CN111402402B - 一种公路边坡三维可视化建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种公路边坡三维可视化建模方法，具体涉及公路边坡建模技术领域，包括以下建模步骤：S1、路基边坡三维可视化模型的构建；S2、边坡结构物模型的构建及矢量数据信息的展示。本发明综合应用地理信息、虚拟现实、大数据管理、路基边坡工程等技术，对路基边坡三维可视化实景模型的构建及导览技术进行研究，构建边坡的三维可视化方案并解决模型在“云眼”系统平台上的兼容展示技术难题，同时对边坡体上的结构物矢量数据进行集成处理，构建结构物三维可视化模型，将路基边坡基本信息，防护与加固结构、施工过程、安全监测与养护信息融合并通过三维立体模型进行直观的、清晰的、可选择性的展示，且浏览时加载速度快，用户体验好。
Description
技术领域
本发明实施例涉及公路边坡建模技术领域，具体涉及一种公路边坡三维可视化建模方法。
背景技术
近年来随着计算机技术和图形加速硬件的快速崛起使得可视化技术也得到了质的飞跃。当今已是一个信息数据时代，信息技术正渗透到经济和社会各个领域，公路边坡工程也应紧跟当今信息时代的发展步伐，应用信息科技领域的高科技手段为公路安全智能化提供直接而有利的支持，其如何实现就显得尤为重要。建立完善的公路边坡三维可视化建模技术，适时、较准确地为公路边坡工程稳定性评价、边坡开挖与治理、岩土工程的数值模拟分析等提供地质依据或模型资料，为岩土工程师对岩土工程问题的正确判断、分析提供综合信息，是今后公路岩土工程发展的一个主要方向。
可视化(Visualization)技术是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助涉及等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。在之前的十几年中，计算机图形学得到了长足的发展，使得三维建模技术逐步完善，通过计算机仿真能够再现三维世界中的物体，并且能够用三维形体来表示复杂的信息，同时，最近几年来并行计算机技术和图形加速硬件的快速崛起，使得可视化技术也得到了质的飞跃。
虽然现在已经有很多三维可视化模型的构建方法，但是仍存在很多的不便和缺点：
1、目前专门针对公路边坡这类原生构造的建模手段还很缺乏，普通的建模技术可对设计结构类构件进行建模，但是对边坡的建模仍很模糊，分辨率无法达到工程要求，也无法为工程监测及养护提供帮助；
2、目前三维可视化模型的建立仍处于初级阶段，想要获得理想的分辨率和显示效果，只能依靠现场获取大量的图片，图片的大量采集不光过程复杂，工作量大，耗时耗力，浪费人力，也增加了后期图片处理的工作量，同时，由于图片数量大，累加后的模型数据量大，在平台上的加载对服务器要求较高，且浏览时加载速度过慢，不利于快速查阅，用户体验极差；
3、目前已建立的模型仅仅为一个浅层表面地形的三维立体模型，对于边坡内部的地层结构、地质形态以及构造物在地下的布设情况等信息无法再现和展示，模型简单，信息较少。这就给地质工作者带来了极大的不便，在查阅相关信息时，还需要配合历史设计资料、相关施工资料等对照复杂的图文才能了解边坡情况，不能给工程工作提供协助。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种公路边坡三维可视化建模方法，通过对边坡体上的结构物矢量数据进行集成处理，构建结构物三维可视化模型，将路基边坡基本信息，防护与加固结构、施工过程、安全监测与养护信息融合并通过三维立体模型进行直观的、清晰的、可选择性的展示；另外将公路边坡现场情况以三维可视化实景展示，可以对边坡的地形地貌、结构物以及边坡设计资料、施工资料以及养护资料进行管理，使用者可以通过三维可视化模型多角度、多层次、针对性的感受、理解和分析边坡情况，整个路基边坡三维可视化模型得到轻量化处理，浏览时加载速度快，实现快速查阅，用户体验好，以解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种公路边坡三维可视化建模方法，包括以下建模步骤：
