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垦务局

现实捕捉和三维模型帮助保护关键基础设施

设计•领创•未来

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照片由垦务局提供

高科技工具为葛兰峡谷大坝的未来奠定了基础

亚利桑那州的葛兰峡谷大坝为美国西部提供了维持生命所需的水和电。但在服务了半个世纪之后,由极端天气导致的老化和水流波动问题对大坝造成了损坏。利用现实捕捉和三维建模技术,垦务局可以评估大坝的状况并为其提供保护,从而造福于子孙后代。在此过程中,该美国政府机构展示了新技术如何帮助保护世界各地的关键基础设施。

葛兰峡谷大坝发电厂的 David Winslow(右)。照片由 BOR/Autodesk 提供。

为西部供水供电

美国国会于 1902 年成立了垦务局,旨在通过灌溉“回收”干旱土地以供人类使用。该机构目前在西部 17 个州拥有 492 座大坝,每年向超过 3,100 万人提供 10 万亿加仑水。它是美国第二大的可再生水力发电生产商,年发电量达 400 亿千瓦时。

如今,历经一个多世纪,该机构的使命正在发生变化。除了维持美国西部的各个社区之外,它还希望维护自己的设施,以免受时间的摧残。犹他州盐湖城垦务局的 CAD 经理兼土木工程师 David Winslow 表示:“这些设施对于国家来说非常重要。我们的任务是,维护已经存在了数百年的设施,向未来迈进。即使是在我们离开很久之后,这些设施仍然存在。但是,它们必须得到正确的运营和维护。”

葛兰峡谷大坝发电厂的 David Winslow(右)。照片由 BOR/Autodesk 提供。

基础设施维护:全球挑战

葛兰峡谷大坝于 1963 年竣工,二十世纪五十年代至七十年代正是大坝建设在全球范围内蓬勃发展的时期。在那个时期每年大约建成一千座大坝,其中包括埃及尼罗河的阿斯旺高坝、日本的黑部水坝、印度的伊杜基大坝、巴西的伊利亚索尔泰拉水坝和瑞士的孔特拉坝,这些大坝为世界各地带来了水、电和防洪设施。

在那个年代,没有 CAD 软件可用于创建这些大型基础设施项目。Winslow 表示:“作为世界上最大的混凝土大坝之一,葛兰峡谷大坝是利用计算尺和三角函数表建造而成的。所有图纸都是在桌子上手动绘制的。”由于垦务局只能参考纸质计划和蓝图,因此,对于老化、天气和极端水流变化对大坝状况的影响,他们的了解非常有限。

并不是只有葛兰峡谷大坝才有这个问题:根据世界银行的资料,世界上 58,000 多座大坝中,有一半以上的大坝至少已经运行 50 年了。目前全球面临的挑战是,找到更好的工具来维护和恢复大坝。

二十世纪六十年代的葛兰峡谷大坝。照片由垦务局提供。

“我们需要摆脱管理此设施数以千计的二维图纸这一繁琐的任务。葛兰峡谷大坝真正需要的是一个全面的三维模型,其中涵盖大坝、峡谷壁、坝上游库区、下游河流以及电厂内外。”

- David Winslow,垦务局的 CAD 经理兼土木工程师

 

诊断老化大坝的新技术工具

在 Autodesk 的协助下,垦务局选出了更佳的工具和技术来创建详细的三维数字结构模型:“虚拟”葛兰峡谷大坝。三维数据提供了二维图纸文档无法实现的深度和背景。所有数字数据都是动态的,不会像旧的蓝图一样冻结。我们可以更新数字模型、仿真新的场景,并根据原始数据集预测未来几个世纪的变化。

三维模型将为垦务局提供大量新功能,帮助他们管理和维护葛兰峡谷大坝。让他们更轻松地查找、诊断和修复当前的损坏,并预测和预防未来的损坏。

但是,对于在有 CAD 软件之前建造的设施,您要如何为其创建计算机模型呢?答案是现实捕捉。

“我们需要摆脱管理此设施数以千计的二维图纸这一繁琐的任务。葛兰峡谷大坝真正需要的是一个全面的三维模型,其中涵盖大坝、峡谷壁、坝上游库区、下游河流以及电厂内外。”

- David Winslow,垦务局的 CAD 经理兼土木工程师

 

从大型站点捕捉大量数据

现实捕捉包括收集有关对象的数据(大小、形状和位置的视觉效果和测量结果),并将其编译到计算机模型中。在科技计划的资助下,垦务局与 Autodesk 签订了合同,由 Autodesk 收集所需的数据并生成三维模型,而垦务局员工监督步骤和流程。2016 年 8 月,垦务局和 Autodesk 开始为大坝采集数据,他们使用激光扫描仪(也称为“激光雷达”)、声呐和摄像机来记录站点。

