CN108108563A - 基于bim和gis技术的跨平台水动力学建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM和GIS技术的跨平台水动力学建模方法，步骤1、三维场地开挖与回填；步骤2、三维建筑模型构建；步骤3、三维异构体模型导入与组装；步骤4、三维模型边界线的导出：将工程各三维模型边界线控制点XY坐标以文本格式导出；步骤5、三维模型顶点的坐标高程提取：将工程各三维模型顶点在所述三维设计平台中加密后，利用GIS空间数据分析处理能力，提取工程各三维模型顶点坐标高程数据；步骤6、模型高程和边界数据导入水动力学建模平台；步骤7、构建水动力学模型。本发明优点在于解决应用工程三维设计模型和各种异构体模型构建高精度二维水动力学模型的难题，推动了水动力学向精细化建模方面的发展。

Description

基于BIM和GIS技术的跨平台水动力学建模方法

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（地理信息系统；英文Geographic Information System的缩写）技术和水动力学模型在水利工程上的应用，尤其是涉及基于BIM和GIS技术的跨平台水动力学建模方法。

背景技术

BIM，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。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二维水动力学模型构建方面，往往仅基于天然地形构建，对工程设计仅通过单点建筑、线性建筑等进行简单概化，无法精确反应工程三维形态，从而使得模型计算精度低，得不到建筑附近局部微流场形态。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于BIM和GIS技术的跨平台水动力学建模方法，实现利用工程三维设计模型和各种异构体模型构建高精度二维水动力学模型。

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GIS技术的跨平台水动力学建模方法，包括下述步骤：

步骤1、三维场地开挖与回填：采用三维设计平台如Bentley系列中的三维地形开挖软件如Geopak，按设计尺寸和坐标在原地形基础上进行设计地形的开挖和回填，得到设计的三维场地开挖模型以及各开挖边界线；

步骤2、三维建筑模型构建：采用所述三维设计平台如Bentley系列中的三维建模软件如MicroStation，按设计尺寸和坐标进行各建筑三维模型的构建，并将各建筑三维模型与所述三维场地开挖模型按坐标组装在一起；

步骤3、三维异构体模型导入与组装：以通用三维格式，在3ds max等软件中构建或从网上下载三维异构体模型，在所述三维设计平台中与工程三维模型组装；

步骤4、三维模型边界线的导出：将工程各三维模型边界线控制点XY坐标以文本格式导出；

步骤5、三维模型顶点的坐标高程提取：将工程各三维模型顶点在所述三维设计平台中加密后，利用GIS空间数据分析处理能力，提取工程各三维模型顶点坐标高程数据；

步骤6、模型高程和边界数据导入水动力学建模平台：在水动力学建模平台中，导入工程各三维模型边界数据和三维模型顶点坐标高程数据，进行网格高程的插值，使地形网格精确反应工程设计三维形态；

步骤7、构建水动力学模型：在水动力学建模平台中，导入制作的地形网格，并根据模型需要设置计算时间、步长、干湿水深其他参数，完成二维水动力学模型的构建。

步骤4中，将工程各三维模型边界线控制点XY坐标以文本格式导出方法为：首先，在所述三维建模软件中将组装的各三维模型在原坐标位置打散成线段；接着，刷选出各三模型边界线段后，连接线段成为封闭的多段线；再接着，在XY平面上采用投影、压印等工具将空间多段线变成XY平面上的多段线；最后，以文本格式导出多段线控制点XY坐标。

步骤5中，将工程各三维模型顶点在三维设计平台中加密的方法为：首先，以需要的数据密度间距在XY坐标平面上绘制众多相互垂直交叉的线段，形成线段格网，覆盖要加密的三维模型范围；然后，采用三维设计软件中的投影、压印等工具将所述线段格网覆盖在所述三维模型表面上，并与三维模型合并为一个整体，则线段格网的各个顶点成为了三维模型的顶点，完成了三维模型顶点的加密。

