水利水電工程多數較為龐大而複雜。如何採用科學有效的設計方法以提高設計效率，怎樣直觀清晰地描述複雜工程建設的施工動態過程，是提高工程設計和管理現代化水平的關鍵。因此，尋求新的技術和計算機輔助設計的方法成為必然趨勢。GIS是近年來迅速發展起來的一門地學空間資料與計算機相結合的新型空間資訊科技，它把現實世界中物件的空間位置和相關屬性有機地結合起來，滿足使用者對空間資訊的管理，並藉助其特有的空間分析功能和視覺化表達，進行各種輔助決策。
一、GIS在水利水電工程建設中的應用綜述
將GIS應用於水利水電工程建設，以資訊的數字化、直觀化、視覺化為出發點，可以將複雜施工過程用動畫影象形象地描繪出來，為全面、準確、快速地分析掌握工程施工全過程提供有力的分析工具，實現工程資訊的高效應用與科學管理，以及設計成果的視覺化表達，進而為決策與設計人員提供直觀形象的資訊支援。這給施工組織設計與決策提供了一個科學簡便、形象直觀的視覺化分析手段，有助於推動水利水電設計工作的智慧化、現代化發展，極大地提高工程設計與管理的現代化水平，促進工程設計界的“設計革命”。
應用於施工導截流三維動態視覺化
採用GIS軟體系統與其他平臺結合的模式中整合模式與擴充套件連線模式相結合的方式來開發施工導截流三維動態視覺化模擬系統。將水文實時資料庫和大壩施工實時資料庫等資料庫存放在GIS平臺的表Table 中，通過Windows的DDE技術將資料傳遞給調洪演算、日徑流模擬、導流實時風險率計算等模組，這些模組用VC++、VB等平臺開發16，模擬所得資料再傳回GIS平臺，以圖形、報表的形式輸出。GIS強大的資料庫管理和圖形顯示輸出能力在這種開發模式中得到了充分利用。資料在GIS平臺和VC++、VB等平臺間簡便迅速地傳遞，保證了系統開發環境的協調統一。
通過系統分解，對各子系統分別進行模擬計算和圖形建模，形成初始圖形資料庫。各子系統的圖形在GIS中以主題地圖Theme的形式分層存放，圖形有其對應的屬性Attributesof Table 與之對應，圖形與屬性資訊具有一一對應的聯絡。
GIS中三維視覺化過程具體表現為：首先建立和組裝三維場景，接著通過三維實體建模建立三維形狀。三維實體模型可以直接由其三維形體座標引數構建，也可由二維形體生成，其高度由形體特徵的幾何屬性提供，或由表面紋理資料提取。三維實體模型再經過紋理、光照、消隱、陰影等計算顯示在三維場景中。
藉助GIS強大的空間查詢能力可以方便地查詢任意時刻施工導流面貌及相應資訊。具體實現途徑是：通過模擬模組得到施工系統各方面的資訊，包括主體及擋洩水建築物幾何形體面貌及其屬性，各施工單元的開始時間、持續時間、水流幾何形狀及其屬性，由此得到各施工單元任意時刻的面貌，組合起來得到施工導流系統任意時刻的整體面貌，把它貯存在施工圖形庫中並與其一一對應的屬性資料建立聯絡，通過使用者輸入的查詢時刻，查詢該時刻施工圖形庫對應的記錄，啟用其所對應的圖素，利用GIS的條件查詢與圖形顯示機制，顯示出該時刻施工導流場景及導流資訊，如圖1所示。
應用於地下廠房施工動態演示系統
GIS三維空間資料模型主要是表達空間目標的幾何資訊和屬性資訊，同時相對獨立的表達空間目標的拓撲關係。動態演示是依靠對任意時刻施工面貌的再現實現的。首先執行模擬程式得到確定方案下的洞室施工過程的資訊，包括洞室開挖時間引數(持續時間、開始時間、結束時間)、進度引數、強度引數，將這些引數按工序以電子表格的形式輸出。GIS讀取這些資料並將其轉換成相應的資料庫。利用其中的時間引數，通過程式設計生成任一工序任意時刻的面貌Si?t (i工序t時刻的面貌)，則地下廠房系統任意時刻的整體面貌S?t =∑Si?t 。演示時通過對施工面貌資料庫的迴圈，逐條讀取資料庫中每條記錄的形體資料及其他的相關資訊，形體資料以圖形的形式顯示在三維圖上，其他資訊以文字的形式顯示在資訊框中。從地下廠房施工面貌動態演示系統中可以獲得以下資訊：
1 虛擬的工程環境。應用三維動畫技術，製作工程的三維模型，在計算機內虛構一個完整的工程佈置，從各種各樣的視角和路徑都能看見。既能在遠處觀看工程全貌，也能就近了解細部結構。廠房、引水洞、母線洞、尾水管等建築物結構的相互關係清晰、明瞭。由於GIS所特有的地形顯示功能，使得地下洞室群所處的地形地貌一目瞭然。
2 地下洞室在各個時刻的.形象進度。在施工面貌動態演示系統有時間座標軸，可觀察任意時刻的形象進度和對應於該時刻的地下洞室群施工面貌。
3 單項洞室開挖過程、工作面數量和開挖程式等資訊。