Autodesk 团队扫描并拍摄了大坝及其周边环境,这是一项巨大的工程,即使每天工作 12 小时,也耗费了整整一周的时间。团队成员为水电站的内部和外部、大坝的下游和上游、大坝的顶峰、周围的地貌甚至部分游客中心拍摄了照片并测量了尺寸。利用一系列高级工具,他们从海陆空三个方向收集了 700 份激光雷达扫描数据和数千个照片和视频。

照片由 BOR/Autodesk 提供。

Winslow(左)观察项目组使用激光扫描仪捕捉大坝和峡谷壁的高精度三维测量结果和视觉效果。

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基于激光的技术(即激光雷达)通过发出光脉冲并测量返回到起源所需的时间,来捕捉大型坝址的测量结果。

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Autodesk 合作伙伴 e-Trac 从鲍威尔湖水库指导遥控潜水器 (ROV) 使用声呐扫描大坝的水下表面。

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Autodesk 团队成员从一架医疗直升机上对地貌拍摄了重叠的航拍照片,并在摄影测量过程中将其转换为三维数字模型。

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Autodesk 团队成员使用安装了摄像头的无人机扫描了水电站主发电室的高耸内部。

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Autodesk 团队成员使用安装了摄像头的无人机扫描了水电站主发电室的高耸内部。

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照片由 BOR/Autodesk 提供。

葛兰峡谷大坝模型,使用 ReMake 创建而成。

将数据转换为数字模型

通过扫描葛兰峡谷大坝,我们在丰富且逼真的三维点云中捕捉到了绝佳的视觉效果和数百万个数据点。通过在摄影测量过程中合并重叠的照片,我们可以根据团队拍摄的照片创建照片模型。为了将所有这些原始数据整合在一起,团队使用 ReCap Pro(英文)来编译更大、更全面的点云。

在将点云导入 Revit 之后,团队构建了一个三维技术模型,其中包含大坝的各个组成部分,从钢架到水力发电机。此模型新旧结合,将旧的二维图纸与高级点云数据映射到一起。用户不仅可以了解大坝的各个部分,还可以将它们组合成系统。

在项目的最后阶段,团队将技术模型导入 InfraWorks 并添加有关大坝性能的实时数据流,例如,释放了多少水、生成了多少电。最终将显示大坝的动态虚拟表示,旨在帮助运营商确定必须解决的风险以及可加以利用的机会。

葛兰峡谷大坝模型,使用 ReMake 创建而成。

预测未来

垦务局会将葛兰峡谷大坝的动态三维模型作为工具提供给运营商以及各个技能水平的员工。Winslow 表示:“这将是一个多用途的模型。”它还将提供新的公众传播方式:例如,分享虚拟大坝的纵览视频,特别是在游客不能安全通行的地方。垦务局计划为其他设施创建类似的三维模型,可能包括内华达州的胡佛水坝和华盛顿的大古力水坝。

最重要的是,该模型是应对未来不确定性的一个重要工具。Winslow 表示:“每年的水流量和天气都是变化的,我们无法准确预测水库的流入量。我们正在尝试了解未来如何更好地为国家供水 - 不管是在本世纪的剩余时间里,还是在更久的未来。随着时间的推移,我们可以将动态三维模型用于许多不同的领域,以帮助我们更好地管理设施。”

基于数百万个数据点的三维模型提供了大坝及其周边环境的准确可视化。

团队成员使用激光雷达装置捕捉雄伟的葛兰峡谷大坝。照片由 BOR/Autodesk 提供。

具有全球影响力的技术工具

如今,全球的大坝运营商都需要准备好迎接未知的未来。目前正在采取措施修复与葛兰峡谷大坝类似的古大坝,其中包括 1959 年竣工的非洲卡里巴水坝、1968 年竣工的加州奥罗维尔坝以及 1987 年竣工的澳大利亚伯德金瀑布坝。另外,还针对印度尼西亚、印度、亚美尼亚和越南的水坝发布了国家升级计划。Winslow 表示:“以葛兰峡谷大坝为先驱开创的三维模型创建过程可以帮助世界各地的大坝所有者和运营商在未来更好地运营和管理他们的设施。”

对于葛兰峡谷大坝和其他老化的大坝(以及老化的发电厂、桥梁、港口和其他重要基础设施),现实捕捉和三维数字模型是动态工具,可帮助可视化设施、监测其运行状况并预测未来性能。最终的成果是,更好更经济高效地维护基础设施,使之更持久。

团队成员使用激光雷达装置捕捉雄伟的葛兰峡谷大坝。照片由 BOR/Autodesk 提供。

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