步骤5中，利用GIS空间数据分析处理能力，提取工程三维模型顶点坐标高程数据方法为：首先，在所述三维设计软件中将组装后的工程三维模型全部按原坐标打散成线段；其次，去除位于所述工程三维模型底面的线段，连同加密的格网线段一起，以三维设计平台原格式（如dgn格式）导入到ArcGis中；接着，设置Arcgis坐标为工程所采用的投影坐标，并将导入的所述原格式（如dgn模型格式）转换为ArcGIS原生数据格式(如shp)；最后，在ArcGis中通过空间数据分析处理流程，提取所需要的工程三维模型表面顶点坐标高程数据。

在ArcGis中提取工程三维模型顶点坐标高程数据的处理方法为：

S1、要素折点转点：采用ArcGis中的“要素折点转点”工具，将线段、多段线上的各控制折点转为点要素；

S2、点要素筛选：采用ArcGis中的“筛选”工具，刷掉没有高程属性字段，即Z坐标属性字段的点要素；

S3、添加XY坐标属性字段：采用ArcGis中的“添加XY坐标”工具，添加点要素的XY坐标属性字段；

S4、点要素融合：采用ArcGis中“融合”工具，同时以X坐标、Y坐标属性字段为融合字段，以Z坐标属性字段为统计字段，统计类型取最大值，完成点要素的融合处理；处理后， X、Y坐标均相同的点要素被融合成一个点要素，且该点要素的高程为三维模型顶部高程，从而解决了相同XY坐标点要素的重复和点要素高程选取问题；

S5、点要素坐标高程导出：在ArcGis中以文本格式导出点要素X、Y、Z字段属性数据。

本发明优点在于将三维设计平台、地理信息平台、水动力学建模平台进行跨平台技术融合，发挥各自的长处，解决应用工程三维设计模型和各种异构体模型构建高精度二维水动力学模型的难题，扩展了BIM技术的应用范围，推动了水动力学向精细化建模方面的发展，在诸如河道截流水动力学模拟、河道局部微流场模拟、水工建筑物精确水头损失计算等方面具有重大应用价值。

附图说明

图1是本发明总流程框图和各技术节点子流程框图。

图2是本发明利用三维设计平台和地理信息平台提取工程三维模型顶点坐标高程的原理图。

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、2所示，本发明所述基于BIM和GIS技术的跨平台水动力学建模方法，现对一条设计包含丁坝、天然岩石的河道为例，进行高精度二维水动力模型的构建；通过本发明构建的二维水动力学模型，精确反应出天然和设计河床形态、丁坝三维形态、天然岩石三维形态，从而实现高精度的二维水动力学模拟。

步骤1、三维场地开挖与回填：采用Bentley系列三维设计平台中的三维地形开挖软件如Geopak，按设计尺寸和坐标在原地形基础上进行设计河道、两岸堤防的开挖和回填，从而得到设计河道的三维开挖模型以及各开挖边界线。

步骤2、三维建筑模型构建：采用Bentley系列三维设计平台中的三维建模软件如MicroStation，按设计尺寸和坐标进行河道其他水工建筑模型的构建，如河道两岸的丁坝，并将水工建筑模型与开挖模型按坐标组装在一起（BIM成熟技术）。

步骤3、河中天然岩石等三维异构体模型导入与组装：以FBX、OBJ、3DS等通用三维模型格式，在3ds max等三维软件中构建，或从相关三维模型资源网站上下载所需的天然岩石等三维异构体模型，充分利用三维设计平台的坐标定位与组装能力，在三维设计平台中调整形状、大小、位置后与工程三维设计模型组装在一起。

步骤4、三维模型边界线的导出：为了在水动力学建模平台（如Mike）中，剖分的地形网格数据能精确的反映工程三维模型形状，地形网格剖分需要工程三维模型的边界线进行控制，如本实施例中的河道开挖线、河底线、丁坝轮廓线、天然岩石轮廓线等；为此在三维设计平台中将工程各三维模型边界线控制点XY坐标以文本格式导出；方法为：首先，在三维建模软件如MicroStation中将组装的各三维模型在原坐标位置打散成线段；接着，刷选出三维模型边界线段后，连接线段成为封闭的多段线；再接着，在XY平面上采用投影、压印等工具将空间多段线变成XY平面上的多段线；最后，以文本格式导出多段线控制点XY坐标。

