CN108052776A

CN108052776A - 基于bim和三维实景模型的洪水模型构建与动态展示方法

Info

Publication number: CN108052776A
Application number: CN201810029756.7A
Authority: CN
Inventors: 屈志刚; 高英; 冯光伟; 王岩; 王新平; 姚亮亮; 刘建龙; 赵庆鹤; 孙卫宾; 孙哲; 史亚军; 付航帅; 薛向华; 李; 李�一; 郑秋灵
Original assignee: Henan Water and Power Engineering Consulting Co Ltd
Current assignee: Henan Water and Power Engineering Consulting Co Ltd
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2018-05-18
Anticipated expiration: 2038-01-12
Also published as: CN108052776B

Abstract

本发明公开了一种基于BIM和三维实景模型的洪水模型构建与动态展示方法，将三维设计平台、地理信息平台、水动力学建模平台、三维实景建模平台进行跨平台技术融合，应用三维实景模型构建高精度洪水模型，并进行三维动态展示；1、三维实景模型、DEM、正射影像的生产；2、洪水分析模型的构建和计算；3、洪水计算结果的导出和转换；4、实景模型、BIM设计模型与洪水计算结果的集成；5、洪水结果的三维动态展示。本发明将三维设计平台、地理信息平台、水动力学建模平台、三维可视化渲染平台等进行跨平台技术融合，在无人机倾斜摄影生产的实景模型数据基础上构建洪水模型，叠加实景模型进行洪水三维动态展示，使得洪水模型精度大幅提高。

Description

基于BIM和三维实景模型的洪水模型构建与动态展示方法

技术领域

本发明涉及专业水动力学模型在水利工程上的应用，尤其是涉及基于BIM和三维实景模型的洪水模型构建与动态展示方法。

背景技术

BIM即建筑信息模型，既是一种工程三维设计成果的表现形式，也是一种设计理念、方法、流程和规范。三维实景模型是通过无人机倾斜摄影技术, 基于一套空三计算算法，从所拍摄的系列图片中构建真实世界的三维模型，并叠加上所拍摄的图片纹理后，最终得到逼真的实景三维模型；水动力学模型一般基于水流能量方程式等专业水动力学理论公式构建，用于计算和模拟河、海、湖水流的运动。目前在水动力学模型尤其是洪水模型构建方面，往往是基于低精度的地形图构建，使得在模型精度和展示效果方面存在不足，无法给人身临其境、真实的洪水模拟感受和体验。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于BIM和三维实景模型的洪水模型构建与动态展示方法，从而达到大幅提高洪水模型构建精度、洪水淹没演进展示高度逼真效果。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述基于BIM和三维实景模型的洪水模型构建与动态展示方法，将三维设计平台、地理信息平台、水动力学建模平台、三维实景建模平台进行跨平台技术融合，应用三维实景模型构建高精度洪水模型，并进行三维动态展示；步骤如下：

步骤1、三维实景模型、DEM（英文Digital Elevation Model的缩写；数字高程模型）、正射影像的生产：

采用三维实景建模平台如ContextCapture，在无人机倾斜摄影所获取的地面航拍照片和测量控制点基础上，生产实景模型、正射影像和DSM（英文Digital Surface Model的缩写，数字表面模型）数据，由于是同一套基本资料通过同一套流程生产的三项成果，故其坐标高程将完全匹配；通过ArcGis等专业地形处理软件将DSM抹除地表构筑物、草丛林带后得到DEM数据，最后将其转换为高程散点备用；

步骤2、洪水分析模型的构建和计算：

利用水动力学建模平台Mike系列软件中的MIKE21 FM模块构建二维洪水模型，按精度要求剖分地形网格，并导入步骤1制作的高程散点进行地形网格插值，设置与网格长度匹配的各项参数（如计算时间步长等）以及边界条件，完成二维洪水模型的构建和计算；

