2 剖面分析-三维GIS在水电水利工程中的应用

李鸿斌

[摘 要]本文通过对水利工程对象及属性分析，从而得出了GIS理论与信息处理方法的水利工程3D GIS数据模型。

[关键词]水利工程；3D GIS；建模

中图分类号：TV221.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0347-01

从GIS角度，水利工程是一种复杂的地理对象，主要表现在既有静态工程建筑，又有动态工程运行管理。动态如水库库容、面积随着水库蓄水位而变化；水闸工程运行有开闸、关闸，开闸又有闸门的开闭度。不同的水闸有不同的运行

状态，影响水闸上下游水位与过闸流量，如此等等。水利工程与水密切相关，而水随时间、空间而变化，这决定了水利工程动态属性的复杂多变。

水利工程3D GIS中的地形3D建模主要借助地形DEM技术，将水利工程所处的地形进行3D表达。地形3D表达本身即是水利工程3D GIS的重要组成部分，同时它作为水利工程3D GIS中其它对象和环境的载体而存在。

1.水利工程及水利工程对象分析

在水的静力或动力作用下工作，并与水发生相互影响的各种建筑物即水工建筑物。对于开发河川水资源来说，常须在河流适当地段集中修建几种不同类型与功能的水工建筑物，以控制水流并便于协调运行和管理，这一多种水工建筑物组成的综合体就称为水利枢纽。因自然因素、开发目标以及技术经济条件不同，各水利枢纽的组成建筑物可以是各式各样的。例如黄河干流上以发电为主，兼有防洪、灌溉等综合利用效益的龙羊峡水力发电枢纽，就包含了如下主要建筑物：拦河坝，由重力拱坝（主坝）、左右重力墩（即重力坝）以及左右岸副坝组成；溢洪道，位于右岸；左泄水中孔，与溢洪道共同承担主要泄洪任务；右泄水深孔和底孔；坝后式水电站。

水利工程并不总是以集中兴建于一处的若干建筑物组成的水利枢纽来体现的。有时仅指一个单项水工建筑物，有时又可包括沿一条河流很长范围内或甚至很大面积区域内的许多水工建筑物。即使就河川水利枢纽而言，在不同河流以及河流不同部位所建的枢纽，其组成建筑物也千差万别。通常可按功用分类：

（1）挡水建筑物。拦截或约束水流，并可承受一定水头作用的建筑物。如蓄水或奎水的各種拦河坝，修筑于江河两岸以抗洪的堤防，施工围堰等。

（2）泄水建筑物。排泄水库、湖泊、河渠等多余水量，以保证挡水建筑物和其它建筑物安全，或为必要时降低库水位乃至放空水库而设置的建筑物。如设于河床的溢流坝、泄水闸、泄水孔，设于河岸的溢洪道、泄水隧洞等。

（3）输水建筑物。这些是为灌溉、发电、城市或工业给水等需要，将水自水源或某处送至另一处或用户的建筑物。其中直接自水源输水的也称引水建筑物。如引水隧洞、引水涵管、渠道、渡槽、倒虹吸管、输水涵洞等。

（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、进水闸、扬水站等。

上述分析可见水利工程无论规模大小，大到水利枢纽，小到水工建筑物的部件均是独立的水利工程对象。独立的地理对象同时又是工程总体中的一部分。

2.水利工程对象属性分析

水利工程对象无论是建筑物单元，还是水利枢纽，均可视为一个地理对象。各对象具有如下的属性：

（1）水利工程建筑物具有几何可分解等概化特征。与2D地图符号的抽象性不同，3D模型可表达与工程实体相同或相似的工程形体。复杂的水利工程建筑物可分解为许多形态相对规则的工程单元体。工程概化是将分解后规则的单元体用一个个可进行数学计算与分析的几何体来表示；