S1、路基边坡三维可视化模型的构建：对不同类型边坡进行统计分析，构建典型边坡图像信息获取方案，依据现场拍摄资料，通过Photoscan软件，结合地理信息管理技术，对图像数据按地理坐标或空间位置进行处理，将实景图片与真实地形数据坐标进行关联，构建路基边坡的三维可视化实景模型并将数据模型与现行的“云眼”监控系统平台进行搭接，最终实现三维可视化模型的在线、快速、多视点的变换展示；
S2、边坡结构物模型的构建及矢量数据信息的展示：利用倾斜摄影技术并结合现有的路基边坡矢量数据资料，构建边坡结构物三维可视化模型，实现对边坡结构物的立体、全方位、透视导览，并将结构物矢量信息附加到对应结构物上，实现用户对路基边坡三维信息的可视化管理。
进一步地，步骤S1中，具体的路基边坡三维可视化模型构建方法如下：
S1.1、典型边坡及结构物图像信息获取方案：对不同类型边坡及结构物的图像采集制定出一套规范化、标准化的方案，由此获得有效性高、冗余率低的原始数据，为模型建立提供更高精度，降低生成周期；
S1.2、路基边坡数据源处理方案及三维可视化模型构建：选定一套适用于项目的三维模型生成算法或软件，使其能通过图像数据、路基边坡矢量数据、BIM模型的数据源生成通用性强的标准三维模型文件；
S1.3、路基边坡三维可视化模型展示模块开发：开展基于路基边坡三维可视化模型展示模块开发，将生成的标准三维模型文件与“云眼”监控系统平台进行搭接，模块利用WebGL为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，实现Web前端的三维可视化模型的友好展示。
进一步地，步骤S1中，对不同类型边坡进行统计分析时，具体分析边坡的位置、高度、结构物情况。
进一步地，步骤S1中，构建典型边坡图像信息获取方案包括图像获取角度要求、数量要求。
进一步地，步骤S2中，边坡结构物模型的构建及矢量数据信息的展示技术具体如下：
S2.1、路基边坡结构物矢量三维可视化模型构建：利用倾斜摄影技术并结合现有的路基边坡矢量数据资料，将常用的边坡结构物构、监测传感器建成三维可视化模型，并集成于工具箱中，实现监测系统后台按需调用；
S2.2、监测信息与监测系统后台与三维模型的叠加和调用：开展监测信息与监测系统后台与三维模型的叠加和调用研究，在实现路基边坡三维可视化模型展示模块上，开展边坡结构物三维模型、监测传感器模型等多模型叠加与调用，实现多模型与模型之间相互独立且又相互关联的效果；
S2.3、边坡结构物矢量信息的呈现和展示模块开发：为了更明确展示各个三维模型相关基础信息，开展边坡结构物矢量信息的呈现和展示模块研究，对结构物模块及加载文件进行编辑，基于路基边坡三维可视化模型展示模块基础之上，实现边坡结构物三维模型、监测传感器模型的矢量信息、健康信息等多历史资料信息叠加的友好呈现与展示。
进一步地，步骤S2中，边坡结构物具体为锚杆、抗滑桩、挡墙。
本发明还提供了一种公路边坡三维可视化建模方法的具体实施方案，还包括该建模方法的具体实施方案：
步骤1)数据采集：现场采用无人机图像采集、3D激光扫描、BIM设计文件等3D模型数据收集手段对路径边坡和结构物进行原始数据采集；
步骤2)模型建立及生成：将采集的数据文件使用三维模型生成算法或软件编辑构建标准三维模型文件；
