CN108108575A - 基于bim跨平台技术的高精度工程三维地形制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM跨平台技术的高精度工程三维地形制作方法，基于BIM、GIS和游戏地形雕刻技术，通过跨平台技术融合，利用低精度地形图生成高精度逼真工程三维地形，步骤如下：1、等高线、高程点和特征线提取；2、低精度DEM生产；3、地形雕刻与地形纹理制作；4、高精度三维地形网格模型制作；5、地形模型与纹理合成。本发明通过将低精度、小比例尺的地形图，在严格保证地形高程基本不变的前提下，生成高精度逼真的工程三维地形，从而满足工程前期三维设计需要，大幅提高工程前期设计质量和展示效果，促进了BIM在工程领域的应用和发展。

Description

基于BIM跨平台技术的高精度工程三维地形制作方法

技术领域

本发明涉及BIM（建筑信息模型；英文Building Information Modeling的缩写）技术、GIS（地理信息***；英文Geographic Information System的缩写）技术和游戏相关的地形雕刻技术在工程设计上的应用，尤其是涉及基于BIM跨平台技术的高精度工程三维地形制作方法。

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。当前，基于BIM进行工程三维协同设计已成为主流，并逐步取代传统二维设计。进行工程三维设计首先需要获取高精度工程三维地形，然而由于进行高精度工程地形测量投资大、耗时多，在工程前期设计阶段往往无法做到，因而只能基于1:1万、1:5万、1:20万等小比例尺的低精度地形图进行设计，由此导致工程三维地形精度低、失真严重、工程展示效果差，严重影响工程前期设计质量。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于BIM跨平台技术的高精度工程三维地形制作方法，实现工程三维地形在保证高程准确的前提下，大幅提高精度和逼真度，满足工程前期设计要求。

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跨平台技术的高精度工程三维地形制作方法，基于BIM、GIS和游戏地形雕刻技术，通过跨平台技术融合，利用低精度地形图生成高精度逼真工程三维地形，步骤如下：

步骤1、等高线、高程点和特征线提取：

首先，从所述低精度地形图中提取等高线、高程点数据，并删除其中不含高程信息、高程错误和异常的要素；其次，根据工程周边环境展示需要提取相应的地物特征线，如公路、河沟、池塘等；对于公路、河沟等线状地物提取其中心线，对于池塘等面状地物提取其轮廓线；

步骤2、低精度DEM（数字高程模型；英文Digital Elevation Model的缩写）生产：

在地理信息平台ArcGis中，以步骤1提取的带高程信息的所述等高线、高程点数据，通过空间数据处理方法生产低精度DEM；

步骤3、地形雕刻与地形纹理制作：

在地形雕刻软件World Machine中，导入步骤2生产的所述低精度DEM和步骤1提取的所述地物特征线，通过数据处理方法，联合运用所述地形雕刻软件World Machine提供的各种设备节点（每一个设备节点代表一种数据处理方法），对地形作进一步雕刻、修饰与纹理制作，并生产地形纹理图；

步骤4、高精度三维地形网格模型制作：

在所述地理信息平台ArcGis和三维设计平台MicroStation中，通过空间数据处理方法制作工程三维地形网格模型；

步骤5、地形模型与纹理合成：

在所述三维设计平台MicroStation中，将步骤3制作的所述地形纹理图和步骤4制作的三维地形网格模型，按照1:1的比例尺进行匹配合成，使地形纹理图成为三维地形网格模型的覆盖材质，最终制作成带纹理的高精度逼真工程三维地形。

实现步骤2以等高线、高程点生产低精度DEM的空间数据处理方法为：

步骤2.1、等高线高程点数据格式转换：将步骤1提取的带高程信息的等高线、高程点数据导入所述地理信息平台ArcGis中，并采用与所述低精度地形图相同的坐标系，将CAD数据格式转化为ArcGis自身的shp图层格式；

步骤2.2、地形要素转为DEM：采用所述ArcGis中的“自然领域法”工具或“地形转栅格”工具，以等高线、高程点为基础，采用与高程点平均间距接近的像素精度（整数间距），将所述高程点、等高线生产成低精度的DEM数据（以TIFF栅格数据格式存储）。