（2）水利工程基本单元各自有其几何体属性。如梯形、柱体、长方体、圆柱体等。而概化类型相同的几何体还有不同尺寸大小等属性：

（3）工程对象具有方位属性。如建筑物的X， y，：坐标，建筑物面的朝向等；

（4）水利工程对象之间有着紧密的空间关系。对一个具体的水利工程而言，其各部分工程组件之间的空间关系是确定的，其上、下、左、右不可相互取代；

（5）水利工程建筑物之间具有严格的逻辑关系。每个水利工程建筑物的组成部分都属于该工程，而不属于其它工程。如溢洪道的水闸和船闸的水闸，同是水闸，但是属于不同建筑系统；

（6）工程对象可视化属性。不同工程对象其材质、表面形态不尽相同。3D建模可充分反应工程对象表面信息和内在透视信息；

（7）水利工程建筑物属性。不同工程单元属于不同的水利工程建筑物，其属性是进行区分的最重要标志；

3.水利工程3D GIS建模流程

水利工程建筑物单元体是水利工程3D GIS建模的最基

本元素。对应于水利工程的属性分析，分别赋予其概化特征、几何属性、方位属性、空间关系、逻辑关系、可视化属性和水工建筑物属性。以它为水利工程GIS基本元素，形成更复杂的GIS对象，如水利工程建筑物、水利工程、水利枢纽。在此过程中形成的复杂GIS对象会被赋予新的属性信息，这点完全符合水利工程的内涵。

3D建模部分在对水利工程概化的基础上，用几何概化体来表达实际水利工程：在以上步骤完成的基础上，建立水利工程3D GIS数据模型：最后，实现水利工程3D GIS空间数据结构，建立4级水利工程3D GIS对象数据表结构，并对其进行存储管理。

4.水利工程建筑物模型与地形模型的匹配

在实际3D场景的构建中，如果地物没有与地形相融合，就会造成诸如地物飘在空中或钻入地下的情景。对双方模型匹配的处理是较为复杂的问题，原因在于：

（1）地物、地形模型往往是通过不同的建模软件生成的，双方的数据结构和组织方式有很大差别（如地形模型常用规则格网表示，而地物模型常用三角网表示）；

（2）地物模型如何同地形模型准确匹配。在真实世界中，地物的位置是任意的、不受任何限制的；而在视景仿真中，地形是起伏的，而地物的基准面往往是水平的，会出现地物所覆盖的区域跨在2个或多个高度不同的地形三角形面片上；

（3）不同的视景调度、显示技术对匹配技术的要求不同：如加速遮挡面处理的优先级法不允许一个地物跨越2个或多个地形面片；而地物的LOD受地形LOD的牵制，当地形从一个LOD层次向另一个LOD层次过渡时，地形面片的分割将发生变化，地物的数据也必须改变，而不考虑地物的数据是否需要更新。

在地物与地形匹配方面有以下一些策略：

（1）首先在地形模型的选择上，根据应用需要选择规则格网或三角网。两种数据结构各有优缺点，这里不再详述，比较成熟的结论是：在中小比例尺条件下，采用规则格网结构描述DEM，因为其结构简单，处理负担均衡，磁盘存储易管理，有利于LOD的自动生成，另外有利于两者分开建模以及实现地物与地形的自适应匹配；在目视比例尺条件下采用三角网数据结构，它可以精细地刻画地表形态；

（2）地物与地形的匹配常用两种策略：直接将地物放置在地形表面上。这一方法最简单和实用，MultiGen即采用这一方法。这一方法的缺陷在于视景显示时，会出现“争夺Z值”的现象，即同一个Z值上可能有多个面；首先生成地形的TIN网络，然后逐渐加入地物模型，与地形整合在一起。

5.结语

本文研究水利工程3D GIS问题，重点研究了水利工程3D GIS建模与数据结构，最后得出水利工程建筑物模型与地形模型的匹配的一些策略。

参考文献

[1] 李青元，3D矢量结构GIS拓扑关系及其动态建立[J]，北京：测绘学报，2010.

[2] 李清泉，基于混合数据结构的3D GIS数据模型与空间分析研究[D]，武汉：武汉测绘科技大学博士论文，2011.