4 洞室群施工中各單洞施工的邏輯關係。
5 施工期間任一時刻同時施工的活動。
實時演示能夠清晰地顯示單洞施工、洞群施工等時間、空間上的邏輯關係，幫助設計人員對施工方案的分析、確認。有助於資訊溝通，為決策者提供資訊服務。
應用於混凝土壩施工全過程三維動態演示系統
利用GIS強大的空間資訊處理能力來表現混凝土壩的複雜施工過程具有極大優越性。GIS特有的空間資料組織形式能夠充分反映混凝土壩施工系統複雜的空間關係和施工過程。在混凝土壩施工全過程三維動態演示系統中，GIS的視覺化過程，即實現模擬資料到影象的變換，分為三個子過程：
(1)資料操縱。資料操縱主要完成資料的過濾，是原始資料的加細或增強，並轉化為適合後續視覺化操作的表示形式。
(2)視覺化對映。視覺化對映將資料過濾匯出的資料轉換為抽象視覺化物件(AVO)，體現為各種視覺化技術。GIS的視覺化過程是基於資訊處理的，模型以資訊鏈的形式表示，並存放在資料庫中。
(3)繪製。繪製將AVO轉換為可顯示的影象。可以利用GIS強大的動畫及圖形影象處理技術實現模擬資料、模擬過程的視覺化表達。
通過建立座標系，把現實世界的事物在計算機中對應位置重現出來，及建立實體的數字模型，並按照一定方式將實體與其屬性一一對應，從而反映實體的靜態空間特徵。混凝土壩施工系統的三維視覺化模擬數學模型的建立分為兩個步驟。首先建立數字地形模型。數字地形是整個施工系統佈置和活動的場所，是三維影象展示的重要“背景”。通過人工輸入或掃描器、數字化儀等將地形原始資料(等高線)輸入到系統，經過資料過濾後轉化為三維向量資料，進一步生成三維地表面模型DTM。利用內插手段，可以生成更高精度的DTM。DTM在經紋理、光照等圖先渲染操作，即生成逼真的壩區數字地形模型，然後建立混凝土壩施工系統中建築物的三維實體模型。GIS中提供了point，line，polygon三種最基本的形(shape)，利用它們可以反映任意複雜的物件。GIS的3D模組提供了實現三維圖形的拓撲運算、繪製、渲染、紋理和顯示的功能。與地形模型不同的是，實體模型尚需反映其屬性資訊。實體與屬性的一一對應可以利用GIS的空間資料組織結構來實現。另外為了體現施工的動態過程，在反映實體的資料結構中還應包括時間特徵，以便在三維演示中根據時間順序呼叫不同的實體單元組成施工面貌。把工程施工任意時刻的整體面貌儲存在圖形庫中，並與其一一對應的屬性資料建立聯絡，從而在動畫演示時，按時間順序讀取圖形庫中的形體資料及相應的屬性資訊，不斷更新繪圖變數和屬性變數賦值，並不斷重新整理螢幕顯示。這樣高速地顯示一系列靜止影象，當影象快速連續時，由於視覺的暫留，從而實現了整個混凝土壩施工過程的三維面貌及相應資訊的動態顯示。同時利用過程資訊，生成三維動畫，如圖2。
應用於水利水電工程施工總佈置視覺化動態演示系統
以GIS軟體為平臺，建立數字化地形，施工場地佈置系統中各系統部件的三維數字化模型。系統部件的資料資訊與其他相關資訊，通過對映關係聯絡形成基礎資料庫，成為系統的底層支援。這樣就實現了各系統部件表層的獨立性和深層的耦合性。根據不同工程的施工期長短，選擇恰當的基本時間步長，再輔以典型時刻面貌，可以使施工生產管理者對工程進展情況有一個全面直觀的瞭解。GIS中資訊的視覺化組織表現在對系統資料庫的操作及管理上。由於GIS特有的混合資料庫設計結構，把資料貯存形式分為兩個部分：一是圖形資料庫，它主要是存放各種專題圖及組成它們的所有圖素。根據需要，可將不同性質的圖素放在不同的圖層上，以便今後查詢或進行圖層疊加分析。二是圖素的屬性資料庫，它主要用來存放描述圖素的屬性資料。空間資料和屬性資料通過內部程式碼和使用者標識碼作為公共資料項連線起來，使得描述圖素的屬性資料與其圖素建立一一對應的關係。
該系統實現的總體功能概括如下：
(1) 顯示樞紐施工總佈置三維全景。
(2) 演示樞紐施工全過程三維動態形象，直觀反映各組成部分空間上和時間上的相互關係。
(3) 基於三維樞紐佈置模型上實現樞紐佈置的各種資訊視覺化查詢，包括建築物設計引數、設計圖紙、基礎資料、附屬物資訊、工程施工進度等。
(4) 實現樞紐施工全過程總體施工強度的實時統計及統計結果動態的柱狀圖顯示，包括混凝土澆築強度、施工機械裝置生產率、砂石料等原材料需求量及人力需求量等資訊的統計顯示。
(5) 實現樞紐工程主要建築物施工全過程動態演示，包括地下洞室群施工全過程模擬及演示、大壩混凝土澆築全過程模擬及演示、施工場內交通運輸系統模擬與演示等。