步骤3、洪水计算结果的导出和转换：

将各时刻洪水计算结果导出和转换成三维网格模型；

步骤4、实景模型、BIM设计模型与洪水计算结果的集成：

在Bentley三维协同设计平台MicroStation软件的connect版本中，连接以.3mx格式存储的三维实景模型（ContextCapture生产的三维实景模型标准格式），并参考其他需要展示的工程BIM设计模型和步骤3步制作的各时刻洪水结果三维网格模型，实现实景模型、BIM设计模型与洪水计算结果模型的组装集成；

步骤5、洪水结果的三维动态展示：

将所述集成后的模型整体导入Bentley渲染平台LumenRT中，给各时刻洪水三维网格模型赋予水的材质和透明度后设置其动画效果，即以一定帧率按时间先后顺序显示和隐藏各时刻洪水三维网格模型，最终实现基于三维实景模型的洪水三维动态展示。

步骤3中，将各时刻洪水计算结果导出和转换成三维网格模型的方法为：

步骤3.1、通过洪水建模平台如MIKE自身的工具Mike2Shp将各时刻洪水计算结果转换为ArcGis使用的shp格式，从而得到一系列shp结果图层文件，每个所述shp结果图层文件中包含相同的矢量三角形面要素，每个所述矢量三角形面要素均有水位、水深等各项水力要素属性字段；

步骤3.2、根据前端展示需要进行结果时刻和结果属性的筛选：在结果时刻筛选方面，根据展示流畅度的需要进行筛选，从多个（如10个）结果时刻中选择一个，在结果属性筛选方面，只筛选出水位和水深属性；

步骤3.3、将各时刻结果shp图层文件的矢量三角形面要素，在ArcGis、AutoCAD和MicroStation软件中，通过同一套数据处理流程转换为三维网格模型。

步骤3.3中，将各时刻结果shp图层文件的矢量三角面要素，在ArcGis、AutoCAD和MicroStation软件中转换为三维网格模型的数据处理方法为：

步骤3.3.1、筛选有洪水的要素：在ArcGis中，采用“筛选”工具，从结果shp图层文件中筛选出水深属性值大于0的矢量三角形面要素，即有洪水淹没的矢量三角形面要素；

步骤3.3.2、将面要素转为点要素，在ArcGis中，采用“要素转点”工具，在矢量三角形面要素几何中心位置，将矢量三角形面要素转为点要素，该点要素继承有矢量三角形面要素的水位、水深属性；

步骤3.3.3、将所述点要素转为栅格，在ArcGis中，采用ArcGis中“地形转栅格”工具，以点要素的水位属性字段为高程字段，以同三角形平均面边长接近的分辨率将点要素转换为栅格；

步骤3.3.4、提取水位等值线：在ArcGis中，采用 “等值线”工具，以满足洪水动态展示精度需要的间距如0.1m，从栅格中提取水位等值线，提取后的所述水位等值线具有Contour属性，代表水位值；

步骤3.3.5、添加高程属性字段：在ArcGis中，采用 “添加字段”工具，给所述水位等值线的要素增加一个名为Elevation、类型为浮点型的属性字段，以便在AutoCAD中对线要素高程的识别；

步骤3.3.6、轻量化水位等值线控制点：在ArcGis中，采用 “概化”工具，根据展示精度需要，按一定比例进行水位等值线要素顶点的概化，以使后续生成的模型更加轻量化；

步骤3.3.7、另存为CAD文件：在ArcGis中，采用导出至CAD工具，将轻量化后的等值线shp图层文件另存为CAD文件；

步骤3.3.8、生成三维网格模型：在三维设计平台软件MicroStation中，将所述CAD文件中的水位等高线参考和复制进来，并采用网格建模工具集中的等高线网格工具，将水位等高线生成为三维网格模型。

本发明优点在于将三维设计平台、地理信息平台、水动力学建模平台、三维可视化渲染平台等进行跨平台技术融合，从而实现在无人机倾斜摄影生产的实景模型等数据基础上构建洪水模型，并叠加实景模型进行洪水三维动态展示，使得洪水模型构建的精度大幅提高，洪水淹没演进过程高度逼真，给人一种身临其境、真实的洪水淹没展示体验。

