對水利工程對象的3D-GIS建模流程的分析

1、對水利工程對象的3D GIS建模流程的分析 摘 要本文通過對水利工程對象及屬性分析，從而得出了GIS理論與信息處理方法的水利工程3D GIS數(shù)據(jù)模型。 關鍵詞水利工程；3D GIS；建模 中圖分類號：TV221.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）12-0347-01 從GIS角度，水利工程是一種復雜的地理對象，主要表現(xiàn)在既有靜態(tài)工程建筑，又有動態(tài)工程運行管理。動態(tài)如水庫庫容、面積隨著水庫蓄水位而變化；水閘工程運行有開閘、關閘，開閘又有閘門的開閉度。不同的水閘有不同的運行 狀態(tài)，影響水閘上下游水位與過閘流量，如此等等。水利工程與水密切相關，而水隨時間、空間而變化，這決定

2、了水利工程動態(tài)屬性的復雜多變。 水利工程3D GIS中的地形3D建模主要借助地形DEM技術，將水利工程所處的地形進行3D表達。地形3D表達本身即是水利工程3D GIS的重要組成部分，同時它作為水利工程3D GIS中其它對象和環(huán)境的載體而存在。 1.水利工程及水利工程對象分析 在水的靜力或動力作用下工作，并與水發(fā)生相互影響的各種建筑物即水工建筑物。對于開發(fā)河川水資源來說，常須在河流適當?shù)囟渭行藿◣追N不同類型與功能的水工建筑物，以控制水流并便于協(xié)調(diào)運行和管理，這一多種水工建筑物組成的綜合體就稱為水利樞紐。因自然因素、開發(fā)目標以及技術經(jīng)濟條件不同，各水利樞紐的組成建筑物可以是各式各樣的。例如黃河干

3、流上以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉等綜合利用效益的龍羊峽水力發(fā)電樞紐，就包含了如下主要建筑物：攔河壩，由重力拱壩（主壩）、左右重力墩（即重力壩）以及左右岸副壩組成；溢洪道，位于右岸；左泄水中孔，與溢洪道共同承擔主要泄洪任務；右泄水深孔和底孔；壩后式水電站。 水利工程并不總是以集中興建于一處的若干建筑物組成的水利樞紐來體現(xiàn)的。有時僅指一個單項水工建筑物，有時又可包括沿一條河流很長范圍內(nèi)或甚至很大面積區(qū)域內(nèi)的許多水工建筑物。即使就河川水利樞紐而言，在不同河流以及河流不同部位所建的樞紐，其組成建筑物也千差萬別。通?？砂垂τ梅诸悾?（1）擋水建筑物。攔截或約束水流，并可承受一定水頭作用的建筑物。如蓄水或奎

4、水的各?N攔河壩，修筑于江河兩岸以抗洪的堤防，施工圍堰等。 （2）泄水建筑物。排泄水庫、湖泊、河渠等多余水量，以保證擋水建筑物和其它建筑物安全，或為必要時降低庫水位乃至放空水庫而設置的建筑物。如設于河床的溢流壩、泄水閘、泄水孔，設于河岸的溢洪道、泄水隧洞等。 （3）輸水建筑物。這些是為灌溉、發(fā)電、城市或工業(yè)給水等需要，將水自水源或某處送至另一處或用戶的建筑物。其中直接自水源輸水的也稱引水建筑物。如引水隧洞、引水涵管、渠道、渡槽、倒虹吸管、輸水涵洞等。 （4）取水建筑物。它是引水建筑物的上游首部建筑物。如取水口、進水閘、揚水站等。 上述分析可見水利工程無論規(guī)模大小，大到水利樞紐，小到水工建筑物的

5、部件均是獨立的水利工程對象。獨立的地理對象同時又是工程總體中的一部分。 2.水利工程對象屬性分析 水利工程對象無論是建筑物單元，還是水利樞紐，均可視為一個地理對象。各對象具有如下的屬性： （1）水利工程建筑物具有幾何可分解等概化特征。與2D地圖符號的抽象性不同，3D模型可表達與工程實體相同或相似的工程形體。復雜的水利工程建筑物可分解為許多形態(tài)相對規(guī)則的工程單元體。工程概化是將分解后規(guī)則的單元體用一個個可進行數(shù)學計算與分析的幾何體來表示； （2）水利工程基本單元各自有其幾何體屬性。如梯形、柱體、長方體、圓柱體等。而概化類型相同的幾何體還有不同尺寸大小等屬性： （3）工程對象具有方位屬性。如建筑物

