CN107563070A - 农田水利工程的三维设计系统及三维设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农田水利工程的三维设计系统及三维设计方法，包括地面控制点和外部设备，还包括地图加载模块、工程数据库、中央处理器、三维显示模块、断面分析模块和地形开挖分析模块，地面控制点、外部设备、地图加载模块、工程数据库、三维显示模块、断面分析模块和地形开挖模块均与中央处理器连接。本发明的地图加载模块加载的地形范围广、地形要素覆盖全，因此细微地形的特点不易丢失；需要建设的道路或水渠在三维环境中进行，地形高低和地理分布能直观地呈现在设计人员眼前，降低了对设计人员绘图技能的要求；测绘工作由测量设备和计算机自动完成，缩短了地图绘制时间。本发明可减轻设计人员的工作量，提高绘图效率。

Description

农田水利工程的三维设计系统及三维设计方法

技术领域

本发明涉及三维设计领域，特别是涉及农田水利工程的三维设计系统及三维设计方法。

背景技术

现有的水利工程设计主要是通过人工外业测量获得数据，然后将外业测量的数据利用CAD、ArcInfo等软件绘制成标准二维地形图，并用等高线和高程点等在二维地形图上表示地形特点，最后设计人员在地形图上布设水利要素。这种设计方式存在以下不足：(1)对绘图的专业技能要求高，且效率低；(2)细微地形特点容易丢失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绘图效率高、细微地形特点不易丢失且绘图专业技能要求低的农田水利工程的三维设计系统及三维设计方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

农田水利工程的三维设计系统，包括地面控制点和外部设备，地面控制点是人工添加于工程建设区域内用于定位的点位，外部设备包括电脑、鼠标和键盘，电脑内安装有contextCapture软件，还包括中央处理器、地图加载模块、工程数据库、三维显示模块、断面分析模块和地形开挖分析模块，地图加载模块包括地图影像加载组件、地形加载组件和航测三维模型加载组件，地图影像加载组件用于获取地图影像数据，地形加载组件用于获取地形数据，航测三维模型加载组件用于获取工程建设区域的航测数据，contextCapture软件用于将航测三维模型加载组件中的数据与地面控制点数据生成三维模型数据、数字高程数据和正射影像数据，工程数据库用于存储沟渠、农田、水库、水坝和道路的坐标数据及模型，三维显示模块用于将地图加载模块获取的地图影像数据、地形数据和contextCapture软件生成的三维模型数据、数字高程数据和正射影像数据三维环境中显示出来，断面分析模块用于分析建设工程线路的可行性，地形开挖分析模块用于计算建设工程的工作量；地面控制点、外部设备、地图加载模块、工程数据库、三维显示模块、断面分析模块和地形开挖模块均与中央处理器连接。

所述工程数据库包括设计工程文档、沟渠模型库、农田模型库、水库模型库、水坝模型库和道路模型库。

农田水利工程的三维设计方法，包括以下步骤：

步骤一：地理数据准备

(1)在目标区域内获取地面控制点数据、航测数据和该目标区域的在线数据，所述地面控制点数据是指对目标区域内布设的地面控制点进行联测获得的数据，所述航测数据是指在目标区域内通过航测飞机拍摄的照片和POS数据，所述在线数据是指通过地图影像加载组件和地形加载组件在线获取的目标区域的地图数据和地形数据；

(2)通过contextCapture软件将航测数据和地面控制点数据生成三维模型数据、数字高程模型数据和正射影像数据；

(3)在三维显示模块中将该目标区域的在线数据和contextCapture软件生成的三维模型数据、数字高程数据、正射影像数据在三维环境中显示出来；

步骤二：工程规划

将设计工程文档中存储的需要修建的农田水利工程的工程坐标数据添加到三维显示模块中，并在三维显示模块中规划需建设工程的路径；

步骤三：工程分析

通过断面分析模块确定农田水利工程的合理线路；然后通过地形开挖分析模块计算所选线路的工作量。

所述步骤三中通过断面分析模块分析和确定农田水利工程的线路是指从三维模型的表面提取高程值，通过高程值的变化分析需要修建的农田水利工程的可行性。

所述步骤三中线路确定后通过地形开挖分析模块计算所选线路的工作量是指根据在开挖范围内按一定距离提取的实地高程值与建设后的高程值进行对比得出差值，计算开挖或填方的量。

本发明具有如下效果：

(1)地图加载模块加载的地形范围广、地形要素覆盖全，并且地形特点不需要使用等高线表示，因此细微地形的特点不易丢失；

(2)需要建设的道路或水渠在三维环境中进行，地形高低和地理分布能直观地呈现在设计人员眼前，降低了对设计人员绘图技能的要求；

(3)测绘工作由测量设备和计算机完成，缩短了地图绘制时间；

(4)可减轻设计人员的工作量，提高绘图效率。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明地图加载模块的内部结构框图。

