CN112860839A - 一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法及装置，主要解决现有技术中存在的现有系统直观性和视觉性差，材质添加及维护增加人工成本且难以维护，需要人工定位增加人工成本的问题。该一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法及装置是在Unity3D引擎中，将数据库技术和GIS所提供的空间地理信息有效结合，通过shader实现图形渲染，将数据转换为可视的图形信息，实时、直观地看出水环境质量在各条河流的空间分布。

Description

一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法及装置

技术领域

本发明涉及水环境监测领域，具体地说，是涉及一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法及装置。

背景技术

水环境监测是为水环境管理提供可靠的基础数据，并为治理措施的效果评价提供科学依据；为了使监测数据能准确反映水环境的质量现况，预测水环境污染发展趋势，要求水环境监测数据应具有代表性、准确性、精密性、平行性、重复性、完整性及可比性。

现有系统的水环境质量监测存在的问题有：（1）水质分析的结果仅仅是一系列的数据，直观性和视觉效果差；（2）湖泊河流仿真更多的采用GIS软件实现的二维仿真，不能满足地表水三维仿真模拟的要求；（3）不同河流需要手工创建对应的材质，河流较多时费时费力，增加人工成本，且新增河流时需要新增材质；材质过多难以管理维护，易出现自动上传和材质改变的情况；（4）判断河流位置，增加河流或河流位置移位均需人工输入位置，使得人工成本增加，维护难度更大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法及装置，以解决现有系统直观性和视觉性差，材质添加及维护增加人工成本且难以维护，需要人工定位增加人工成本的问题。

为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法包括以下步骤：

S1、在Unity3D引擎中编写shader，然后准备数据；

S2、对步骤S1中的数据进行处理，筛选出其中的河流数据；

S3、从步骤S2中河流数据提取初始河流信息形成河流信息List，然后根据河流信息List的点位前后顺序进行排序；

S4、对步骤S3中排序后的数据进行分组备用，然后传入步骤S1中的shader中，使用材质属性块改变材质属性，更新颜色并插值，完成对河流数据的渲染。

本发明通过上述方案在Unity3D引擎中，将数据库技术和GIS所提供的空间地理信息有效结合，通过shader实现图形渲染，将数据转换为可视的图形信息，实时、直观地看出水环境质量在各条河流的空间分布。

进一步的，步骤S1中编写shader过程包括使用顶点着色器将顶点模型坐标转换为世界坐标，使用表面着色器处理颜色分段和插值。

进一步的，步骤S1中准备数据包括的数据有：准备河流名称，准备GIS经纬度数据，准备水环境质量指标，准备3D场景，准备河流在三维场景中的范围及走向数据；GIS经纬度数据一般Google，百度，高德等用户其它系统。

进一步的，准备河流在三维场景中的范围及走向数据的具体过程为：使用renderer.bounds获取各条河流在三维场景的范围，分别记录左下右上的两个点位的世界坐标作为该河流的起点和终点；记录河流的走向，其包括从左到右，从下到上，从上到下；每条河流都存在meshRenderer，为每条河流添加boxCollider，通过renderer.bounds也可以使用collider.bounds，避免了判断河流位置，增加河流或河流位置移位均需人工输入位置，带来人工成本增加，维护难度更大的情况。

进一步的，步骤S2的具体过程为：

S201、遍历步骤S1的准备数据，按河流名筛选出对应的河流数据；

S202、通过步骤S201的河流数据读取初始河流信息，其包括起点、终点、方向、初始颜色；

S203、将步骤S202的河流的起点和终点与该河流每个监测点数据融合，返回各条河流信息，其包含起点位置信息、各监测点位置信息、终点位置信息、水质信息、河流方向信息。

进一步的，步骤S3的具体过程为：

S301、将步骤S203中各条河流信息放入List中，然后根据方向进行排序，明确点位前后顺序；

S302、步骤S301中方向为从左到右，则按照X轴从小到大排序；

S303、步骤S301中方向为从上到下，则按照Z轴从大到小排序；

S304、步骤S301中方向为从下到上的方向，则按照Z轴从小到大排序。

进一步的，步骤S4的具体过程为：

S401、遍历步骤S301的List，进行相邻点位处理，分别将对应数据存入mainColor和secondColor数组、分段起点和终点数组备用；本发明采用MaterialPropertyBlock修改材质属性，MaterialPropertyBlock修改单体材质球属性时不生成新的材质球实例，解决了多个材质球的管理和增加难度的问题。

