三维可视化在工程测量中的综合应用

三维可视化在工程测量中的综合应用中国水利水电第八工程局有限公司科研设计院左广恒湖南长沙摘要：过去我们测量工作中，借助GPS、全站仪等设备采集三维数据，利用成图软件绘成地形图，以等高线的方式来展示地形。对二维的施工图纸，凭自己的想象勾绘出工程的模样来指导测量放样，这种方式非常不直观、且易于出错。运用三维方式展示建筑工程，并对建筑工程进行数据统计，多向解剖，使其便于理解、互动与分析已成为一种必然趋势。本文探讨一下运用 GoogleEarth、AutoCADCivil3D与Catia来高效地辅助测量工作可视化地显现三维建筑物。关键词：三维可视化工程测量一、 三维可视化的概念三维可视化是一种利用计算机技术展现三维世界中的物体，表达出物体的复杂信息，并具有实时互动能力的技术。它因符合人获取外界信息的习惯，即首先通过视觉效果来对信息进行直观获取三维立体信息，而被广泛应用于各种工程建设领域中。二、 在工程测量领域使用的三维可视化软件GoogleEarthGoogle公司开发的一款虚拟地球仪软件，它把卫星照片、航空照相和GIS布置在一个地球的三维模型上，是卫星影像与航拍的数据整合，谷歌地球可让您前往世界上任何地方，查看三维地形、3D建筑物等，还能查看到不同时段的历史景象变化。GoogleEarth上的全球地貌影像的有效分辨率至少为100m，通常为30m，视角海拔高度为1km左右，但针对大城市、著名风景区、建筑物区域会提供分辨率为1m和0.5m左右的高精度影像，视角高度分别约为500m和350m。AutoCADCivil3D欧特克公司的一款面向土木工程设计与文档编制的建筑信息模型（BIM）解决方案，可以加快设计理念的实现过程。它的三维动态工程模型有助于快速完成道路工程、场地、雨水/污水排放系统以及场地规划设计。所有曲面、横断面、纵断面、标注等均以动态方式链接，可更快、更轻松地评估多种设计方案、做出更明智的决策并生成最新的图纸。Civil3D适合在任意区域内，建造的土木工程（场地规划、道路交通、水利枢纽等等）。更适合“带”状或“面”状的（如道路、渠堤坝、土地开发等），需要与地形地貌相互关联的结构设计。Catia法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。它可以帮助我们绘制出所要施工的工程项目，从点到线，从线到面，从面到体，可以涵盖从具体的绘制、分析、模拟、组装到更新在内的全部流程。它采用的是基于特征的参数化造型，具有很方便的修改能力，可使产品的设计随参数尺寸的变化而自动修改成图。Catia在八大领域里提供3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计（主要是钢构厂房）、建筑、电力与电子、消费品和通用机械制造。三、 实际测量工作中希望能体现三维可视化的主要在以下方面进场前，施工场地怎样，交通情况怎样？希望能快速地去了解到，为进场做好充分准备工作。进场后，实地测绘出的地形图是否做到与实貌相符，是否有漏测，错测，怎样去校核它？开挖阶段，即将开工的上坝公路效果是个什么样，哪段挖，哪段填，挖方多级边坡最多处在哪个桩号？左岸、右岸及基坑开挖效果是个怎样的？砼浇筑阶段，消力池、廊道与大坝效果是个怎样的？复杂的主要建筑物的内部结构是个怎样的？施工建筑物的体积多大，其中某任意点的坐标能否准确地获取？怎样在测量前有效地对测量放样数据进行快速校核，某个部位图纸修改后是否能快速呈现其准确的三维效果？金属结构（蜗壳、尾水管等部位）的三维可视效果是怎样的？四、运用案例就以斧子口水利枢纽工程为例，来说明一下这些软件的运用及其特点。斧子口水利枢纽主要建筑物为大坝挡水及泄水建筑物、电站进水口和压力钢管、上坝公路、过坝公路、导流隧洞等；次要建筑物为消能防冲建筑物等。有路、桥、洞、坝、闸等多种建筑类型。运用一、解决工地实况是怎样的问题GoogleEarth对前期的工作准备具有重要作用，它可以帮助我们实现在人未到达施工现场的情况下，身临其镜地对工地的地貌、地物、交通等有一个基本图注：1-框选范围为大坝坝址若是到了工地，借助GoogleEarth手机客户端把控制点与建筑轮廓点数据做成kml格式文件导入，便能方便地显示你的位置与工地建筑物的位置关系。并能对你行进的路线收藏起来，供下次导航用。若要在从GoogleEarth上得到数字地形图，目前的方法是把工程区域控制点在GoogleEarth上展示出来，建立一个区域范围，对此区域建立点网，通过CASS提取点网坐标，将坐标转换成经纬度，运用GoogleEarth高程提取工具获得点高程，可得到数字地形。从GoogleEarth上提取的高程精度现在不理想，误差达13m，重复提取同一个点误差达0.6m，有的提取工具通过建立多个地面检校点进行比对，加以坐标转换与高程拟合，虽然可以降低误差，但比较费时，点采集间距一般只能取到20m，间距太大，不实用，仅能做为一种尝试。运用GoogleEarth时，需要清楚当地的中央子午线、投影高、坐标系，方可准确进行经纬度与坐标系的转换，来获取准确的地面信息。运用二、解决测量地形是否与实际地形相符问题使用GPS、全站仪、三维扫描仪或无人测绘机来采集点云数据，用AutoCADCivil3D处理点云数据创建三角网面，网面生成曲面，曲面再提取形成实体，这

