水利水电工程三维建模与施工过程模拟技术及实践

本书基于水利水电工程领域对三维可视化设计的需求，主要讲述水利水电工程三维设计过程中三维模型的建立方法，包括三维数字地面模型（DTM）的建立、枢纽建筑物及附属设施三维模型的建立；施工过程模拟方法，包括三维动画模拟方法、基于虚拟现实技术的施工过程模拟方法，最后介绍了施工模拟动画制作与合成、多媒体演示系统制作方法，并给出了具体的应用实例。本书内容的结构框架如图1-1所示。

图1-1　本书内容结构框架

水利水电工程三维模型由地形三维模型、工程建筑物三维模型共同组成，工程建筑物包括大坝、泄水建筑物、电站厂房、地下洞室、截流围堰以及其他附属设施等多个单项工程，各单项工程又由多种不同类型的建筑物组合而成。借助水利水电工程三维模型，可以利用3DS Max三维动画软件制作整体工程的虚拟漫游动画，人们可以在工程设计阶段即可在计算机上看到工程的未来完建形象，从而可对设计方案进行可视化分析和评价，如：检验设计方案是否得当、枢纽布置是否合理、地下洞室之间空间关系是否正确等。水利水电工程三维模型的地形部分，通常用数字地面模型（DTM）来描述，本书对DTM的两种形式Grid格网和TIN三角网的建模方法进行了详细的说明，并给出了建模程序的开发框架。水利水电工程区域的地形建模与其他领域（如地学、交通、军事等）有所不同，往往要考虑场地、道路、开挖边坡等，作者开发的基于Delaunay三角剖分算法的带约束TIN模型的构建程序便解决了这一难题，将场地、道路、开挖边坡的控制线作为构建TIN模型的约束条件，实现了地形、场地、道路、边坡的一体化生成，该程序还可协助设计人员完成施工道路、施工场地等设计任务。带约束TIN模型用途十分广泛，本书给出了两个应用实例：基于带约束TIN模型的工程三维辅助设计及土石方计算，基于带约束TIN模型的工程三维地质模型的建立。水利水电工程中各类建筑物的复杂多样性使工程建筑三维建模变得复杂化，也增加了建模的难度，本书主要介绍借助于AutoCAD和3DS Max软件的三维建模功能，并结合AutoCAD二次开发功能建立各类水工建筑物三维模型的方法。在建模过程中，需要根据各种建筑物的设计参数和结构特点，归纳出共性，以便总结出各种三维建模方式或开发较通用的参数化三维建模软件，来建立部分水工建筑物的三维模型，如拱坝；或者结合AutoCAD和3DS Max三维建模软件共同完成三维建模，如土石坝模型、截流围堰模型等；对于一些仅具有个性的建筑物，可直接在三维建模软件下建立其三维模型，如重力坝、电站厂房、地下洞室群、其他附属设施等。虽然有些建筑物在设计上属于不同的工程类别，但从三维建模的角度看，其三维建模方法大体是一致的。(www.xing528.com)

水利水电工程施工过程模拟就是利用已建的三维模型，通过三维动画制作软件或其他动态模拟技术，对施工方案的整体进度或单项工程施工进度进行三维动态模拟，可以直观表现各种施工工艺和施工方法，从而分析评价施工方案的合理性。水利水电工程施工过程模拟的实现方式很多，本书介绍了三维动画模拟方法和基于虚拟现实（VR）的施工过程模拟方法。三维动画具有生动逼真、硬件要求低等特点，借助3DS Max三维动画制作软件的Maxscript脚本程序，可以快速精确地设置施工进度模拟的关键帧，完成施工进度模拟动画的制作；另外，依据施工设计资料的内容，借助施工机械三维模型，在3DS Max下可以实现对具体施工工艺和施工方法的模拟，以上相关内容的实现方法本书都有介绍。在完成三维动画制作以后，需要使用后期制作和后期合成软件将音频、图像、字幕、三维动画进行合成，形成最终的水利水电工程施工过程多媒体模拟系统。VRML是一种桌面级虚拟现实系统开发语言，通过将建立的三维模型几何数据以数据库方式存储，结合虚拟现实浏览器和Visual Basic编程语言，实现虚拟现实场景的动态构建，以达到施工过程动态模拟的目的。基于虚拟现实（VR）的施工过程模拟方法虽然达不到三维动画生动逼真的模拟效果，但具有交互性，这种交互性表现为三维场景浏览的交互和信息的交互，这是三维动画无法实现的，具有广阔的应用前景。

本书对整个水利水电工程三维模型的建立方法和施工过程模拟方法作了系统地介绍，内容涉及知识面广、学科门类多，为了突出本书的针对性，内容没有涉及CAD技术、计算机图形学等相关技术的基础理论，读者可查阅相关文献资料。另外，由于篇幅所限，本书内容也没有对所涉及的一些软件的使用方法作详细说明，读者可根据需要查阅相关软件的用户手册。