步骤5、三维模型顶点的坐标高程提取：如图2所示，在水动力学建模平台（如Mike）中进行二维水动力学模型构建时，需要进行地形网格剖分，为了将本实施例中的工程三维模型如河道开挖模型、堤防回填模型、丁坝模型、河中天然岩石异构体模型反应在地形网格剖分中参与水动力学计算，需将这些三维模型顶点进行加密，并提取加密后的三维模型顶点坐标高程数据；提取方法如图1、2所示，按照下述步骤进行：

第1步，在三维设计软件中加密三维模型顶点数据：以需要的数据密度如5m×5m的间距在XY坐标平面上绘制众多相互垂直交叉的线段，形成线段格网，覆盖要加密的模型范围；然后采用三维设计软件中的投影、压印等工具将线段格网覆盖在三维模型表面上，并与三维模型合并为一个整体，则线段格网的各个顶点成为了三维模型的顶点，完成了三维模型顶点的加密。

第2步，在地理信息平台ArcGis中进行三维模型顶点数据的处理：首先，在三维设计软件中将组装后的工程三维模型全部按原坐标打散成线段，去除位于三维模型底面的线段后，连同加密的格网线段一起，以三维设计平台原格式（如dgn格式）导入到ArcGis中（ArcGis支持该格式的导入）；接着，设置Arcgis坐标为工程所采用的投影坐标，并将导入的dgn模型格式转换为ArcGIS原生数据格式(如shp、gdb)；最后，在ArcGis中通过一套空间数据分析处理流程，提取所需要的工程模型表面顶点坐标高程数据；该空间数据分析处理流程为：

S1、要素折点转点：采用ArcGis中的“要素折点转点”工具，将线段、多段线上的各控制折点转为点要素；

S2、点要素筛选：采用ArcGis中的“筛选”工具，刷掉没有高程属性字段（Z坐标属性字段）的点要素；

S3、添加XY坐标属性字段：采用ArcGis中的“添加XY坐标”工具，添加点要素的XY坐标属性字段；

S4、点要素融合：采用ArcGis中“融合”工具，同时以X坐标、Y坐标属性字段为融合字段，以Z坐标属性字段为统计字段，统计类型取最大值，完成点要素的融合处理；处理后， X、Y坐标均相同的点要素会被融合成一个点要素，且该点要素的高程为三维模型顶部高程，从而解决了相同XY坐标点要素的重复和点要素高程选取问题；

S5、点要素坐标高程导出：在ArcGis中以文本格式导出点要素X、Y、Z字段属性数据。

步骤6、三维模型高程和边界数据导入水动力学建模平台：在水动力学建模平台如Mike中，在使用MDF工具进行地形网格剖分时，首先导入边界数据，以边界上的控制点进行网格剖分的控制，从而精确绘制工程三维模型外轮廓；接着，导入反应工程各模型三维形态的高程散点数据（即步骤S5中的点要素X、Y、Z字段属性数据）进行网格高程的插值，从而使得用于二维水动力学计算的地形网格精确反应工程设计三维形态和其他需要参与水力计算的异构体三维形态。

步骤7、构建水动力模型：在水动力学建模平台如Mike中，导入步骤6制作的地形网格，并根据模型需要设置计算时间、步长、干湿水深其他参数，从而完成二维水动力学模型的构建。

Claims (5)

1.一种基于BIM和GIS技术的跨平台水动力学建模方法，其特征在于：包括下述步骤：

步骤1、三维场地开挖与回填：采用三维设计平台如Bentley系列中的三维地形开挖软件Geopak，按设计尺寸和坐标在原地形基础上进行设计地形的开挖和回填，得到设计的三维场地开挖模型以及各开挖边界线；