图3为本发明工程数据库的内部结构框图。

具体实施方式

实施例

如图1所示，本实施例提供的农田水利工程的三维设计系统包括地面控制点、外部设备、地图加载模块、工程数据库、中央处理器、三维显示模块、断面分析模块和地形开挖分析模块，地面控制点、外部设备、地图加载模块、工程数据库、三维显示模块、断面分析模块和地形开挖模块均与中央处理器连接。

所述地面控制点是人工添加于工程建设区域内用于定位的点位，地面控制点的数量越多，获得的地面控制点的联测数据越精确。

所述外部设备包括电脑、鼠标和键盘，电脑中安装有contextCapture软件。

如图2所述，所述地图加载模块包括地图影像加载组件、地形加载组件和航测三维模型加载组件，地图影像加载组件用于在线获取谷歌和天地图中的地图影像数据，地形加载组件用于在线获取谷歌地图中的地形数据，航测三维模型加载组件用于获取航测飞机拍摄的工程建设区域的航测照片和POS数据。

所述电脑中的contextCapture软件根据航测三维模型加载组件获取的照片和POS数据结合地面控制点生成工程建设区域的三维模型数据、数字高程数据和正射影像数据。

所述三维显示模块用于将地图影像加载组件、地形加载组件和contextCapture软件生成的三维模型数据、数字高程数据和正射影像数据在三维环境中显示出来。

如图3所示，所述工程数据库包括设计工程文档、沟渠模型库、农田模型库、水库模型库、水坝模型库和道路模型库，所述设计工程文档内存储有沟渠、农田、水库、水坝和道路等工程的坐标数据，沟渠模型库内存储有沟渠的形状，农田模型库内存储有农作物的种类和农田的形状，水库模型库内存储有水库的形状、水库的高程、水面的高程和水库边坡的坡度，水坝模型库中存储有水坝的形状，道路模型库内存储有道路的形状。

所述断面分析模块用于分析建设工程线路的可行性，具体是在三维模型中提取修建工程线路的高程值，根据高程值分析修建线路是否合理。

所述地形开挖分析模块用于计算建设工程的工作量，具体是根据断面分析模块分析的线路，对比实地高程值与建设后的高程值，较为准确地计算出工作量。

本实施例提供的农田水利工程的三维设计方法包括以下步骤：

步骤一：地理数据准备

(1)根据项目规划进行实地调研，划定需要修建农田水利工程的目标区域的经纬度坐标，然后根据测量的精度在目标区域内均匀布设多个地面控制点，使用RTK或全站仪对多个地面控制点进行联测，获得联测数据，地面控制点越多，获得的联测数据越精确；

(2)根据目标区域的地形特点选择合适的航测机型进行航测，航测完成后导出航测飞机拍摄的照片和POS数据，工作时通过航测三维模型加载组件获取航测飞机拍摄的照片和POS数据；

(3)设计人员将航测照片和POS数据以及联测的地面控制点数据传送至电脑，然后在contextCapture软件中创建一个空的区块，将航测照片和POS数据以及地面控制点数据导入创建的空的区块中，随后在contextCapture软件中将地面控制点的点位与航测照片中拍摄的地面控制点中对应的点位重合，这样可以降低航测三维模型加载组件中的数据误差，最后生成三维模型数据、数字高程模型数据和正射影像数据；

(4)中央处理器将地图影像加载组件获取的地图影像数据、地形加载组件获取的地形影像数据和contextCapture软件生成的三维模型数据、数字高程数据和正射影像数据传送至三维显示模块显示出来；

(5)检查生成后的三维模型是否异常，若发现异常，如生成后的三维模型在大面积的水域出现模型中水面高程不一致或水面模型破碎的情况，这时需要根据contextCapture软件生成的正射影像和高程数据(高程数据为同一平面位置的最低点)判断出错的位置，然后采集异常水面的范围与高程，异常水面的高程是根据问题水面边界处的地面高程确定的，接着将采集到的异常水面边界的三维坐标作为异常水域修正参数的约束条件输入到contextCapture软件中，重新生成三维模型，再次生成的三维模型中水域的水面高程不一致或水面模型破碎的情况则不会再出现。

