三维GIS在水电水利工程中的应用

2014-12-29 14:02:12    来源:中国地理信息产业协会

摘要:本文基于GIS强大的数据管理及分析功能,基于SkylineGlobe三维地理信息系统平台,研究其在水电水利工程中前期踏勘、方案比选、施工总布置可视化等方面的专业应用。

1 引言

  地理信息系统作为获取、存储、分析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科,经过了近50年的发展,到今天已经逐渐成为一门相当成熟的技术。当前,三维GIS也从理论研究走向了实际工程应用,三维GIS是近年发展起来的以真实三维场景描述并结合传统地理信息系统的新技术,具有真实、直观等优越性,又继承了传统地理信息系统的分析、处理和数据组织模型。

  水电工程的设计与决策是一项十分复杂的工作,往往需要多方案的比较来确定最佳选择。这就使得用文字及二维图纸的形式来描述一个方案,很难让人有直观的了解。 建立一个能将设计成果进行可视化表达,实现工程信息的高效应用与科学管理的可视化系统,不但可以很好地对不同设计方案和成果进行可视化表达、分析和比较,而且在三维模型的基础上还可以实现工程信息的三维可视化查询,有助于提高工程设计的效率和质量。本文介绍了将GIS应用于水电水利工程,利用GIS强大的数据管理及分析功能,结合三维可视化等先进技术与方法,为传统的水电工程设计提供一个实用的、可视化的三维地理信息系统,推动水电工程设计数字化、可视化、为工程设计和施工管理等提供有力的支持。


2 三维GIS平台

  自二十世纪八十年代以来,空间信息三维可视化技术一直是业界研究的热点,尤其是近几年,相关技术的研究呈现出前所未有的壮丽景象,国内外科研机构和企业纷纷认准了三维空间技术的良好发展势头,进行了跨学科、跨领域合作和三维技术攻关,研发了一批各具特色的优秀产品。美国率先推出了Google Earth、SkylineGlobe、Virtual Earth、ArcGIS Explorer、WorldWind等软件。国内也先后推出了类似产品如LTEarth、GeoGlobe、EV-Globe等软件。

  SkylineGlobe是起源于以色列的一家美国私营高科技公司,其推出的TerraSuite系列产品已广泛应用于水利、电力、石油、城市规划等行业,它是目前应用比较广、整体性能较优的商业化大场景三维可视化基础平台软件,并且提供了丰富的二次开发接口,支持绝大部分主流矢量数据格式。本文就是选择了SkylineGlobe作为三维GIS平台,研究其在水电水利工程中的应用。


3 SkylineGlobe软件

  SkylineGlobe是全球领先的三维地理信息系统平台,可以支持桌面、移动终端、多屏投影等显示终端,可以为每个用户提供量身定做的软件和服务。该软件是利用航空影像、卫星数据、数字高程模型等信息源创建的一个交互式环境,是一套独立于硬件之外、多平台、多功能的软件系统。SkylineGlobe软件系列平台从数据生产、编辑、互联网发布提供了成熟的商业解决方案,给用户提供一站式服务。不论是在网络环境中还是单机应用,用户能够根据自己的需求定制功能,建立个性化的三维地理信息系统,通过三维交互的方式来展示大量的空间地理数据,并在此基础上整合自身的业务平台。利用SkylineGlobe构建三维GIS平台的主要步骤如下:

  (1)根据等高线、高程点、航空影像、卫星影像等数据获取数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM);

  (2)根据得到的DEM和DOM数据利用TerraBuilder制作生成三维地理场景数据;

  (3)集成基础地理信息数据,如行政界线、村名等矢量数据;

  (4)集成水电水利工程设计、施工、规划、环保移民和地质灾害等专题数据和三维模型数据;

  (5)针对实际应用需求进行功能定制开发;

  (6)形成三维地理信息系统平台。


4 三维GIS在水电水利工程中的应用

4.1工程踏勘应用

  水电项目通常地处高山峡谷地区,枢纽区位置往往植被茂盛、山高坡陡、交通及通视条件差。工程前期进行现场踏勘时,往往由于现场的交通、通视条件,无法准确的判断项目所处为位置、相关地形地势,利用所建立的三维GIS平台,在前期方案研究的基础上,进行查勘规划与策划,完成查勘前的技术准备,以增强查勘的针对性,提高工作有效性。


4.2前期方案研究

  根据三维地理场景数据以及钻孔、地质点等数据,可在项目设计工作启动初期开展方案研究工作,初步对坝段、工作坝址及枢纽布置格局适应性进行初步分析,为拟定工作思路、确定工作范围,缺资料条件下设计投标以及项目投资前期决策等具有积极作用。

  此外,在前期方案研究阶段,可实现前期研究的快捷、多方案比选;并可在初步估算的精度上,实现点位信息查询、距离量算、淹没分析、剖面分析等功能,满足初步分析使用。


图1  距离量算



图2  剖面分析 


4.3道路交通规划

  通过三维GIS平台,设计人员可获取路线所经区域的地形、地貌、河流、居民地及交通网系等,以便了解其对路线的影响,对所选路线进行调整。设计人员进行规划设计时,可根据不同地理条件的要求,灵活设计、修改交通规划方案,同时可以在三维场景中形象直观地展示交通规划方案,整体规划水电站场内外交通,形成更加科学合理的规划方案。



图3  道路交通规划


4.4施工总布置规划方案展示

  基于三维GIS平台,获取水电工程区域三维地形与影像,制作真实的三维可视化场景,将水电工程设计的施工场地、渣场、料场、主要施工生产生活设施场地、业主营地、场内交通等相关信息有效整合,并在三维可视化场景中进行集成展示,将设计成果可视化表达,进而为决策与设计人员提供直观形象的信息支持,极大地提高工程设计与管理的现代水平。


图4  设计方案展示1



图5  设计方案展示2


4.5水库征地移民统计分析

  在三维地理信息系统中,可以开展水库移民统计分析工作,包括水库淹没范围分析和淹没实物指标统计、规划搬迁和安置人口分析等。使用水库移民专题数据可方便地计算和统计出某流域或单个工程水库的耕地、林地、草地等土地面积,还可在三维场景中形象展示移民安置点位置及其规划的三维效果,为水库征地移民提供一种直观、高效的手段,从而提高移民工作的系统性、科学性和前瞻性。


5 结语

  全球数字化的趋势下,三维数字信息丰富、真实、具体的表现力以及可视化的优势逐渐成为应用的主流,随着三维可视化技术的发展和完善,基于SkylineGlobe的三维GIS平台依靠其强大的海量数据处理能力,为工程设计及成果的可视化表达提供了先进的技术手段,但是要能更好的将三维GIS应用于水电工程中,要更深入研究专业功能的定制开发,GIS与CAD数据,特别是三维设计成果数据的无缝接合,更好地为水电水利工程设计服务。


参考文献

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作者简介:闻 平(1982—),男,云南泸西人,高级工程师,硕士,主要从事测绘新技术开发及3S技术应用工作


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