S402、将上述数组通过C#传参传入shader内部，使用材质属性块改变材质属性，更新颜色并插值。

一种基于Unity3D的水环境质量实时监测装置包括存储器：用于存储可执行指令；处理器：用于执行所述存储器中存储的可执行指令，实现一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过在Unity3D引擎中，将数据库技术和GIS所提供的空间地理信息有效结合，通过shader实现图形渲染，将数据转换为可视的图形信息，实时、直观地看出水环境质量在各条河流的空间分布；提高了视觉效果，直观地展示水质情，支持颜色插值，动态更新。

（2）本发明通过renderer.bounds获取各条河流的区域范围，使用材质属性块（MaterialPropertyBlock）改变相同材质属性；根据GIS点位与水质等级实现分段，上下游插值渲染，模拟河流污染的扩散。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合图1对本发明作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本发明的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

对本发明实施例进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。

Unity3D一般指Unity，Unity是实时3D互动内容创作和运营平台；游戏开发、美术、建筑、汽车设计、影视在内的所有创作者，均可借助Unity将创意变成现实；Unity平台提供一整套完善的软件解决方案，可用于创作、运营和变现任何实时互动的2D和3D内容，支持平台包括手机、平板电脑、PC、游戏主机、增强现实和虚拟现实设备。

shader为着色器是用来实现图像渲染的，用来替代固定渲染管线的可编辑程序；shader是运行在GUP上的一组指令，而GPU全称为Graphic Processing Unit图形处理单元；着色器替代了传统的固定渲染管线，可以实现3D图形学计算中的相关计算，由于其可编辑性，可以实现各种各样的图像效果而不用受显卡的固定渲染管线限制。

List是一个计算机专业术语，是基本的数据结构，在编程语言中List 是类库中的一个类，以线性列的方式管理物件集合。

renderer.bounds：unity提供的程序接口，获取渲染器的边界框，使用bounds可以方便地描述对象位置及其范围的近似形状。

mainColor和secondColor：这个只是程序中的命名，没有什么特殊含义，分辨是哪种颜色，也就是我们所认为的第一种颜色，第二种颜色。

实施例1

如图1所示，一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法是在Unity3D引擎中，将数据库技术和GIS所提供的空间地理信息有效结合，通过shader实现图形渲染，将数据转换为可视的图形信息，实时、直观地看出水环境质量在各条河流的空间分布；其具体实现过程如下：

一、shader编写阶段

编写shader，主要使用顶点着色器和表面着色器，顶点着色器中将顶点模型坐标转换为世界坐标，表面着色器中处理颜色分段和插值。

二、数据准备阶段

1，数据包含两部分：准备河流名称，GIS经纬度数据、水环境质量指标，这些数据由数据接口提供，数据来源一般是用户其它系统。

2，GIS经纬度数据，需要明确用户提供的数据集是用的什么坐标系，常用的有Google，百度，高德等。

3，需要准备3D场景，在模型上添加对应坐标系的参考坐标点，作为从GIS坐标转换为Unity坐标的依据。

4，使用renderer.bounds的方法获取各条河流在三维场景的范围，分别记录左下右上的两个点位的世界坐标作为该河流的起点和终点。

5，记录河流的走向，从左到右，从下到上，从上到下，用于判断河流的上下游。

三、数据处理

1、遍历步骤数据准备阶段的准备数据，按河流名筛选出该河流数据；河流数据为包含：河流名称、监测点GIS经纬度数据、监测点水环境质量指标等。

2、读取初始河流信息，如起点、终点、方向、初始颜色，将河流起点和终点与该河流每个监测点数据融合，返回各条河流信息，其包含各点位信息，包含位置、颜色、方向；数据融合是因为数据中的监测点并没有在河流的开始和终点，监测点往往都是在河段内，为避免漏掉某条河流的两端区域，所以将起点和终点加上；初始河流信息是从河流数据中提取出来，并且人为加上方向、起始点和终点数据，转换为程序需要并可用的信息数据。

3、将步骤2中上述各河流信息放入List中，然后根据方向进行排序，明确点位前后顺序，如果是从左到右，则按照X轴从小到大排序；如果是从上到下，则按照Z轴从大到小排序；如果从下到上的方向，则按照Z轴从小到大排序。