步骤3)模型呈现及展示：前端网页利用Three.js 3D引擎对所生成三维模型进行渲染呈现，three.js支持大多数的3D模型格式，并且提供工具进行转换为three.js可用的格式，利用底层的图形硬件加速功能进行的前端的图形渲染，为模型构建的完善性提供可靠支撑。
本发明实施例具有如下优点：
1、本发明针对目前路基边坡信息分散复杂，查阅困难且展示不直观等问题，综合应用地理信息、虚拟现实、大数据管理、路基边坡工程等技术，对路基边坡三维可视化实景模型的构建及导览技术进行研究，构建边坡的三维可视化方案并解决模型在“云眼”系统平台上的兼容展示技术难题，同时对边坡体上的结构物矢量数据进行集成处理，构建结构物三维可视化模型，将路基边坡基本信息，防护与加固结构、施工过程、安全监测与养护信息融合并通过三维立体模型进行直观的、清晰的、可选择性的展示；
2、本发明将公路边坡现场情况以三维可视化实景展示，可以对边坡的地形地貌、结构物以及边坡设计资料、施工资料以及养护资料进行管理，使用者可以通过三维可视化模型多角度、多层次、针对性的感受、理解和分析边坡情况；
3、本发明前端网页利用Three.js 3D引擎对所生成三维模型进行渲染呈现，three.js支持大多数的3D模型格式，并且提供工具进行转换为three.js可用的格式，利用底层的图形硬件加速功能进行的前端的图形渲染，为模型构建的完善性提供可靠支撑，整个路基边坡三维可视化模型得到轻量化处理，浏览时加载速度快，实现快速查阅，用户体验好；
4、本发明三维可视化建模技术的实现可为“云眼”的进一步完善和提高市场认知度提供有力的技术支持，还可为在智能监管与智慧养护方面的研究发展提供科学支撑作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明提供的建模流程图；
图2为本发明提供的建模实施技术路线图结构示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明开展路基边坡结构三维可视化模型研究，针对目前路基边坡信息分散复杂，查阅困难且展示不直观等问题，综合应用地理信息(GIS)、虚拟现实(VR)、大数据管理、路基边坡工程等技术，对路基边坡三维可视化实景模型的构建及导览技术进行研究，构建边坡的三维可视化方案并解决模型在“云眼”系统平台上的兼容展示技术难题，同时对边坡体上的结构物矢量数据进行集成处理，构建结构物(抗滑桩、锚杆、挡墙等)三维可视化模型，将路基边坡基本信息，防护与加固结构、施工过程、安全监测与养护信息融合并通过三维立体模型进行直观的、清晰的、可选择性的展示。
该实施例的一种公路边坡三维可视化建模方法，从两个内容开展研究，(1)路基边坡三维可视化模型的构建；(2)边坡结构物模型的构建及矢量数据信息的展示技术，其研究内容参照说明书附图1-2；
包括以下建模步骤：
S1、路基边坡三维可视化模型的构建：对不同类型边坡进行统计分析，包括边坡的位置、高度、结构物情况等，构建典型边坡图像信息获取方案，如图像获取角度要求、数量要求等；依据现场拍摄资料，通过Photoscan软件，结合地理信息管理技术，对图像数据按地理坐标或空间位置进行处理，将实景图片与真实地形数据坐标进行关联，构建路基边坡的三维可视化实景模型并将数据模型与现行的“云眼”监控系统平台进行搭接，最终实现三维可视化模型的在线、快速、多视点的变换展示；
该研究内容主要包括3个内容，分别是典型边坡及结构物图像信息获取方案、路基边坡数据源处理方案及三维可视化模型构建、路基边坡三维可视化模型展示模块开发；
具体的构建方法如下：
S1.1、典型边坡及结构物图像信息获取方案：对不同类型边坡及结构物的图像采集制定出一套规范化、标准化的方案，由此获得有效性高、冗余率低的原始数据，为模型建立提供更高精度，降低生成周期；
