维几何造型技术已很成熟，对于三维地质模型的建立、图形显示目前均有较多研究。但水利水电工程中三维数字地形模型的建立大多只是停留在面模型这一层面上。对诸如坝区地形模型等的地质模型的构造，除层状地层外仍有一定难度。常用模型方法有两种：表面模型和实体模型。两种模型对复杂地质体非均匀性的描述均感不足。ＧＩＳ用于水利水电工程中地质建模是今后应用研究的主要内容之一。但影响ＧＩＳ数据质量的因素繁多，存在许多不确定性，把握适度质量有一定难度。若进入数据库的数据质量过高，则造成浪费；反之，质量偏低，则达不到要求。２．４ＤＧＩＳ三维ＧＩＳ目前研究重点集中在三维数据结构的设计、优化与实现技术的运用，三维系统的功能和模块设计等方面。但是，地理信息系统所描述的地理对象往往具有时间属性，即时态。随着时间的推移、地理对象的特征会发生变化，而目前大多数地理信息系统都不能很好地支持地理对象和组合事件维的处理。实际上许多用户要求都是基于时间特征的，如洪水的最高水位变化等。对这样的应用背景，仅采取作为属性数据库中的一个属性不能很好地解决问题。故，如何设计并运用４ＤＧＩＳ来描述、处理对象的时态特征也是个重要研究领域。３．ＷｅｂＧＩＳ水利水电工程中地理信息和数据的交流范围要求越来越广泛。随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的发展，利用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术在Ｗｅｂ上发布空间数据供用户浏览、使用是ＧＩＳ发展的必然趋势。网络ＧＩＳ（ＷｅｂＧＩＳ），以网络浏览器为应用工作平台，使得从ＷＷＷ的任一个节点，用户可以浏览ＷｅｂＧＩＳ站点中的空间数据，制作专题图，并进行各种空间检索和空间分析，且能在多个客户端实现原来在本机上才能实现的功能。由于水利工程中地理信息和大量的空间数据都是以文字、数字、图形和影像方式表示的，将它们数字化，便可方便、快速和及时地将地理信息传递到需要的地方，发挥ＧＩＳ在整个水利水电工程中的应用价值。数据的保密性需加以控制。４．ＣｏｍＧＩＳ水利水电工程布置方案的可视化的要求已不局限在单纯的表现上。对于布置方案交互式修改，组件式ＧＩＳ（ＣｏｍＧＩＳ）也是重要的应用发展趋势之一。三、结语ＧＩＳ强大的空间分析功能和图形显示功能为工程设计和研究成果的可视化表达提供了有力的现代化手段。但是，ＧＩＳ应用到水利水电工程建设中还有许多不尽如人意的地方，如计算功能相对薄弱等，可通过与不同技术之间的融合来克服。随着ＧＩＳ应