刘效
湖南五凌电力科技有限公司
湖南 长沙 410000
摘要：随着时代的进步，现如今我国已经建成了八万多座大坝，这为我国的经济发展起到了不可忽视的推进作用，而这些大坝架起的桥梁作用，使得大坝已经和人类的生活密不可分。结合实际情况来看，虽然现在我国的大坝运行良好，但是常常会因为自然灾害等一些不可抗拒的的因素，造成了大坝会小概率的出现一些安全隐患，这给国家和人民带来了很大的困扰。为了解决这一难题，笔者在本文的论述当中对大坝的安全监测技术，提出了一种可以基于三维可视化技术对大坝的安全进行监测和预警的研究，这样可以有效的降低大坝的风险，同时确保人民生命财产的安全。
关键词：大坝水库;三维可视化;监测;预警技术
一、引言
随着各国经济实力的不断增强，每个国家对水利资源都进行了不同程度的开发和利用，因此大坝的安全管控，以及实时监测预警技术就受到了各个部门的重视。纵观整个发展历程，在对大坝的安全监测技术发展史上，基本趋于一致，可以分为以下三个方面，最早时期人类在对大坝的灾害研究中，大多都是对大坝的形态位置信息，地质信息以及各种因素都进行了统计，最终以文字或者报表的形式体现，但是由于这种信息过于粗略，研究人员在研究的过程中无法直观的进行参考；接下来便诞生了二维的信息监测，大多都是以曲线或者图片的形式体现出来，但是这在后来更深入的研究过程中也慢慢的显现出很多局限之处；到了21世纪，便诞生了三维立体监测技术，通过虚拟现实的技术，将大坝更直观的展现出来，这在对大坝的安全监测和预警技术上算是一大突破。
二、三维可视化技术介绍
三维可视化技术最早诞生在二世纪80年代中期，是一种把计算机数据处理以及图像显示结合到一起的技术，也是现在科研技术比较前沿的技术。随着科技的飞速发展，三维可视化技术也取得了很大的成就，同时也衍生出了很多可视化工具，例如OpenGL和DirectX，这两种技术目前都已经实现了3D图像的底层设计。三维可视化技术其中的优点有很多，比如能够将一个物体进行数据性表达等。因为在整合的过程中储存了大量的数据，所以可以模拟的成果进行科学的解释，对信息的交流起到了衔接的作用，同时三维可视化又结合了图像显示技术，可以将现实物体进行虚拟的建模，更加形象的展示出来。将三维可视化这一技术应用到大坝的安全监测中，可以将大坝的不同地质进行动态模拟、演示、分析和评估，从而降低不安全事故的发生概率。
三维可视化技术是利用三维数据，对物体进行3D建模，这个过程也是三维可视化技术的关键要素，其中基本可以分为两种方法，第一种方法是抽取一系列的等面值数据，进行多边形的三维数据整合；第二种方法是基于体素数据进行单元绘制，这也是现在主流的一种方法。而三维可视化技术的基础是要形成三维数据的结构，这就需要整合大量的数据，并将这些数据按照点、面、体的形式进行分类和整合。三维可视化技术是一种可以将隐藏的地质现象特征进行可视化描述，这项技术在我国的地质学中也是有着非常广泛的应用，通过数据上的表达，可以对模型或者是建筑进行直观的描述，可以让人类对其更加直观的理解和控制。同时，三维可视化技术通过地层的不同构造获取不同的折射率，从而建立出一种三维可视化模型，从而实现对底层特征进行直观化表达，在三维立体模型中，每一个像素都是由R、G、B三种颜色的不同参数值所构成。在Matlab中可以利用matlab语言实现立体图、切片图和等值线图；Voxler软件则利用的是Gridder模块来实现。[1]这几种技术之间可以互相转化，三维立体模型也可以透明化处理，这样就可以从不同角度实现三维立体数据的可视化显示，达到多样性的要求，便于检测。
三、三维可视化技术如何应用到大坝安全监测