实现步骤3以低精度DEM和所述地物特征线为基础，对地形进行雕刻、修饰与纹理制作的数据处理方法为：

步骤3.1、DEM和地物特征线格式转换：在Adobe Photoshop中将从ArcGis导出32位浮点型灰度图（一种DEM存储格式）转换为16位整型灰度图格式，在AutoCAD中将所述地物特征线以dxf格式导出；

步骤3.2、基础地形制作：在所述World Machine中，采用“文件输入”设备节点，以所述16位整型灰度图为基础，设置正确的高、宽范围与高程范围后，制作成基础地形；

步骤3.3、特征地物制作：在World Machine中，采用“布局生成器”设备节点，将dxf格式的地物特征线导入，并根据地物高程和断面形态对所述基础地形进行挖填雕刻，其中天然河沟、池塘这种不规则天然地物使用碎片分离（World Machine的一种地形随机化变换技术），使其更自然；

步骤3.4、地形雕刻修饰：在World Machine中，对非工程布置区，根据需要采用“侵蚀”、“雪融”等自然侵蚀设备，将地形进一步雕刻出逼真的自然侵蚀痕迹；

步骤3.5、地形纹理图制作：在World Machine中，通过“高程选择”、“坡度选择”和“布局生成器”设备的综合应用，选取不同部位、不同高程、不同坡度值的区域，分别设置不同的颜色和材质纹理，制作成与地形相匹配的所述地形纹理图；

步骤3.6、高精度DEM和地形纹理导出：在World Machine中，根据精度需要设置成果分辨率后，分别使用“高度图输出”和“位图输出”设备，导出经过雕刻修改后的地形高精度DEM（以16位TIFF格式存储）和地形纹理图（以PNG格式存储）。

实现步骤4在地理信息平台ArcGis和三维设计平台MicroStation中，制作工程三维地形网格模型的空间数据处理方法为：

步骤4.1、DEM位置和范围配准：将步骤3.6制作的所述地形高精度DEM导入ArcGis后，采用ArcGis的“地理配准”工具，按照地形原坐标，对地形高精度DEM进行地理位置和范围的配准；

步骤4.2、DEM格式转换：采用ArcGis中的“栅格转浮点型”工具，将所述地形高精度DEM进一步转换为32位浮点型栅格数据格式；

步骤4.3、DEM高程配准：采用ArcGis中的“乘”或“除”工具对所述转换为32位浮点型栅格的DEM栅格像素值进行整体扩大或缩小，扩大或缩小倍数为地形实际高程值与所述DEM栅格像素值的倍数（取最大、最小值对比均可），使所述像素值成为准确的高程值；

步骤4.4、DEM栅格转TIN：采用ArcGis中的“栅格转Tin”工具，以所述地形高精度DEM为基础，按一定精度将所述DEM栅格转为Tin（不规则三角网）格式；

步骤4.5、Tin转三角面：采用ArcGis中的“TIN三角形”工具，将所述Tin格式转换成三角形网格矢量面要素；

步骤4.6、三角面的导出导入：在ArcGis中将带有高程信息的所述三角形网格矢量面要素以CAD格式导出后，然后导入三维设计平台MicroStation中，成为离散的三维三角面；

步骤4.7、三角面合并成三维地形网格模型：在三维设计平台MicroStation中，采用网格合并工具，将所述离散的三维三角面合并成一个整体三维地形网格模型。

本发明通过将低精度、小比例尺的地形图，在严格保证地形高程基本不变的前提下，生成高精度逼真的工程三维地形，从而满足工程前期三维设计需要，大幅提高工程前期设计质量和展示效果，促进了BIM在工程领域的应用和发展。

