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大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术研究

来源:中国水运网

随着经济的发展和人们生活水平的逐渐提升,水利水电工程的规模和数量都得到较大幅度的发展,为保证水利水电工程的质量和使用性能,人们尝试将建筑物三维可视化建模技术与水利水电工程相结合,本文以大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术为研究对象,结合某大型水利水电工程建筑物,对数据建模,建筑物建模思路进行分析,并针对大型水利水电工程建筑物几何建模技术、形象建模技术、三维显示技术等展开研究,为加深对大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术的认识,提升我国大型水利水电工程建筑物的整体性能作出努力。

关键词:大型水利水电工程;建筑物;三维可视化建模技术

引言:在现代信息技术不断深化发展的过程中,大型水利水电工程建设现代化、数字化发展已经成为其发展的必然趋势,而三维可视化仿真模型的构建是推动其发展的重要环节,三维可视化仿真模型的直观性、可操作性都明显优于传统设计方法,所以对其展开研究对提升大型水利水电工程整体性能具有重要的意义。

1.大型水利水电工程的数据模型

数据模型的性能决定其包括能够描述系统的静态特征的数据结构,能够描述系统动态特征得到数据操作和保证系统整体持续运行的完整性约束三个主要结构,其共同使数据模型能够对现实世界真实的模拟,能够通过计算机实现并被人类理解。通常大型水利水电工程建筑物中同时存在规则和不规则的实体,在建筑模型中需要将建筑物中真实存在的面和体分为规则和不规则两种类型,通常平面区域或规则的曲面区域在数据模型中会视为规则面对像,否则为不规则面对像,体对象作为多个面对像构成的空间实体,其中如果存在一个及其以上的不规则面对像,则数据模型视其为不规则体对象,由此在数据模型中将规则面对像表示为多边形或函数构造面;将规则的体对象表示为长方体、圆柱体等几何构造体;将不规则面对像表示为TIN面片;将不规则体对像表示为以上基本元素的组合。某大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术中需要面对建筑物的点、线、面、体对象构建数据模型,其点对象的三维空间位置可以通过Q(x,y,z)表示,而两个点对象的三维空间位置即可以描述建筑物的线段对象,而多个线段对象将共同组成线对象,线对象又可以描述几何要素,由此可见数据模型可以实现对规则或不规则建筑实体的描述,三维可视化建模的数据模型实质上是以面对象或面对像的组合形式对建筑物实体进行仿真,所以在设计的过程中可针对不同的面对像进行优化,有利于建筑物整体性能的提升。

2.大型水利水电工程建筑物的建模思路

由于构建的三维可视化模型既要表述系统的组成,又要表述复杂系统中不可分解的子系统,所以模型要由不同的模块构成,而模块之间既要有层次结构,又要具有组成和可连续的关系;不同模块其在构建的过程中需要用独立的物理设备或部件;能够通过独立的数学描述各模块的特征。三维可视化模型模块之间的关系决定,对建筑物实体的描述可以通过以下方法实现:针对单纯以简单物体粘合形式构成的物体可以通过空间分割描述,如长方体、圆柱体等;针对简单物体复杂粘合形式构成的物体,可通过构造实体几何表示的方法描述,如并集、交集等;针对复杂物体可通过边界表示法,对物体边界的点、线、面进行描述,不同性质实体描述方法的差异决定某大型水利水电工程应用三维可视化建模技术的过程中需要通过GIS平台,CAD,3dsmax图形处理软件等进行稽核建模、形象建模、三维显示。