附图说明

图1是本发明方法流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本发明所述基于BIM和三维实景模型的洪水模型构建与动态展示方法，将三维设计平台、地理信息平台、水动力学建模平台、三维实景建模平台进行跨平台技术融合，应用三维实景模型构建高精度洪水模型，并进行三维动态展示；步骤如下：

步骤1、三维实景模型、DEM、正射影像的生产：采用三维实景建模平台如ContextCapture，在无人机倾斜摄影所获取的地面航拍照片和测量控制点基础上，生产实景模型、正射影像和DSM（英文Digital Surface Model的缩写，数字表面模型）数据，由于是同一套基本资料通过同一套流程生产的三项成果，故其坐标高程将完全匹配；通过ArcGis等专业地形处理软件将DSM抹除地表构筑物、草丛林带后得到DEM（英文Digital ElevationModel的缩写，数字高程模型）数据，最后将其转换为高程散点备用。

步骤2、洪水分析模型的构建和计算：利用水动力学建模平台Mike系列软件中的MIKE21 FM模块构建二维洪水模型，按精度要求剖分地形网格并导入步骤1制作的高程散点进行地形网格插值，设置与网格长度匹配的各项参数（如计算时间步长等）以及边界条件，完成二维洪水模型的构建和计算。

步骤3、洪水计算结果的导出和转换：二维洪水计算结果数据由一系列时刻的结果组成，各时刻结果为对应该时刻的洪水计算结果，其中包括所有的用于存储各水力要素结果属性的矢量三角面要素，各时刻结果包含的面要素是完全相同的，水力要素结果属性类型也相同，但值不同。将洪水计算结果导出和转换的方法为：

步骤3.1、首先，通过洪水建模平台如MIKE自身的工具Mike2Shp将各时刻洪水计算结果转换为ArcGis使用的shp格式，从而得到一系列shp结果图层文件，每个shp结果图层文件中包含相同的矢量三角形面要素，每个矢量三角形面要素均有水位、水深等各项水力要素属性字段。

步骤3.2、接着，根据前端展示需要进行结果时刻和结果属性的筛选：在结果时刻筛选方面，根据展示流畅度的需要进行筛选，例如从10个结果时刻中选择一个；在结果属性筛选方面，只筛选出水位和水深属性。

步骤3.3、最后，将各时刻结果shp图层文件的矢量三角形面要素，在ArcGis、AutoCAD和MicroStation软件中，通过同一套数据处理流程转换为三维网格模型，具体步骤为：

步骤3.3.2、将矢量三角形面要素转为点要素：在ArcGis中，采用“要素转点”工具，在矢量三角形面要素几何中心位置，将矢量三角形面要素转为点要素，该点要素继承有矢量三角形面要素的水位、水深属性；

步骤3.3.3、将点要素转为栅格：在ArcGis中，采用ArcGis中“地形转栅格”工具，以点要素的水位属性字段为高程字段，以同三角形平均面边长接近的分辨率将点要素转换为栅格；

步骤3.3.4、提取水位等值线：在ArcGis中，采用 “等值线”工具，以满足洪水动态展示精度需要的间距例如0.1m，从栅格中提取水位等值线，提取后的等值线将具有Contour属性，代表水位值；

步骤3.3.5、添加高程属性字段：在ArcGis中，采用 “添加字段”工具，给水位等值线要素增加一个名为Elevation、类型为浮点型的属性字段，以便在AutoCAD中线要素高程的识别；

步骤3.3.8、生成三维网格模型：在三维设计平台软件MicroStation中，将CAD文件中的水位等高线参考和复制进来，并采用网格建模工具集中的等高线网格工具，将水位等高线生成为三维网格模型。

步骤4、实景模型、BIM设计模型与洪水计算结果的集成：在Bentley三维协同设计平台MicroStation软件的connect版本中，连接以.3mx格式存储的三维实景模型（ContextCapture生产的三维实景模型标准格式），并参考其他需要展示的工程BIM设计模型和步骤3制作的各时刻洪水三维网格模型，实现实景模型、BIM设计模型与洪水计算结果模型的组装集成。

