三维设计在水利水电行业中的应用探讨

三维设计在水利水电行业中的应用探讨

段元

云南省滇中引水二期工程有限公司云南昆明650200

摘要：近年来，我国的水利水电工程建设有了很大进展，其中三维设计发挥着重要的作用。本文首先分析三维激光扫雷达描技术的基本原理，其次探讨水利水电工程地质三维建模，以供参考。

关键词：三维建模；水利水电；装配设计

引言

当前，数据自动化采集和传输机制逐渐完善，数据获取方式多样，数据成果丰富。如何将丰富的多源数据进行融合、浏览及分析，有效提高水利工程的管理与决策水平，有力地服务于水利工程设计、施工以及后期的运维管理等全生命周期管理成为目前水利行业研究的重点和热点。

1三维激光扫雷达描技术的基本原理

三维激光雷达扫描技术是一项新兴的测绘技术,在改变了传统测量技术中以点测量获取地形地物空间数据特征的方式,以主动非接触的方式获取海量的点云数据,大面积高密度的三维点云数据经过拼接、噪声处理、滤波和建模等构建三维地形地物数据高程模型和等高线,实现对目标物的实景复制。三维激光雷达扫描的基本原理是借助激光测速仪向被测目标物透射激光脉冲,激光脉冲打射在物体表面时,由于空气与物体之间存在明显的波阻抗差异,激光脉冲被反射,按原路径返回激光测速仪中的光敏接收器中,通过计算激光发射和反射的时间t,取其一半并与光速相乘即可求得发射点与被测点目标的距离,激光扫描仪器控制编码器对横向扫描角度α和纵向扫描角度β进行读取,如图1所示,通过三角关系换算可以求得空间位置任意被测目标的三维坐标,计算方法如式(1)~式(3)所示。

x=Scosβcosα(1)

y=Scosβsinα(2)

z=Ssinβ(3)

图1三维激光雷达扫描空间坐标换算原理

2水利水电工程地质三维建模

2.1基于实景三维GIS的智慧水利平台特点

三维层级的GIS技术相较于二维GIS技术，优点主要体现在：二维GIS技术对数据的分析较笼统、粗略，且大多集中于宏观数据分析方面，在水利工程场景的表达上往往具有单一性和抽象性的特点，很难实现水利精细化管理。三维实景GIS技术能够对水利工程设施及附近环境进行高逼真、高精度还原，进而为智慧水利施工、智慧水利治理营造可视化、直观化、立体化的环境[1]。总体而言，基于实景三维GIS的智慧水利平台特点如图1所示。

图1基于三维实景GIS技术的智慧水利平台系统特点图

2.2淹没效果模拟与数值统计

该模块是水利工程水文分析的核心功能，提供：（1）特定水位淹没效果模拟：模拟某个固定水位下的淹没面，并叠加在三维场景上显示，如图2所示；（2）水位动态淹没效果模拟：指定有效水位区间及变化步长，模拟三维场景中的淹没面随水位动态变化的效果；（3）库容与投影面积统计：每一个水位高程下的库容与表面积；（4）数据表导出：提供一键导出库容（投影面积）统计表，如图3所示[2]。

图2　淹没效果模拟界面图

图3库容表信息图

2.3质量管理

通过三维数字模型显示各部件的质量评定表，以便直观检查各部件的质量标准和关键检验项目。利用三维数字模型的可视化技术，对矫正过程进行定位和跟踪[3]。将现场发现的质量问题定位在模型中，并利用三维数字模型可视化技术跟踪整改情况。从质量管理维度出发，形成了基于三维数字模型的质量沙盘[4]。

2.4集成技术的应用

三维设计模型与GIS技术在水利水电以及各类市政工程中的应用范围较广，但针对水利水电工程的建设的应用还存在一定的不足[5]。因此，为更好地解决这一问题，有学者将三维设计与AR技术结合，将三维模型与AR技术以手机、平板等智能设备进行结合实现了对水利水电工程1∶1的模型构建，这样的技术不仅能够实现信息的高效化处理，同时对于传统三维设计中细节处理不当等问题也能得到较好的解决。技术人员在利用三维设计时可以通过工程的区域信息以及施工信息等进行优化设计，对于提升三维技术的高效利用有着重要的意义[6]。

