CN111667569A - 一种基于Rhino及Grasshopper的三维实景土方可视化精准测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土方测量技术领域，具体涉及一种基于Rhino及Grasshopper的三维实景土方可视化精准测算方法；本发明利用无人机航测快速提取现状场地高程信息，融合设计高程信息，叠加三维实景模型快速准确并可视化地计算出复杂场地土方量；以三维实景模型为基础的土方可视化精准测量方法，提取复杂地表倾斜摄影数据，按1*1m矩阵重建场地三维地形，并且赋予现状贴图，利用三段式网格法可视化进行土方精准计算，从而更加精准的测量土石方挖填量；并且联动三维模型，可提供直观查看以及土方数据可视化表现。
Description
技术领域
本发明涉及土方测量技术领域，具体涉及一种基于Rhino及Grasshopper的三维实景土方可视化精准测算方法。
背景技术
在房地产、市政等建设工程中，场地的平场工作显得尤为重要，平场过程中所涉及的土方量对于工程造价也会产生较大影响，所有建设工程在施工前的设计阶段就必须对工程阶段的土方开挖回填量进行计算，然而，传统的土方计算基于CAD地形图高程点和设计标高进行的各种方法的计算其精度相对偏低，并且可视化程度低，无法进行直观预览。近年来，随着倾斜摄影技术成熟，以及各种消费级无人机的快速发展，数字航测技术成为了一项高效且成本低廉的技术。因此，利用无人机航测快速提取现状场地高程信息，融合设计高程信息，叠加三维实景模型快速准确并可视化地计算出复杂场地土方量，是一项很有现实意义的创新课题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于Rhino及Grasshopper的三维实景土方可视化精准测算方法。
本发明提供了一种基于Rhino及Grasshopper的三维实景土方可视化精准测算方法，所述方法包括如下述步骤：
S1：通过无人机对待测区域进行拍摄，并将拍摄数据传输给该区域内的PPK基站；
S2：PPK基站将拍摄数据处理后，再导入三维模型重建软件进行处理，生成三维实景模型，并导入测图软件中；
S3：通过测图软件对三维实景模型提取高程点，并进行存储；
S4：Rhino软件获取三维实景模型和高程点，通过Rhino软件中的Grasshopper进行DelaunayMesh重建并且映射贴图，得到高精度三维可视化地形网格；
S5：Rhino软件获取设计标高数据，重建设计场地三角网，并提取单个网格顶点投影至高精度三维可视化地形网格中，计算高程差值；
S6：按正北方向提取分析待测区域的二维包围盒，并按照所需大小细分矩形，得到所需大小的多个场地空间包围盒；
S7：在每个场地空间包围盒里面对应设计场地三角网和高精度三维可视化地形网格的拓扑关系，形成设计场地三角网的单个网格与高精度三维可视化地形网格的单个网格一一对应关系；
S8：根据每个场地空间包围盒的设计场地三角网、高精度三维可视化地形网格和高程差值进行三段体积值计算，得到单个网格的土方体积，并统计每个场地空间包围盒的土方挖填数据，得到最终土方挖填数据。
可选的，通过无人机对待测区域进行拍摄之前的步骤，包括：在待测区域架设PPK基站；设定无人机的航线、飞行速度、相机角度的参数。
可选的，PPK基站将拍摄数据处理后，再导入三维模型重建软件进行处理，生成三维实景模型的步骤，包括：PPK数据处理，通过后差分处理导出POS文件，并匹配照片，将照片和POS文件导入三维模型重建软件；三维模型重建软件对应照片位置信息，拍摄时相机姿态信息进行解算，计算照片空中的三角信息；切块生成三维实景模型。
可选的，按正北方向提取分析待测区域的二维包围盒，并按照所需大小细分矩形，得到所需大小的多个场地空间包围盒的步骤，包括：按正北方向提取分析待测区域的二维包围盒；按照20m*20m放线，得到20m*20m的方格网；将得到的方格网投影至高精度三维可视化地形网格中，并赋予每个方格网高度，得到20*20m的场地空间包围盒。