S1.2、路基边坡数据源处理方案及三维可视化模型构建：选定一套适用于项目的三维模型生成算法或软件，使其能通过图像数据、路基边坡矢量数据、BIM模型的数据源生成通用性强的标准三维模型文件；
S1.3、路基边坡三维可视化模型展示模块开发：开展基于路基边坡三维可视化模型展示模块开发，将生成的标准三维模型文件与“云眼”监控系统平台进行搭接，模块利用WebGL为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，实现Web前端的三维可视化模型的友好展示；
S2、边坡结构物模型的构建及矢量数据信息的展示：利用倾斜摄影技术并结合现有的路基边坡矢量数据资料，构建边坡结构物三维可视化模型，实现对边坡结构物(锚杆、抗滑桩、挡墙等)的立体、全方位、透视导览，并将结构物矢量信息附加到对应结构物上，实现用户对路基边坡三维信息的可视化管理；
该研究内容主要包括3个部分内容，分别是路基边坡结构物矢量三维可视化模型构建、监测信息与监测系统后台与三维模型的叠加和调用、边坡结构物矢量信息的呈现和展示模块开发；
具体的构建及展示技术如下：
S2.1、路基边坡结构物矢量三维可视化模型构建：利用倾斜摄影技术并结合现有的路基边坡矢量数据资料，将常用的边坡结构物构、监测传感器建成三维可视化模型，并集成于工具箱中，实现监测系统后台按需调用；
S2.2、监测信息与监测系统后台与三维模型的叠加和调用：开展监测信息与监测系统后台与三维模型的叠加和调用研究，在实现路基边坡三维可视化模型展示模块上，开展边坡结构物三维模型、监测传感器模型等多模型叠加与调用，实现多模型与模型之间相互独立且又相互关联的效果；
S2.3、边坡结构物矢量信息的呈现和展示模块开发：为了更明确展示各个三维模型相关基础信息，开展边坡结构物矢量信息的呈现和展示模块研究，对结构物模块及加载文件进行编辑，基于路基边坡三维可视化模型展示模块基础之上，实现边坡结构物三维模型、监测传感器模型的矢量信息、健康信息等多历史资料信息叠加的友好呈现与展示。
本发明通过将实现路基边坡及其结构物的三维可视化实景展示，并可通过三维模型对应读取各监测点的监测信息与数据，以及立体全方位查看边坡结构物施工情况、设计数据资料、养护情况和监测信息等。
本发明达到的技术目标如下：
(1)数据采集：实现仅需1名现场工作人员即可完成路基边坡图像数据的采集；
(2)模型生成：实现千张级图像数据在8h内完成高精度三维模型的生成；
(3)模型渲染及呈现：实现用户友好的使用观感，模型加载时长不大于1分钟，旋转、缩放、移动操作不存在卡顿现象；
(4)模型应用：实现不少于3种不同格式的多模型叠加及对应模型的相关参数信息或健康状态的展示。
本发明公路边坡三维可视化建模的实现总体来说可分为数据采集、模型建立及生成、模型呈现及展示三个关键步骤，各节点主要完成内容如下：
步骤1)数据采集：现场采用无人机图像采集、3D激光扫描、BIM设计文件等3D模型数据收集手段对路径边坡和结构物进行原始数据采集；
步骤2)模型建立及生成：将采集的数据文件使用三维模型生成算法或软件编辑构建标准三维模型文件；
步骤3)模型呈现及展示：前端网页利用Three.js 3D引擎对所生成三维模型进行渲染呈现，three.js支持大多数的3D模型格式，并且提供工具进行转换为three.js可用的格式，利用底层的图形硬件加速功能进行的前端的图形渲染，实现模型的轻量化处理，为模型构建的完善性提供可靠支撑，便于更好更快的呈现和展示。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种公路边坡三维可视化建模方法，其特征在于：包括以下建模步骤：