6、的X， y，：坐標，建筑物面的朝向等； （4）水利工程對象之間有著緊密的空間關系。對一個具體的水利工程而言，其各部分工程組件之間的空間關系是確定的，其上、下、左、右不可相互取代； （5）水利工程建筑物之間具有嚴格的邏輯關系。每個水利工程建筑物的組成部分都屬于該工程，而不屬于其它工程。如溢洪道的水閘和船閘的水閘，同是水閘，但是屬于不同建筑系統(tǒng)； （6）工程對象可視化屬性。不同工程對象其材質(zhì)、表面形態(tài)不盡相同。3D建?？沙浞址磻こ虒ο蟊砻嫘畔⒑蛢?nèi)在透視信息； （7）水利工程建筑物屬性。不同工程單元屬于不同的水利工程建筑物，其屬性是進行區(qū)分的最重要標志； 3.水利工程3D GIS建模流程 水利工程

7、建筑物單元體是水利工程3D GIS建模的最基 本元素。對應于水利工程的屬性分析，分別賦予其概化特征、幾何屬性、方位屬性、空間關系、邏輯關系、可視化屬性和水工建筑物屬性。以它為水利工程GIS基本元素，形成更復雜的GIS對象，如水利工程建筑物、水利工程、水利樞紐。在此過程中形成的復雜GIS對象會被賦予新的屬性信息，這點完全符合水利工程的內(nèi)涵。 3D建模部分在對水利工程概化的基礎上，用幾何概化體來表達實際水利工程：在以上步驟完成的基礎上，建立水利工程3D GIS數(shù)據(jù)模型：最后，實現(xiàn)水利工程3D GIS空間數(shù)據(jù)結構，建立4級水利工程3D GIS對象數(shù)據(jù)表結構，并對其進行存儲管理。 4.水利工程建筑物模

8、型與地形模型的匹配 在實際3D場景的構建中，如果地物沒有與地形相融合，就會造成諸如地物飄在空中或鉆入地下的情景。對雙方模型匹配的處理是較為復雜的問題，原因在于： （1）地物、地形模型往往是通過不同的建模軟件生成的，雙方的數(shù)據(jù)結構和組織方式有很大差別（如地形模型常用規(guī)則格網(wǎng)表示，而地物模型常用三角網(wǎng)表示）； （2）地物模型如何同地形模型準確匹配。在真實世界中，地物的位置是任意的、不受任何限制的；而在視景仿真中，地形是起伏的，而地物的基準面往往是水平的，會出現(xiàn)地物所覆蓋的區(qū)域跨在2個或多個高度不同的地形三角形面片上； （3）不同的視景調(diào)度、顯示技術對匹配技術的要求不同：如加速遮擋面處理的優(yōu)先級法不

9、允許一個地物跨越2個或多個地形面片；而地物的LOD受地形LOD的牽制，當?shù)匦螐囊粋€LOD層次向另一個LOD層次過渡時，地形面片的分割將發(fā)生變化，地物的數(shù)據(jù)也必須改變，而不考慮地物的數(shù)據(jù)是否需要更新。 在地物與地形匹配方面有以下一些策略： （1）首先在地形模型的選擇上，根據(jù)應用需要選擇規(guī)則格網(wǎng)或三角網(wǎng)。兩種數(shù)據(jù)結構各有優(yōu)缺點，這里不再詳述，比較成熟的結論是：在中小比例尺條件下，采用規(guī)則格網(wǎng)結構描述DEM，因為其結構簡單，處理負擔均衡，磁盤存儲易管理，有利于LOD的自動生成，另外有利于兩者分開建模以及實現(xiàn)地物與地形的自適應匹配；在目視比例尺條件下采用三角網(wǎng)數(shù)據(jù)結構，它可以精細地刻畫地表形態(tài)； （2）地物與地形的匹配常用兩種策略：直接將地物放置在地形表面上。這一方法最簡單和實用，MultiGen即采用這一方法。這一方法的缺陷在于視景顯示時，會出現(xiàn)“爭奪Z值”的現(xiàn)象，即同一個Z值上可能有多個面；首先生成地形的TIN網(wǎng)絡，然后逐漸加入地物模型，與地形整合在一起。 5.結語 本文研究水利工程3D GIS問題，重點