水力发电厂数字沙盘仿真系统方案

1 水电站数字沙盘三维仿真系统方案目录一、引言.................................................................................................2 二、传统沙盘、多媒体沙盘、数字沙盘的综合分析...........................3 1、实物沙盘......................................................................................................3 2、多媒体沙盘..................................................................................................3 3、数字沙盘......................................................................................................4 三、数字沙盘三维仿真关键技术..........................................................5 四、水电站三维数字沙盘功能..............................................................7 1、水电站地质地貌仿真...................................................................................8 2、水电站结构仿真..........................................................................................9 3、水电站截流仿真........................................................................................10 4、水电站实时动态仿真..................................................................................11 5、水电站施工现场仿真.................................................................................12 五、水电站三维数字沙盘的意义........................................................14 六、三维数字沙盘应用前景................................................................162 一、引言根据地形图或实地地形按一定比例用泥沙等材料制作的实物沙盘具有立体感强、形象直观等特点，在军事、工业、水力、电力、教学、旅游及房地产开发等许多领域都有广泛应用，常用来制作经济发展规划和大型工程建设的模型，颇受计划决策者和工程技术人员的青睐。但实物沙盘由于占地面积大、携带不便、表现方式单调且不能展示动态场景、表现内容有限且难以更新，己不能适应当前科学管理和规划、决策的要求。随着计算机软件和硬件技术的发展，今天在很多领域已经采用计算机仿真数字沙盘替代模拟沙盘。计算机仿真数字沙盘是计算机技术、多媒体技术发展的产物，它运用三维显示技术和计算机仿真技术，通过将真实世界的三维坐标变换成三维的计算机坐标，并通过光学处理模仿真实世界显示。与实物沙盘相比，数字沙盘具有快速、简便、精确、灵活等特点，而且可以动态展示，同时可以对参数进行修订以获取更加丰富的展示效果，应用领域更广泛。计算机仿真数字沙盘技术应用于水电工程施工近30年，应用范围从辅助施工组织设计扩展到结构设计、三维动态显示等，从仿真单一的混凝土坝浇筑到仿真土石坝施工、截流施工、地下工程施工等；应用目标从静态的方案优选发3 展到动态的实时控制等；从最初把仿真成果仅仅作为一种不重要的决策参考，逐渐发展成水电工程、尤其是大型水电工程规划、设计和施工管理中不可缺少的技术手段。水力发电行业对计算机仿真数字沙盘技术的运用，基于可视化技术及计算机图形、图像技术、多媒体技术等，以三维动态方式生动逼真地展示了截流发电的全过程。二、传统沙盘、多媒体沙盘、数字沙盘的综合分析1、实物沙盘实物沙盘制作以项目的地形地貌为基础，集中展示重点景区、公路交通等资源、基础设施的等建设分布情况；实物沙盘集中展示了重点景区、公路交通、交通线路规划、景区等情况。实物沙盘是以微缩实体的方式来表示地形地貌特征，并在模型中体现山体、水体、道路等物，主要表现的是地形数据，使人们能从微观的角度来了解宏观的事物。地形模型的应用范围及其广泛，主要运用的行业有：政府、交通、水利、电力、公安指挥、国土资源、旅游、人武、军事等。2、多媒体沙盘多媒体沙盘由4个主要部件组成：图文扫描仪、中心电4 脑、电子驱动器、“传统沙盘”。通过声、光、电、图像、以及计算机程控技术与实体模型相融合，凭借其动感的，鲜明的灯光动画，把现代电子技术与老式沙盘相结合，使古老的沙盘获得新生。但是关闭多媒体沙盘的光影效果时，可以认为这就是一个传统的沙盘模型，是纯静态的。多媒体沙盘通过其互动、参与、感受、体验等手段，被广泛的应用于科技馆、博物馆、多媒体展厅、房地产展厅、多功能会议室、展会。3、数字沙盘数字沙盘是可以根据用户需求制作实时浏览的三维立体数字沙盘。可以模拟飞行和游览过程，展示空间动态及实物动态的实时效果，并能显示地理坐标和高度信息。