3.大型水利水电工程建筑物几何建模技术

几何建模技术即结合建筑物实体特征点的实际数据,计算其法向量,进而形成三维几何模型的过程,由于大型水利水电工程建筑物较复杂,其存在简单的建筑物、同高程水域平面、复杂三维实体构造等。构建简单的建筑物模型,可以通过空间分割描述,例如将箱体式房屋视为屋顶面和多个铅直外墙面构成的实体;构建同高程水域平面三维模型可以利用边界多边形的三角剖面表示;构建复杂三维实体三维模型利用制图软件将三维实体的数据在三维空间坐标体系中直接定位,然后利用以下技术进行建模:一种是参数化实体建模技术,其是通过多个参数控制特征部件表述建筑实体的几何关系,并利用代数方程对各部进行结构约束和尺寸约束,此技术以变参数几何模型作为模型构建的基础,能够实现交互参数驱动,而且能够定义参数约束。在某大型水利水电工程中其泄洪潮进水塔、溢洪道等建筑物属于复杂三维实体,在构建三维可视化模型的过程中需要通过以下步骤完成,首先,对建筑物全局变量和局部变量进行定义,例如在构建泄洪潮进水塔三维可视化模型时要选择此建筑物中心线底面点作为控制点,结合其边墙、启闭室等组成部分的关键点与中线点的距离,从全局的角度对其位置、尺寸等进行定义,然后根据定义的数据对局部变量的尺寸进行确定,通过Polylinez等绘图函数将其主体建筑物进行绘制,如进水塔;然后将其次要的组成部分利用拓扑关系按照固定点进行组合,由此形成泄洪洞进水塔建筑物的三维几何模型,此技术的优点是当设计发生改变时,只要对全局变量和局部变量进行更改即可,并不需要彻底的改变几何模型。

另一种技术是CAD实体建模技术,此技术是利用CAD软件,通过获取几何元素及表达几何元素关系的约束条件,对几何元素进行确定的技术,如某大型水利水电工程的大坝为例,以大坝的填筑材料、结构等为划分标准,整个大坝会划分为不同的部分,而每部分的形状都很难规则,将不规则的部分细分成规则的形状,针对大量规则的构件进行建模,此时模型中的定量信息成为可以调整的参数,通过对参数赋予不同的数值,可以直接改变各部件的形状、体积,而相同或相似的部件可直接通过软件的图形处理功能实现,使构建的效率和准确性都得到保证,通过对某个部件的构建,实现整体大坝的三维模型构建。针对特征模型还可以利用特征建模技术,其是在系统特征库中存在建筑物建模所需的模型,通过对其进行尺寸约束和位置约束可以将特征模型直接应用于建筑物建模过程的技术,此技术具有效率高、可用性强的特点。

4.大型水利水电工程建筑物形象建模技术

形象建模技术是针对已完成的几何模型进行形象美化的过程,使三维模型与建筑物实体更加接近,形象建模技术通常针对建筑物的颜色、透明度、纹理、光泽等进行调整或通过贴图达到使建筑物美化、真实的目的;另外,在形象建模的过程中要考虑到建筑物在真实应用的情况下会存在彼此的遮挡,所以在此过程中需要通过计算消除隐藏面,算法主要有两种,一种是将窗口内的单独像素作为处理单元,确定处理单元中距观察点最近的物体为可见;另一种是以场景中的物体为独立处理单元,以每个物体表面为可见面。

5.大型水利水电工程建筑物三维显示技术

三维显示技术即将已经形象美化后的建筑物三维模型投影设置观察点,并对其位置进行合理的调整后将其通过计算机屏幕进行展示的技术,使计算机屏幕上展示的三维可视化模型与建筑物实体两者的逼真度达到最高,三维显示不仅要求对建筑物的整体形象进行展示,而且要求对建筑物与视点的距离、物体与实现的方向、建筑物构件的体积、形状等细节进行展示,可见三维显示技术与计算机的分辨率之间存在密切的关系,分辨率越高,越能够达到三维显示的要求。例如在某大型水利水电工程整体场景展示时,计算机屏幕显示器的分辨率要满足细化水利水电工程中厂房、进水塔、大坝等重要建筑物的需要;当视点转向上游时,计算机屏幕分辨率要满足细化上游洞口、渣场等建筑物的需要,在利用三维显示技术的过程中不仅可以达到通过建筑物三维可视化模型更加了解水利水电工程建筑物,快速获取相关数据的目的,而且其可视化的优势有利于优化建筑物设计细节,提升建筑物的整体性能。

6.结论:通过上述分析可以发现,现阶段人们已经认识到大型水利水电工程在经济发展、社会稳定中所起到的重要作用,并结合工程计算、计算机图形学、图像处理、人机界面等多学科的知识,创建并不断完善建筑物三维可视化建模技术,为提升大型水利水电工程整体性能提供有效的工具。

参考文献:

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[7]尹习双.基于虚拟现实的水利水电工程施工动态仿真可视化研究[D].武汉:武汉大学,2014.

来源:清远市亿晋建设工程有限公司作者:黄敏清



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