附图说明

图1是本发明的总流程框图和各技术节点子流程框图。

图2是本发明所述的长、宽均为6.3km的山区1:1万低精度CAD地形图。

图3是按照本发明方法提取的所述特征线视图。

图4是按照本发明方法制作的三维地形网格模型视图。

图5是按照本发明方法制作的带纹理高精度逼真工程三维地形图。

图6是现有技术直接以等高线生成的三维地形模型图。

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。

本发明所述基于BIM跨平台技术的高精度工程三维地形制作方法，现以长、宽均为6.3km的山区1:1万低精度CAD地形图为具体实施例，作详细描述：

如图2所示，该低精度CAD地形图需要重点表征的地物包含两条公路1.1、1.2 ，一条河沟2，一条渠道3和一个池塘4。这些地物只作为工程周边环境展示，非新建工程相关地物，在低精度CAD地形图上均通过简单的点、线、面表示，无法直接生成三维地形；本发明利用该低精度CAD地形图，在保证地形高程尤其是工程布置区（即不涉及工程开挖回填、工程建筑布置的区域）地形高程基本不变的前提下，生成高精度逼真工程三维地形，步骤如图1所示。

步骤1、等高线、高程点和特征线提取：

如图3所示，为进行后续低精度DEM生产和地形雕刻修改，首先，从所述1:1万低精度CAD地形图中提取等高线、高程点数据，并删除其中不含高程信息、高程错误和异常的要素；接着，根据工程周边环境展示需要提取相应的地物特征线，如本实施例中的两条公路1.1、1.2、一条河沟2、一个渠道3和一个池塘4的特征线，公路、河沟、渠道为线状地物，提取其中心线；池塘为面状地物，提取其轮廓线。

步骤2、低精度DEM生产：

步骤2.1、等高线高程点数据格式转换：将步骤1提取的带高程信息的等高线、高程点数据导入所述地理信息平台ArcGis中，并采用与所述低精度地形图相同的坐标系，将CAD数据格式转化为ArcGis自身的shp图层格式；

步骤2.2、地形要素转为DEM：采用所述ArcGis中的“自然领域法”工具或“地形转栅格”工具，以等高线、高程点为基础，采用与高程点平均间距接近的像素精度（整数间距），将所述高程点、等高线生产成低精度的DEM数据（以TIFF栅格数据格式存储）。

步骤3、地形雕刻与地形纹理制作：

将步骤2生产的低精度DEM数据和步骤1提取的地物特征线数据导入地形雕刻软件World Machine中，联合运用其提供的各种设备节点（每一个设备节点代表一种数据处理方法），进行地形的进一步雕刻与材质制作，步骤为：

步骤3.1、转换DEM格式和地物特征线格式：从ArcGis中导出的DEM为32位浮点型灰度图，需通过Adobe Photoshop转换为16位灰度图，而World Machine支持的CAD图形格式为dxf格式，需在AutoCAD中将地物特征线以dxf格式导出；

步骤3.2、在World Machine中，采用“文件输入”设备节点，以上述DEM灰度图为基础，设置正确的高、宽范围与高程范围后，制作成基础地形；

步骤3.3、在World Machine中，采用“布局生成器”设备节点，将dxf格式的公路、河沟、渠道、池塘特征线导入，并根据公路、河沟、池塘的高程和断面形态对基础地形进行挖填雕刻，制作公路、河沟、渠道、池塘地物，其中天然河沟、池塘可使用碎片分离（World Machine的一种地形随机化变换技术），使其变化更自然；

步骤3.4、在World Machine中，对非工程布置区，根据需要采用“侵蚀”、“雪融”等自然侵蚀设备，将地形进一步雕刻出逼真的自然侵蚀痕迹；

步骤3.5、在World Machine中，通过“高程选择”、“坡度选择”和“布局生成器”设备的综合应用，选取不同部位、不同高程、不同坡度值的区域，如公路路面区域、坡面区域、河沟区域、池塘底部区域、池塘边坡区域等，分别设置不同的颜色和材质纹理，制作成与地形相匹配的地形纹理图；

步骤3.6、在World Machine中，根据精度需要设置成果分辨率后，如本实施例中采用4096×4096分辨率，分别使用“高度图输出”和“位图输出”设备，导出经过雕刻修改后的地形高精度DEM（以16位TIFF格式存储）和地形纹理图（以PNG格式存储）。