四、渲染阶段

1、遍历步骤3中的List，进行相邻点位处理，分别将对应数据存入mainColor和secondColor数组、分段起点和终点数组备用；相邻点位处理是起点、各监测点、终点，各相邻点的处理，例如：起点和其相邻点的处理，起点没有水质信息，那么起点的颜色就由相邻点的颜色决定，这一小段颜色是一个纯色；再比如，中间的监测点，两点的水质相同，那么这一小段依然是相同颜色，如果两点水质不同，那么这一小段就是两个颜色的渐变；

将上述数组通过C#传参传入shader内部，使用材质属性块改变材质属性，更新颜色并插值；此处的更新颜色并插值为Unity3D内很成熟的现有技术，其涉及的插值过程为假设有a和b两种颜色，t作为插值控制的变量，当t在0-1之间，当t=0时，返回颜色a，当t=1时，返回颜色b；不考虑t大于1的情况，理论上就没有大于那种的值，实际操作中以防万一可以加个判断 t <0的时候，返回a，>1的时候返回b；插值后两个颜色过度更加自然。

实施例2

一种基于Unity3D的水环境质量实时监测装置包括存储器：用于存储可执行指令；处理器：用于执行所述存储器中存储的可执行指令，实现一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法。

现有技术中一条河流就创建一个相应的材质，改为只使用一个材质；河流的范围坐标位置是人工摆放得出的，改为通过算法获取范围；本发明使用unity引擎，运用计算机图形学的原理和方法，编写shader脚本，将区域内各条河流水质等级数据转换为可视的三维仿真图形信息，显示于显示器，实现分段插值渲染克服了前述问题。

本发明从实际项目出发，很大的提高了视觉效果，直观地展示水质情，支持颜色插值，动态更新；三维场景和图表分析的有机结合，使得数据的管理更为高效和方便。

本发明除了用于河流，还可以扩展到地下水、湖泊、近海监测点及企业污染源等方面的渲染。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在Unity3D引擎中编写shader，然后准备数据；

S2、对步骤S1中的数据进行处理，筛选出其中的河流数据；

S3、从步骤S2中河流数据提取初始河流信息形成河流信息List，然后根据河流信息List的点位前后顺序进行排序；

S4、对步骤S3中排序后的数据进行分组备用，然后传入步骤S1中的shader中，使用材质属性块改变材质属性，更新颜色并插值，完成对河流数据的渲染。

2.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法，其特征在于，步骤S1中编写shader过程包括使用顶点着色器将顶点模型坐标转换为世界坐标，使用表面着色器处理颜色分段和插值。

3.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法，其特征在于，步骤S1中准备数据包括的数据有：准备河流名称，准备GIS经纬度数据，准备水环境质量指标，准备3D场景，准备河流在三维场景中的范围及走向数据。

4.根据权利要求3所述的一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法，其特征在于，准备河流在三维场景中的范围及走向数据的具体过程为：使用renderer.bounds获取各条河流在三维场景的范围，分别记录左下右上的两个点位的世界坐标作为该河流的起点和终点；记录河流的走向，其包括从左到右，从下到上，从上到下。

5.根据权利要求4所述的一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法，其特征在于，步骤S2的具体过程为：

S201、遍历步骤S1的准备数据，按河流名筛选出对应的河流数据；

S202、通过步骤S201的河流数据读取初始河流信息，其包括起点、终点、方向、初始颜色；

S203、将步骤S202的河流的起点和终点与该河流每个监测点数据融合，返回各条河流信息，其包含起点位置信息、各监测点位置信息、终点位置信息、水质信息、河流方向信息。

6.根据权利要求5所述的一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法，其特征在于，步骤S3的具体过程为：

S301、将步骤S203中各条河流信息放入List中，然后根据方向进行排序，明确点位前后顺序；

S302、步骤S301中方向为从左到右，则按照X轴从小到大排序；

S303、步骤S301中方向为从上到下，则按照Z轴从大到小排序；

S304、步骤S301中方向为从下到上的方向，则按照Z轴从小到大排序。

7.根据权利要求6所述的一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法，其特征在于，步骤S4的具体过程为：

S401、遍历步骤S301的List，进行相邻点位处理，分别将对应数据存入mainColor和secondColor数组、分段起点和终点数组备用；

S402、将上述数组通过C#传参传入shader内部，使用材质属性块改变材质属性，更新颜色并插值。

8.一种基于Unity3D的水环境质量实时监测装置，其特征在于，包括

存储器：用于存储可执行指令；

处理器：用于执行所述存储器中存储的可执行指令，实现如权利要求1-7任一项所述的一种基于Unity3D的水环境质量实时监测方法。

Images