步骤二：工程规划

根据项目规划，将设计工程文档中存储的需要修建的农田水利工程的工程坐标数据添加到三维显示模块中，并对工程线路进行规划，如水渠规划是在三维模型中添加水渠要流经的点位，根据项目规划的内容利用鼠标在工程数据库的沟渠模型库中选择沟渠的形状，如方形水渠模型、梯形水渠模型或管状水渠模型，通过键盘输入沟渠的尺寸；利用鼠标在工程数据库的农田模型库选择农田的形状和农田所种植的农作物类型，通过键盘输入农田的面积；利用鼠标在工程数据库的水库模型库选择水库的形状、水库的高程、水面的高程和水库边坡的坡度，通过键盘输入水库的高程参数、水面的高程参数和水库边坡的坡度参数；通过鼠标在工程数据库的水坝模型库中选择水坝的形状，利用键盘输入水坝的参数；通过鼠标在工程数据库的道路模型库中选择道路的形状，利用键盘输入道路的宽度及长度。

步骤三：工程分析

(1)项目规划后通过断面分析模块分析修建的农田水利工程的范围及线路，具体是指每隔一定的距离(如每隔1m、1.5m等距离)，从三维模型的表面提取高程值，通过高程值的变化分析需要修建的农田水利工程的可行性，如水渠的可行性是指水渠的线路在不需要太多开挖的情况下就能使水流从高到低自流，设计人员根据断面分析模块显示出的水渠开挖线路确定最合理的路径；

(2)线路确定后通过地形开挖分析模块计算所选线路的工作量，具体是指根据开挖范围内每隔一定距离提取的实地高程值(步骤三(1)中三维模型表面所提取的高程值)与建设后的高程值进行对比得出差值，计算开挖或填方的量，可以较准确的计算出工作量，如实地高程值为200m，建设后的高程值为199.5m，则要开挖0.5m的厚度，设计人员根据经验判断，若是人工开挖0.5m的厚度需要消耗1h，若是机械化开挖0.5m的厚度则需要10min；

(3)最后将确定的设计图以后缀为“.SHP”的文件格式导出，并将“.SHP”文件导入至常用的制图软件中，完成农田水利工程的三维设计。

以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.农田水利工程的三维设计系统，包括地面控制点和外部设备，地面控制点是人工添加于工程建设区域内用于定位的点位，外部设备包括电脑、鼠标和键盘，电脑内安装有contextCapture软件，其特征在于：还包括中央处理器、地图加载模块、工程数据库、三维显示模块、断面分析模块和地形开挖分析模块，地图加载模块包括地图影像加载组件、地形加载组件和航测三维模型加载组件，地图影像加载组件用于获取地图影像数据，地形加载组件用于获取地形数据，航测三维模型加载组件用于获取工程建设区域的航测数据，contextCapture软件用于将航测三维模型加载组件中的数据与地面控制点数据生成三维模型数据、数字高程数据和正射影像数据，工程数据库用于存储沟渠、农田、水库、水坝和道路的坐标数据及模型，三维显示模块用于将地图加载模块获取的地图影像数据、地形数据和contextCapture软件生成的三维模型数据、数字高程数据和正射影像数据三维环境中显示出来，断面分析模块用于分析建设工程线路的可行性，地形开挖分析模块用于计算建设工程的工作量；地面控制点、外部设备、地图加载模块、工程数据库、三维显示模块、断面分析模块和地形开挖模块均与中央处理器连接。

2.根据权利要求1所述的农田水利工程的三维设计系统，其特征在于：所述工程数据库包括设计工程文档、沟渠模型库、农田模型库、水库模型库、水坝模型库和道路模型库。

3.农田水利工程的三维设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：地理数据准备

(1)在目标区域内获取地面控制点数据、航测数据和该目标区域的在线数据，所述地面控制点数据是指对目标区域内布设的地面控制点进行联测获得的数据，所述航测数据是指在目标区域内通过航测飞机拍摄的照片和POS数据，所述在线数据是指通过地图影像加载组件和地形加载组件在线获取的目标区域的地图数据和地形数据；

(2)通过contextCapture软件将航测数据和地面控制点数据生成三维模型数据、数字高程模型数据和正射影像数据；

(3)在三维显示模块中将该目标区域的在线数据和contextCapture软件生成的三维模型数据、数字高程数据、正射影像数据在三维环境中显示出来；

步骤二：工程规划

将设计工程文档中存储的需要修建的农田水利工程的工程坐标数据添加到三维显示模块中，并在三维显示模块中规划需建设工程的路径；

步骤三：工程分析

通过断面分析模块确定农田水利工程的合理线路；然后通过地形开挖分析模块计算所选线路的工作量。

4.根据权利要求3所述的农田水利工程的设计方法，其特征在于：所述步骤三中通过断面分析模块分析和确定农田水利工程的线路是指从三维模型的表面提取高程值，通过高程值的变化分析需要修建的农田水利工程的可行性。

5.根据权利要求3所述的农田水利工程的设计方法，其特征在于：所述步骤三中线路确定后通过地形开挖分析模块计算所选线路的工作量是指根据在开挖范围内按一定距离提取的实地高程值与建设后的高程值进行对比得出差值，计算开挖或填方的量。