可选的，根据每个场地空间包围盒的设计场地三角网、高精度三维可视化地形网格和高程差值进行三段体积值计算，得到单个网格的土方体积的步骤，包括：根据每个场地空间包围盒的设计场地三角网、高精度三维可视化地形网格和高程差值，进行一一对应，并形成三棱柱；提取三棱柱上部三角形的最低点和三棱柱下部三角形的最高点，将三棱柱从空间上水平切分为上中下三段；分别计算三段三棱柱的体积，得到单个网格的土方体积。
可选的，统计每个场地空间包围盒的土方挖填数据，得到最终土方数据的步骤包括：根据单个场地空间包围盒内的挖方区域和填方区域统计所有网格土方的体积；统计每个场地空间包围盒的数据，得到最终土方数据。
可选的，得到最终土方数据之后的步骤，包括：以每个场地空间包围盒二维左下角为参考，显示编号、设计标高、原始标高，并在每个场地空间包围盒内分别显示挖方量和填方量。
本发明的有益效果体现在：
(1)本发明以三维实景模型为基础的土方可视化精准测量方法，提取复杂地表倾斜摄影数据，按1*1m矩阵重建场地三维地形，并且赋予现状贴图，利用三段式网格法可视化进行土方精准计算，从而更加精准的测量土石方挖填量；并且联动三维模型，可提供直观查看以及土方数据可视化表现。
(2)本发明创造的三维土石方精准可视化测算方法，受地形复杂程度影响小，快速生产三维实景模型，结合PPK数据精准定位，最终的三维可视化地形数据中的高程点间隔低至1m/个，其水平误差5cm以内，高程误差10cm以内，满足国家1：500地形图制图标准。
(3)通过无人机外业采集，布设PPK地面站，替代传统外业数据逐个采集，极大地减轻的外业工作量，解决传统土方测量方法外出作业采集效率低，测算精度低等因素，节省人力成本。
(4)相比于传统土方测算，其计算方法更加科学，采样值间隔更小，可视化程度高，土方结算结果精度相较于传统更高。对于优土方工程造价，节省预算有显著效果。
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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明基于Rhino及Grasshopper的三维实景土方可视化精准测算方法的流程示意图；
图2为待测区域的三维模型图；
图3为高精度三维可视化地形网格和设计地形；
图4为可视化土方计算程序；
图5为20m*20m场地空间包围盒；
图6为单个场地空间包围盒土方数据表现方式图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在房地产、市政等建设工程中，场地的平场工作显得尤为重要，平场过程中所涉及的土方量对于工程造价也会产生较大影响，所有建设工程在施工前的设计阶段就必须对工程阶段的土方开挖回填量进行计算，然而，传统的土方计算基于CAD地形图高程点和设计标高进行的各种方法的计算其精度相对偏低，并且可视化程度低，无法进行直观预览；为了解决上述问题，所以有必要，研制一种基于Rhino及Grasshopper的三维实景土方可视化精准测算方法，利用无人机航测快速提取现状场地高程信息，融合设计高程信息，叠加三维实景模型快速准确并可视化地计算出复杂场地土方量。
本发明具体实施方式提供一种基于Rhino及Grasshopper的三维实景土方可视化精准测算方法，该方法如图1-5所示，包括如下步骤：
在步骤S1中，通过无人机对待测区域进行拍摄，并将拍摄数据传输给该区域内的PPK基站。
在本发明实施例中，基于无人机对待测区域进行航片采集和地面PPK基站精准定位；在使用无人机对指定区域进行数据采集时，首先，在待测区域架设地面PPK基站，以便获取飞机在飞行过程中的位置数据和高程信息，然后设定无人机的航线，飞行速度，相机角度等参数，开始执行作业，拍摄航拍照片，地面基站同时采集定位数据。
在步骤S2中，PPK基站将拍摄数据处理后，再导入三维模型重建软件进行处理，生成三维实景模型，并导入测图软件中。
在本发明实施例中,将PPK基站采集到的定位数据进行解算，通过后差分处理导出POS文件，并匹配照片，将照片和POS文件导入三维模型重建软件，首先三维模型重建软件对应照片位置信息，拍摄时相机姿态信息进行解算，计算照片空中的三角信息，然后切块生成三维实景模型。
在步骤S3中，通过测图软件对三维实景模型提取高程点，并进行存储。
在本发明实施例中，通过测图软件对三维实景模型按1*1间距提取高程点，区别出植物，建筑物等地表物，最终得到平面误差在5cm以内，高程误差在10cm以内；并通过DWG格式存储。