步骤2、三维建筑模型构建：采用所述三维设计平台Bentley系列中的三维建模软件MicroStation，按设计尺寸和坐标进行各建筑三维模型的构建，并将各建筑三维模型与所述三维场地开挖模型按坐标组装在一起；

步骤3、三维异构体模型导入与组装：以通用三维格式，在3ds max等软件中构建或从网上下载三维异构体模型，在所述三维设计平台中与工程三维模型组装；

步骤4、三维模型边界线的导出：将工程各三维模型边界线控制点XY坐标以文本格式导出；

步骤5、三维模型顶点的坐标高程提取：将工程各三维模型顶点在所述三维设计平台中加密后，利用GIS空间数据分析处理能力，提取工程各三维模型顶点坐标高程数据；

步骤6、模型高程和边界数据导入水动力学建模平台：在水动力学建模平台中，导入工程各三维模型边界线数据和三维模型顶点坐标高程数据，进行网格高程的插值，使地形网格精确反应工程设计三维形态；

步骤7、构建水动力学模型：在水动力学建模平台中，导入制作的地形网格，并根据模型需要设置计算时间、步长、干湿水深参数，完成二维水动力学模型的构建。

2.根据权利要求1所述基于BIM和GIS技术的跨平台水动力学建模方法，其特征在于：步骤4中，将工程各三维模型边界线控制点XY坐标以文本格式导出方法为：首先，在所述三维建模软件中将组装的各三维模型在原坐标位置打散成线段；其次，刷选出各三模型边界线段后，连接线段成为封闭的多段线；接着，在XY平面上采用投影、压印等工具将空间多段线变成XY平面上的多段线；最后，以文本格式导出多段线控制点XY坐标。

3.根据权利要求1所述基于BIM和GIS技术的跨平台水动力学建模方法，其特征在于：步骤5中，将工程各三维模型顶点在三维设计平台中加密的方法为：首先，以需要的数据密度间距在XY坐标平面上绘制众多相互垂直交叉的线段，形成线段格网，覆盖要加密的三维模型范围；然后，采用三维设计软件中的投影、压印等工具将所述线段格网覆盖在所述三维模型表面上，并与三维模型合并为一个整体，则线段格网的各个顶点成为了三维模型的顶点，完成了三维模型顶点的加密。

4.根据权利要求1所述基于BIM和GIS技术的跨平台水动力学建模方法，其特征在于：步骤5中，利用GIS空间数据分析处理能力，提取工程三维模型顶点坐标高程数据方法为：首先，在所述三维设计软件中将组装后的工程三维模型全部按原坐标打散成线段；其次，去除位于所述工程三维模型底面的线段，连同加密的格网线段一起，以三维设计平台原格式（如dgn格式）导入到ArcGis中；接着，设置Arcgis坐标为工程所采用的投影坐标，并将导入的所述原格式（如dgn模型格式）转换为ArcGIS原生数据格式(如shp)；最后，在ArcGis中通过空间数据分析处理流程，提取所需要的工程三维模型表面顶点坐标高程数据。

5.根据权利要求4所述基于BIM和GIS技术的跨平台水动力学建模方法，其特征在于：在ArcGis中提取工程三维模型顶点坐标高程数据的处理流程为：

S1、要素折点转点：采用ArcGis中的“要素折点转点”工具，将线段、多段线上的各控制折点转为点要素；

S2、点要素筛选：采用ArcGis中的“筛选”工具，刷掉没有高程属性字段，即Z坐标属性字段的点要素；

S3、添加XY坐标属性字段：采用ArcGis中的“添加XY坐标”工具，添加点要素的XY坐标属性字段；

S4、点要素融合：采用ArcGis中“融合”工具，同时以X坐标、Y坐标属性字段为融合字段，以Z坐标属性字段为统计字段，统计类型取最大值，完成点要素的融合处理；处理后， X、Y坐标均相同的点要素被融合成一个点要素，且该点要素的高程为三维模型顶部高程，从而解决了相同XY坐标点要素的重复和点要素高程选取问题；

S5、点要素坐标高程导出：在ArcGis中以文本格式导出点要素X、Y、Z字段属性数据。