步骤5、洪水结果的三维动态展示：将集成后的模型整体导入Bentley渲染平台LumenRT中，给各时刻洪水三维网格模型赋予水的材质和透明度后设置其动画效果，即以一定帧率按时间先后顺序显示和隐藏各时刻洪水三维网格模型，最终实现基于三维实景模型的洪水三维动态展示。

Claims

1.一种基于BIM和三维实景模型的洪水模型构建与动态展示方法，其特征在于：将三维设计平台、地理信息平台、水动力学建模平台、三维实景建模平台进行跨平台技术融合，应用三维实景模型构建高精度洪水模型，并进行三维动态展示；步骤如下：

步骤1、三维实景模型、DEM、正射影像的生产：

采用三维实景建模平台，在无人机倾斜摄影所获取的地面航拍照片和测量控制点基础上，生产实景模型、正射影像和DSM数据；通过专业地形处理软件将DSM抹除地表构筑物、草丛林带后得到DEM数据，最后将其转换为高程散点备用；

步骤2、洪水分析模型的构建和计算：

利用水动力学建模平台Mike系列软件中的MIKE21 FM模块构建二维洪水模型，按精度要求剖分地形网格，并导入步骤1制作的所述高程散点进行地形网格插值，设置与所述网格长度匹配的各项参数以及边界条件，完成二维洪水模型的构建和计算；

步骤3、洪水计算结果的导出和转换：

将各时刻洪水计算结果导出和转换成三维网格模型；

步骤4、实景模型、BIM设计模型与洪水计算结果的集成：

在Bentley三维协同设计平台MicroStation软件的connect版本中，连接以.3mx格式存储的三维实景模型，并参考其他需要展示的工程BIM设计模型和步骤3步制作的各时刻洪水结果三维网格模型，实现实景模型、BIM设计模型与洪水计算结果模型的组装集成；

步骤5、洪水结果的三维动态展示：

2.根据权利要求1所述基于BIM和三维实景模型的洪水模型构建与动态展示方法，其特征在于：步骤3中，将各时刻洪水计算结果导出和转换成三维网格模型的方法为：

步骤3.1、通过洪水建模平台MIKE自身的工具Mike2Shp将各时刻洪水计算结果转换为ArcGis使用的shp格式，从而得到一系列shp结果图层文件，每个所述shp结果图层文件中包含相同的矢量三角形面要素，每个所述矢量三角形面要素均有水位、水深等各项水力要素属性字段；

步骤3.2、根据前端展示需要进行结果时刻和结果属性的筛选：在结果时刻筛选方面，根据展示流畅度的需要进行筛选，从多个结果时刻中选择一个，在结果属性筛选方面，只筛选出水位和水深属性；

3.根据权利要求2所述基于BIM和三维实景模型的洪水模型构建与动态展示方法，其特征在于：步骤3.3中，将各时刻结果shp图层文件的矢量三角面要素，在ArcGis、AutoCAD和MicroStation软件中转换为三维网格模型的数据处理方法为：

步骤3.3.4、提取水位等值线：在ArcGis中，采用“等值线”工具，以满足洪水动态展示精度需要的间距，从栅格中提取水位等值线，提取后的所述水位等值线具有Contour属性，代表水位值；

步骤3.3.5、添加高程属性字段：在ArcGis中，采用“添加字段”工具，给所述水位等值线的要素增加一个名为Elevation、类型为浮点型的属性字段，以便在AutoCAD中对线要素高程的识别；

步骤3.3.6、轻量化水位等值线控制点：在ArcGis中，采用“概化”工具，根据展示精度需要，按一定比例进行水位等值线要素顶点的概化，以使后续生成的模型更加轻量化；

步骤3.3.8、生成三维网格模型：在三维设计平台软件MicroStation中，将所述CAD文件中的水位等高线参考和复制进来，并采用网格建模工具集中的等高线网格工具，将所述水位等高线生成为三维网格模型。