步骤4、高精度三维地形网格模型制作：

在地理信息平台ArcGis和三维设计平台MicroStation中，通过空间数据处理方法制作工程三维地形网格模型，具体步骤如下：

步骤4.1、DEM位置和范围配准：由于步骤3.6制作的地形高精度DEM不带地理信息，导入ArcGis中后，需采用ArcGis的“地理配准”工具，按照地形原坐标进行地理位置和范围的配准；

步骤4.2、DEM格式转换：步骤3.6导出的地形高精度DEM文件格式为16位整型栅格数据格式，不符合工程地形数据格式要求，故采用ArcGis中的“栅格转浮点型”工具，转换为32位浮点型栅格数据格式；

步骤4.3、DEM高程配准：步骤3.6导出的地形高精度DEM栅格像素值并不是实际高程，需根据实际高程值重新计算，即采用ArcGis中的“乘”或“除”工具对栅格像素值进行整体扩大或缩小，扩大或缩小倍数为地形实际高程值与DEM栅格像素值的倍数（取最大、最小值对比均可），使像素值成为准确的高程值；

步骤4.4、DEM栅格转TIN：采用ArcGis中的“栅格转Tin”工具，以步骤4.3高程配准后的DEM为基础，按一定精度将DEM栅格转为地形Tin（不规则三角网）格式；

步骤4.5、Tin转三角面：采用ArcGis中的“TIN三角形”工具，将地形Tin转换成三角形网格矢量面要素，此时这些三角形网格矢量面要素均带有高程信息，为三维三角面要素；

步骤4.6、三角面要素的导出导入：在ArcGis中将前述带有高程信息的三维三角面要素以CAD格式导出，然后导入三维设计平台MicroStation中，成为离散的三维三角面；

步骤4.7、离散的三维三角面合并成三维地形网格模型：在三维设计平台MicroStation中，采用网格合并工具，将离散的三维三角面合并成一个如图4所示整体的三维地形网格模型，由如图4可以看出，视图精度高、自然真实，生成的视图两条公路1.1、1.2、一条河沟2、一个渠道3和一个池塘4等地物清晰可见。

步骤5、地形模型与纹理合成：

在三维设计平台MicroStation中，将步骤3.6制作的地形纹理图和步骤4.7制作的三维地形网格模型，按照1:1的比例尺进行匹配合成，使地理纹理图成为三维地形模型的覆盖材质，最终制作成如图5所示带纹理的高精度逼真工程三维地形，拥有与地形完全匹配的纹理，展示效果好。

图6为现有技术直接以等高线生成的三维地形模型，由图6可以看出，视图精度低、失真，且没有公路、河道等地物显示。

Claims (4)

1.一种基于BIM跨平台技术的高精度工程三维地形制作方法，其特征在于：基于BIM、GIS和游戏地形雕刻技术，通过跨平台技术融合，利用低精度地形图生成高精度逼真工程三维地形，步骤如下：

步骤1、等高线、高程点和特征线提取：

首先，从所述低精度地形图中提取等高线、高程点数据，并删除其中不含高程信息、高程错误和异常的要素；其次，根据工程周边环境展示需要提取相应的地物特征线，对于线状地物提取其中心线，对于面状地物提取其轮廓线；

步骤2、低精度DEM生产：

在地理信息平台ArcGis中，以步骤1提取的带高程信息的所述等高线、高程点数据，通过空间数据处理方法生产低精度DEM；

步骤3、地形雕刻与地形纹理制作：

在地形雕刻软件World Machine中，导入步骤2生产的所述低精度DEM和步骤1提取的所述地物特征线，通过数据处理方法，联合运用所述地形雕刻软件World Machine提供的各种设备节点，对地形作进一步雕刻、修饰与纹理制作，并生产地形纹理图；

步骤4、高精度三维地形网格模型制作：

在所述地理信息平台ArcGis和三维设计平台MicroStation中，通过空间数据处理方法制作工程三维地形网格模型；

步骤5、地形模型与纹理合成：

在所述三维设计平台MicroStation中，将步骤3制作的所述地形纹理图和步骤4制作的三维地形网格模型，按照1:1的比例尺进行匹配合成，使地形纹理图成为三维地形网格模型的覆盖材质，最终制作成带纹理的高精度逼真工程三维地形。