种方法在工业设计上也被称为逆向工程图注：2-采集的测量点点云越密，面越能真实反映实际。AutoCADCivil3D的曲面是由一个三角形一个三角形转成面缝合而成，比较符合实际。三维数字地形模型是AutoCADCivil3D最有价值的部分。图注：3-AutoCADCivil3D构成的三维实体Catia也能做到由点云到面，面到实体。但Catia采用的是一个拟合的方法，将由点形成的网格mesh做成曲面surface，图形比较圆滑，细节处理不细腻，效果不及AutoCADCivil3D精确，且在100m2以上区域生成实体的过程耗时便会很长。运用三、解决上坝公路的开挖情况问题AutoCADCivil3D绘制出公路的设计纵断面，对横断面进行装配，与曲面相交形成虚拟的施工效果。一线施工测量人员便能直观地看到将要建设道路的情形。任意桩号，挖方是几级边坡，填方在什么桩号，都能一清二楚。若施工过程中遇到设计修改变更，图形还可以做到同步更新。并可对每个断面的面积，二期曲面的体积进行显示。AutoCADCivil3D的放坡工具，能对平台类的开挖工作面进行土方平衡计算，达到经济合理效果。图注：4-Civil3d生成的道路三维效果AutoCADCivil3D可对道路进行导航体验，让人感受模拟行驶的效果。

图注：5-Civil3d模拟导航行驶运用四、解决大坝开挖面效果的问题在CATIA中，运用草图编辑器、零件设计、装配设计及创成式外形设计来组建出三维可视化效果。草图编辑器对不同开挖层面按设计蓝图绘制各个开挖设计断面，在创成式设计模块中对各个断面进行曲面连接，构成精确的效果图。图注：6-大坝的开挖曲面运用五、建立大坝、消力池、廊道等建筑物的模型运用Catia对在零件设计中已做好的大坝、消力池等建筑物零件在装配设计中进行约束，构成整体效果图。图注：7-大坝三维实体模型图注：8-各层灌浆廊道三维模型通常测量放样中，对图纸的坐标、方向与距离计算是经常出错误的地方，所以通过绘制三维图，进行零件的装配、碰撞分析，通过同步更新后便直观暴露出问题之所在，快速为测量工作起到校核的作用。

图注：9-工程整体三维效果运用六、解决全面了解内部结构问题在Catia的零件设计中，运用动态切割，对进水塔进行多角度剖视，全方位地了解内部构造，如内部爬梯、孔洞、方角、埋件等分布情况。工程制图中，对部件进行多视图展示，并可输出到CAD中使用。图注：10-进水塔内部剖视图运用七、解决三维点的坐标、三维体的体积快速查询问题在Catia中，对任意一点进行捕捉，便能得到其三维坐标的信息。图注：11-廊道某点位坐标查询關AM 腔*2：MM2M.L2Lrn^3l^iOC.LOLnvnE3珈KhLFPMZAftzw^+QWkgGz2LWM,9MwwH3!lQWki.m3fcxd2_2吐+幽屮2歸■+幽I*。剩■+呛恥刖m2审 朋 XKAi+GOekgxmJ祸 曰虑仇kgxm；!图注：12-进水塔混凝土查询点击部件名，如进水塔，其工程量便显示出：2644.1m3,并能单独分出一期2586.04m3，二期为58.06m3，与蓝图比较进行检校，发现少算12.1m3，经手工计算，确实是少算了，与Catia计算的完全一致。运用八、对相关部位修改快速呈现设计图纸变更增设了一处挡墙，运用Catia快速地绘出效果，发现挡墙基础是要靠山体而建，结果墙进入山体有1m来深，直观地暴露出矛盾。图注：13-图纸变更后三维效果运用九、金属结构的三维可视化体现。在catia中，对蜗壳、尾水管的不同截面方向的体态参数进行绘制，运用多截面工具，达到如下效果演示，并提供出体积、面积数据供计量使用。图注：14-部分金属结构的三维效果结语AutoCADCi