2.5智慧水利“一张图”软件的应用

基于三维实景GIS技术设计智慧水利“一张图”软件，用于对水利工程设施进行全方位、系统化管理。该软件系统的架构如下：以实景三维数据为基底，内置智能感知、数据融合、智能应用三大体系，分别对应梳理数据监测、数据支撑、综合监督三大功能，最终形成对水利工程设施以及水流数据的全过程、一体化管理[7]。在日常管理中，系统对水利设施覆盖范围内的所有动态进行常态化监测，相关数据被实时记录并总结出变化趋势图；这些数据与数据库中记录的数据进行实时比对，超过平均值并逐渐接近危险临界值时，系统不断发出预警信息，进而对水利灾害进行有效管理及防治。上述“一张图”软件的主要功能如下。1）如图4所示，对水利工程覆盖区域进行实时监测，同时将气象、风象、水情、风力预测工作容纳为整体。经由该软件，一个地区的水库区、河流区、监测站、洪涝灾害易发区等重点信息均可实时呈现在一张图上。在水利设施建设全过程及建成后全寿命周期内，管理人员可基于“一张图”软件完成水利工程设施周边重点管理区域的选择工作，后在任意时间均可在软件中“点击”重点区域，实时观察这些区域的各类实时情况，进而视相关结果调整当前工作重点

[8]。2）如图5所示，在“一张图”软件中点击某个区域后，该区域当前的三维景象、内部各区域对应的基础信息会立刻呈现在显示屏幕中[9]。

图4“一张图”软件容纳并实时呈现的信息

图5“一张图”软件下的区域情况三维可视化效果图

结语

三维设计是我国水利水电工程建设中不可缺少的一个重要组成部分，对提升水利水电工程质量与效率有着重要的作用。现阶段，我国水利水电工程建设中应用三维设计主要集中在模型建模与后续的施工碰撞等阶段，但还有部分地区针对三维设计的优势使用频率较低。在未来的发展当中应当重视三维设计技术的应用，结合工程的实际情况选择对应的三维技术，确保其能够在满足设计施工要求的基础上提升工程的整体质量，促进我国水利水电工程的稳定发展[10]。

参考文献

[1]彭博,李锦川,张育臣,等.基于三维设计成果的电网基建工程数字化管理模式的研究[J].工程管理学报,2021,35(3):94-99.

[2]方昱璋,张海文,郭嘉成.基于BIM与遗传算法的电网工程数据信息处理系统设计[J].电子设计工程,2021,29(6):168-172.

[3]周强.水利水电工程的三维协同设计[J].海南师范大学学报(自然科学版),2015,28(4):461-464.

[4]陈凯，杨小聪，张达，等.三维激光扫描技术在岩体结构面几何参数获取中的应用[J].有色金属工程，2021，11（8）:128-133.

[5]刘昌军，张顺福，丁留谦，等.基于激光扫描的高边坡危岩体识别及锚固方法研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31（10）:2139-2146.

[6]葛云峰，唐辉明，李伟，等.基于岩体结构特征的高速远程滑坡致灾范围评价[J].地球科学，2016，41（9）:1583-1592.

[7]王佩俭.信息技术在水利工程建设管理中的有效应用[J].中国管理信息化,2022,25(8):183-185.

[8]董风齐.信息技术在水利工程建设管理中的有效应用[J].智能建筑与智慧城市,2021(8):165-166.

[9]张沛.信息技术在水利工程项目建设管理中的应用研究[J].中国管理信息化,2020,23(14):100-101.

[10]孙广忠.论“岩体结构控制论”[J].工程地质学报，1993，1（1）:14-18.