其中虚拟数字沙盘内容可以根据需要标注如地名、路名等文字信息；在三维环境中以任意调整高度、角度进行浏览；可以填加建筑物、道路、河流、水库、树木、人物等三维设施；可以任意查询详细属性、照片、录像等信息。数沙盘与现在已有的电子沙盘相比，除了数字沙盘具有的效果外，它对规划景观的展现更具有立体直观的演示效果，恢复了沙盘本来的含义，并且不再需要实物沙盘；虚拟数字沙盘与传统沙盘模型相比，能实现实物沙盘不能实现的功能，如时间变化及气候变化等条件带来的环境变化过程演5 示、对局部区域进行缩放显示、动态展示等。并且，同一个数字沙盘的演示区域，可以实现多个数字沙盘。因此，它的应用领域更广泛，具有真实、立体、快速、简便、精确、动态的特点，以获取更加丰富的演示效果。三、数字沙盘三维仿真关键技术数字沙盘的研究与开发在国内外己经有较长的时间。目前的研究主要集中在场景的三维建模以及基于GIS的动态可视化方面。虚拟现实技术为数字沙盘的交互性提供了一个很好的实现途径，目前对虚拟现实技术在数字沙盘中的应用主要集中在采用VRML构建三维场景，达到形象、逼真的目的。在交互方面，引入虚拟现实技术后主要实现了实时改变场景观察的方位、角度和距离、沿某一路径运动视觉模拟以及跨图幅大范围的三维漫游观察。基于GIS的虚拟场景与实际场景的无缝融合技术研究，对于主体是大规模三维虚拟地形场景的沙盘，利用现有虚拟现实地理信息系统（VRGIS）方面的研究成果是一个很好的选择，可以借鉴成熟的VRGIS的虚拟场景生成渲染技术对沙盘的三维地形模型进行实时渲染。然而在完成虚拟三维地形模型的建立以后，必须考虑其与实物沙盘的融合问题。因为沙盘的周边存在一定的光照环境，向实物沙盘中嵌入的虚拟场景必须与此光照环境的强度、方向、构成的阴影等方面吻6 合，另外还有实物沙盘中的实物模型与虚拟场景中的物体可能存在的遮挡问题等在VRGIS的相关研究中不需要涉及的问题。而这些问题是三维仿真数字沙盘为了达到虚实“无缝”融合必须考虑的问题。数字沙盘三维仿真系统是在矢量地图数据管理与显示子系统和多媒体信息管理与显示子系统的支持下，把虚拟现实的理论与技术应用到现场地形环境仿真领域形成的技术系统，是工人认识战场地形环境、替代或部分替代实地考察工作的有力工具。数字沙盘仿真系统还为施工指挥和培训提供了极大方便，它可以为各级工作人员和指挥人员提供一个三维的、动态的、可交互的作战模拟地形环境，为工作人员和指挥人员提供可视化的交互式培训的虚拟环境，极大地提高了培训效果，同时还为领导人员提供更直观的视觉效果。将三维仿真技术运用于数字沙盘中，可以充分利用现有三维仿真技术的研究成果，如三维仿真显示技术、精确注册定位技术等，研究现有技术成果在数字沙盘中的应用模式，但除此之外还必须关注一些以前在三维仿真应用领域并不突出的问题。综合考虑三维仿真技术的研究现状和数字沙盘系统的特点。虚实场景中虚实对象添加与移除技术研究在虚实场景中进行虚拟三维对象的添加与移除是三维仿真技术研究的热点之一。三维仿真数字沙盘是实物沙盘与虚拟数字沙盘的7 统一体，在沙盘上进行的操作应该既允许虚拟三维对象的添加与移除，也允许实物模型的添加与移除，并且可能多个使用者同时在沙盘上进行不同的操作，因此，将三维仿真技术运用于数字沙盘需要研究在虚实场景中添加与移除虚拟和实物对象的方法以及在对象添加或移除后对虚实场景的影响。四、水电站三维数字沙盘功能计算机数字沙盘系统以三维可视化的方式对水电站进行全方位、全寿命周期的交互式管理，将地理数据和勘察设计资料有效融合，在使用过程中实现设计、施工数据的标准化和全数字化移交，为水电站施工管理提供包括：全息化的二、三维施工环境展现、渐进式的施工进度管理、全阶段的数字档案管理和应用、智能化的施工技术管理、可扩展的外部系统交互接口等在内的多项重要功能。本项目所完成的数字沙盘系统可以直接应用所有符合标准的数据，包括：二维影像数据、二维矢量数据、三维地形数据、三维模型数据、设计资料数据、施工管理数据。施工过程中的信息可以在系统中实时流转和展现。8 1、水电站地质地貌仿真三维数字化水力发电站的核心是三维水电站可视化勘察、设计、施工和维护维修为核心作用的全生命周期管理。实现工程设计的数字化和可视化，第一步就是对工程所在的区域地形地貌数字化仿真。三维数字沙盘地形地貌模块利用从航测、遥测等原始数据，建立真实地形地貌数字模型，并可根据工程实际需要进行局部区域的细化以达到工程精度要求。三维数字沙盘能够处理数十平方公里，高达几百兆的数据点云的地形地貌重构。三维数字沙盘不仅可以绘制出地质体的空间分布几何形态，而且还有光照、着色、纹理、渲染、材质等效果，使三维图像更具真实感，同时可以从不同角度、不同方位和不同距离观察三维地质模型；可以灵活方便地制作钻孔柱状图、三维模型图、2D剖面图，把握整体宏观的趋势。允许多层次、多细节地揭示地质界面、构造界面以及断块等地质现象。通过对三维地质模型的剥离、选择、提取等操作，表现9 三维模型的局部特征，便于观察和掌握不同层面、不同构造、不同细节的地质数据的空间分布及其变化规律。2、水电站结构仿真三维数字沙盘的厂房设计采用基于原理图驱动的系统设备和管线布置方式，设计者可以从二维的系统原理图入手，首先建立正确的系统流程图，然后，在三维环境下，根据系统原理图进行设备、管线的布置。所有的设备和管线都与二维原理图进行对应并能够自动检查，以保证不会错布、漏布任何设备和管道。在三维数字沙盘厂房设计平台里，用户通过对系统提供的模板或自行设计的结构体，进行调整，使其满足该工程条件，再把各结构件进行组装，厂房的初步数字模型就建立完成。在完成厂房及管道初步设计后，用户可以对厂房细节进行放大缩小旋转查看，还可以顺着管道进行漫游查看，以检查设计是否合理，系统还能对厂房内部进行空间干涉分析。以帮助设计者进行实时修改，从而满足工程设计规范。10 3、水电站截流仿真通过建立大坝截流及相关工程的水力学计算模型和三维实体模型，对大坝截流工程的施工全过程进行三维计算机仿真模拟，从而反映出大坝截流各个阶段的水力学指标和形象面貌，及时发现工程施工过