S1、路基边坡三维可视化模型的构建：对不同类型边坡进行统计分析，构建典型边坡图像信息获取方案，依据现场拍摄资料，通过Photoscan软件，结合地理信息管理技术，对图像数据按地理坐标或空间位置进行处理，将实景图片与真实地形数据坐标进行关联，构建路基边坡的三维可视化实景模型并将数据模型与现行的“云眼”监控系统平台进行搭接，最终实现三维可视化模型的在线、快速、多视点的变换展示；
S2、边坡结构物模型的构建及矢量数据信息的展示：利用倾斜摄影技术并结合现有的路基边坡矢量数据资料，构建边坡结构物三维可视化模型，实现对边坡结构物的立体、全方位、透视导览，并将结构物矢量信息附加到对应结构物上，实现用户对路基边坡三维信息的可视化管理，边坡结构物模型的构建及矢量数据信息的展示技术具体如下：
S2.1、路基边坡结构物矢量三维可视化模型构建：利用倾斜摄影技术并结合现有的路基边坡矢量数据资料，将常用的边坡结构物构、监测传感器建成三维可视化模型，并集成于工具箱中，实现监测系统后台按需调用；
S2.2、监测信息与监测系统后台与三维模型的叠加和调用：开展监测信息与监测系统后台与三维模型的叠加和调用研究，在实现路基边坡三维可视化模型展示模块上，开展边坡结构物三维模型、监测传感器模型多模型叠加与调用，实现多模型与模型之间相互独立且又相互关联的效果；
S2.3、边坡结构物矢量信息的呈现和展示模块开发：开展边坡结构物矢量信息的呈现和展示模块研究，对结构物模块及加载文件进行编辑，基于路基边坡三维可视化模型展示模块基础之上，实现边坡结构物三维模型、监测传感器模型的矢量信息、健康信息叠加的友好呈现与展示。
2.根据权利要求1所述的一种公路边坡三维可视化建模方法，其特征在于：步骤S1中，具体的路基边坡三维可视化模型构建方法如下：
S1.1、典型边坡及结构物图像信息获取方案：对不同类型边坡及结构物的图像采集制定出一套规范化、标准化的方案，由此获得有效性高、冗余率低的原始数据，为模型建立提供更高精度，降低生成周期；
S1.2、路基边坡数据源处理方案及三维可视化模型构建：选定一套适用于项目的三维模型生成算法或软件，使其能通过图像数据、路基边坡矢量数据、BIM模型的数据源生成通用性强的标准三维模型文件；
S1.3、路基边坡三维可视化模型展示模块开发：开展基于路基边坡三维可视化模型展示模块开发，将生成的标准三维模型文件与“云眼”监控系统平台进行搭接，模块利用WebGL为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，实现Web前端的三维可视化模型的友好展示。
3.根据权利要求2所述的一种公路边坡三维可视化建模方法，其特征在于：步骤S1中，对不同类型边坡进行统计分析时，具体分析边坡的位置、高度、结构物情况。
4.根据权利要求2所述的一种公路边坡三维可视化建模方法，其特征在于：步骤S1中，构建典型边坡图像信息获取方案包括图像获取角度要求、数量要求。
5.根据权利要求1所述的一种公路边坡三维可视化建模方法，其特征在于：步骤S2中，边坡结构物具体为锚杆、抗滑桩、挡墙。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种公路边坡三维可视化建模方法，其特征在于：还包括该建模方法的具体实施方案：
步骤1)数据采集：现场采用无人机图像采集、3D激光扫描、BIM设计文件3D模型数据收集手段对路径边坡和结构物进行原始数据采集；
步骤2)模型建立及生成：将采集的数据文件使用三维模型生成算法或软件编辑构建标准三维模型文件；
步骤3)模型呈现及展示：前端网页利用Three.js 3D引擎对所生成三维模型进行渲染呈现，three.js支持大多数的3D模型格式，并且提供工具进行转换为three.js可用的格式，利用底层的图形硬件加速功能进行的前端的图形渲染。
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