2.根据权利要求1所述基于BIM跨平台技术的高精度工程三维地形制作方法，其特征在于：实现步骤2以等高线、高程点生产低精度DEM的空间数据处理方法为：

步骤2.1、等高线高程点数据格式转换：将步骤1提取的带高程信息的等高线、高程点数据导入所述地理信息平台ArcGis中，并采用与所述低精度地形图相同的坐标系，将CAD数据格式转化为ArcGis自身的shp图层格式；

步骤2.2、地形要素转为DEM：采用所述ArcGis中的“自然领域法”工具或“地形转栅格”工具，以等高线、高程点为基础，采用与高程点平均间距接近的像素精度，将所述高程点、等高线生产成低精度的DEM数据存储。

3.根据权利要求1所述基于BIM跨平台技术的高精度工程三维地形制作方法，其特征在于：实现步骤3以低精度DEM和所述地物特征线为基础，对地形进行雕刻、修饰与纹理制作的数据处理方法为：

步骤3.1、DEM和地物特征线格式转换：在Adobe Photoshop中将从ArcGis导出32位浮点型灰度图转换为16位整型灰度图格式，在AutoCAD中将所述地物特征线以dxf格式导出；

步骤3.2、基础地形制作：在所述World Machine中，采用“文件输入”设备节点，以所述16位整型灰度图为基础，设置高、宽范围与高程范围后，制作成基础地形；

步骤3.3、特征地物制作：在World Machine中，采用“布局生成器”设备节点，将dxf格式的地物特征线导入，并根据地物高程和断面形态对所述基础地形进行挖填雕刻，其中不规则天然地物使用碎片分离工具，使其更自然；

步骤3.4、地形雕刻修饰：在World Machine中，对非工程布置区，采用“侵蚀”、“雪融”等自然侵蚀设备，将地形进一步雕刻出逼真的自然侵蚀痕迹；

步骤3.5、地形纹理图制作：在World Machine中，通过“高程选择”、“坡度选择”和“布局生成器”设备的综合应用，选取不同部位、不同高程、不同坡度值的区域，分别设置不同的颜色和材质纹理，制作成与地形相匹配的所述地形纹理图；

步骤3.6、高精度DEM和地形纹理导出：在World Machine中，根据精度需要设置成果分辨率后，分别使用“高度图输出”和“位图输出”设备，导出经过雕刻修改后的地形高精度DEM和地形纹理图。

4.根据权利要求1所述基于BIM跨平台技术的高精度工程三维地形制作方法，其特征在于：实现步骤4在地理信息平台ArcGis和三维设计平台MicroStation中，制作工程三维地形网格模型的空间数据处理方法为：

步骤4.1、DEM位置和范围配准：将步骤3.6制作的所述地形高精度DEM导入ArcGis后，采用ArcGis的“地理配准”工具，按照地形原坐标，对地形高精度DEM进行地理位置和范围的配准；

步骤4.2、DEM格式转换：采用ArcGis中的“栅格转浮点型”工具，将所述地形高精度DEM进一步转换为32位浮点型栅格数据格式；

步骤4.3、DEM高程配准：采用ArcGis中的“乘”或“除”工具对所述转换为32位浮点型栅格的DEM栅格像素值进行整体扩大或缩小，扩大或缩小倍数为地形实际高程值与所述DEM栅格像素值的倍数，使所述像素值成为准确的高程值；

步骤4.4、DEM栅格转TIN：采用ArcGis中的“栅格转Tin”工具，以所述地形高精度DEM为基础，按一定精度将所述DEM栅格转为Tin格式；

步骤4.5、Tin转三角面：采用ArcGis中的“TIN三角形”工具，将所述Tin格式转换成三角形网格矢量面要素；

步骤4.6、三角面的导出导入：在ArcGis中将带有高程信息的所述三角形网格矢量面要素以CAD格式导出后，然后导入三维设计平台MicroStation中，成为离散的三维三角面；

步骤4.7、三角面合并成三维地形网格模型：在三维设计平台MicroStation中，采用网格合并工具，将所述离散的三维三角面合并成一个整体三维地形网格模型。