将三维可视化技术应用到大坝的安全监测中，是因为技术可以将大坝进行建模，通过数据录入能够有效地进行仿真，从而显示出真实的数据状况，通过图形、图像等方式对仿真计算的结果进行追踪和处理，建立一套可视化平台，能够准确的监测到各个环节的实际数据状况，实现仿真计算可视化，这样不但大大的减少了劳动者的强度，同时也提高了监测的效率。利用三维可视化技术，使得在大坝的安全监测预警中可以应用到以下几个方面：对水闸水下冲坑进行检测、大坝墙质的监测、结构分层深度的监测、内部隐患的探测以及裂缝的探测。
（一）水闸水下冲坑检测
大坝在常年的运行过程中，水闸的地基常常会出现断裂、流失、冲击等异常现象，因此，工程师需要对它进行定期的监测，但是按期派人员进行这样的工作，工作量就比较巨大，所以为了降低劳动成本，在这时应用3D可视化技术就显得尤为重要。工程师可以通过Matlab软件编程绘制出水下的三维地形图，在地形图中做出切面图，通过切面图可以清晰的分辨出水的冲坑深度和大小，从而对大坝水闸的检测提供有力的数据支撑，从而实施措施，不仅可以降低人力成本，也提高了工作效率和准确率，在这方面的应用，是三维可视化技术的基础应用，也是已经成熟的技术。
（二）结构分层深度监测
通常大坝在对墙体进行建设的过程中，都会使用混凝土层、土工膜、保温板和沙石料四层结构，这一项内容也可以利用三维可视化技术对这四种结构进行精准的显示，[2]同时利用颜色透明度等特点，快速建立出想要的3D图像，对大坝的现场数据进行采集，不仅可以消除噪声等干扰因素，对混凝土的厚层做出判断，而且轻松、便捷的实现对大坝的结构分层厚度进行监测，使得工作内容更好的开展和进行。
（三）内部隐患探测
建设大坝属于水利工程，在深水区的操作往往还受到多重因素的影响，工作人员会长时间处于干湿交替的恶劣环境中，工期也不好控制，如果单纯应用人工进行监测，就往往会存在很多困难，这样进行也普遍很难排除大坝的内部隐患，而技术变革，使得工程师通过三维可视化技术进行建模，可以实现将数据化信息转化为标准的图层，然后通过应用图层的可视化进行实时监测，[3]省人力的同时做出准确的预警，不仅可以提前排除内部隐患，还可以及时报警实施治理措施。
（四）裂缝探测
大坝的主要材料是混凝土，而混凝土由于自身的特性，常常会存在一定程度的裂缝，但是只要有裂缝的存在就会影响到整体结构的稳定，加大不安全因素的产生。[4]但是目前应用三维可视化技术，不仅可以对大坝进行高标准的仿真计算，还可以减少监测中的数据误差。所以总的来说，通过3D可视化建模，一方面可以更加直观的检测到大坝内部的裂缝情况，另一方面还可以进行分析出最容易出现裂缝的地方，让工作人员及时做出处理，从而保证大坝的稳定性，提高安全率，为生产生活便捷提供更多的科技支撑。
总结：将三维可视化技术引用到大坝的监测和报警中，可以使监测的结果更加直观和饱满，因为在这个过程中减少了人工的干预，更加注重的是计算机的参与，这样可以使监测的效率大大的提升，应用技术监测的结果也更加准确，另一方面，人机交互应用于工业领域使得工程显得更加方便。随着科技的发展，国家的监测技术也越来越成熟，三维可视化这一技术的加入，使大坝的监测与报警显得更为专业和便捷。不仅如此，在整个监测行业中，三维可视化技术也越来越受到重视，希望能在更多的技术中得到准确的应用，为工程实施做更多的支撑。
参考文献：
[1]曹福祥,尹秉喜,朱庆俊。电导率成像系统在西部地下水.勘查中的应用[D]. 物探与化探,2005 04):323 -32
[2]王鹏.基于MATLAB的煤矿TEM数据体三维可视化技术.地球物理学进展,2014 .29 03):1277- 1283.
[3]周薇薇.三维可视化技术在水利水电工程建设中的应用与未来展望D].江西建材,2014 46):110.
[4]刘蕾，江文萍,邹富,等。堤防工程的三维建模与可视化.测绘通报,2016 03):126 -129,141.