在步骤S4中，Rhino软件获取三维实景模型和高程点，通过Rhino软件中的Grasshopper进行DelaunayMesh重建并且映射贴图，得到高精度三维可视化地形网格。
在本发明实施例中，将三维实景模型导入Rhino中提取真实贴图，将高程点云导入Rhino进行DelaunayMesh重建，得到高精度三维可视化地形，并且对高精度三维可视化地形网格映射真实贴图，得到带贴图的高精度三维可视化地形网格以便直观查看。
在步骤S5中，Rhino软件获取设计标高数据，重建设计场地三角网，并提取单个网格顶点投影至高精度三维可视化地形网格中，计算高程差值。
在本发明实施例中，将待测区域的设计标高数据导入Rhino，利用设计高程数据进行DelaunayMesh重建,得到设计场地三角网数据；然后提取单个网格顶点投影至高精度三维可视化地形网格中，计算两个的高程差值。
在步骤S6中，按正北方向提取分析待测区域的二维包围盒，并按照所需大小细分矩形，得到所需大小的多个场地空间包围盒。
在本发明实施例中，按正北方向提取分析待测区域的二维包围盒；按照20m*20m放线，得到20m*20m的方格网；将得到的方格网投影至高精度三维可视化地形网格中，并赋予每个方格网高度，得到20*20m的场地空间包围盒。
在步骤S7中，在每个场地空间包围盒里面对应设计场地三角网和高精度三维可视化地形网格的拓扑关系，形成设计场地三角网的单个网格与高精度三维可视化地形网格的单个网格一一对应关系。
在本发明实施例中，在每个场地空间包围盒里面对应设计场地三角网和高精度三维可视化地形网格的拓扑关系，在每一个方格网里，保证设计场地三角网的单个网格与高精度三维可视化地形网格的单个网格一一对应。
在步骤S8中，根据每个场地空间包围盒的设计场地三角网、高精度三维可视化地形网格和高程差值进行三段体积值计算，得到单个网格的土方体积，并统计每个场地空间包围盒的土方挖填数据，得到最终土方挖填数据。
在本发明实施例中，根据每个场地空间包围盒的设计场地三角网、高精度三维可视化地形网格和高程差值，进行一一对应，并形成三棱柱；提取三棱柱上部三角形的最低点和三棱柱下部三角形的最高点，将三棱柱从空间上水平切分为上中下三段；分别计算三段三棱柱的体积，得到单个网格的土方体积；根据单个场地空间包围盒内的挖方区域和填方区域统计所有网格土方的体积；统计每个场地空间包围盒的数据，得到最终土方数据。
如图6所示，以每个场地空间包围盒二维左下角为参考，显示编号、设计标高、原始标高，并在每个场地空间包围盒内分别显示挖方量和填方量。
本发明以三维实景模型为基础的土方可视化精准测量方法，提取复杂地表倾斜摄影数据，按1*1m矩阵重建场地三维地形，并且赋予现状贴图，利用三段式网格法可视化进行土方精准计算，从而更加精准的测量土石方挖填量。并且联动三维模型，可提供直观查看以及土方数据可视化表现。本发明创造的三维土石方精准可视化测算方法，受地形复杂程度影响小，快速生产三维实景模型，结合PPK数据精准定位，最终的三维可视化地形数据中的高程点间隔低至1m/个，其水平误差5cm以内，高程误差10cm以内，满足国家1：500地形图制图标准。通过无人机外业采集，布设PPK地面站，替代传统外业数据逐个采集，极大地减轻的外业工作量，解决传统土方测量方法外出作业采集效率低，测算精度低等因素，节省人力成本。相比于传统土方测算，其计算方法更加科学，采样值间隔更小，可视化程度高，土方结算结果精度相较于传统更高。对于优土方工程造价，节省预算有显著效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (7)
1.一种基于Rhino及Grasshopper的三维实景土方可视化精准测算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：通过无人机对待测区域进行拍摄，并将拍摄数据传输给该区域内的PPK基站；
S2：PPK基站将拍摄数据处理后，再导入三维模型重建软件进行处理，生成三维实景模型，并导入测图软件中；
S3：通过测图软件对三维实景模型提取高程点，并进行存储；
S4：Rhino软件获取三维实景模型和高程点，通过Rhino软件中的Grasshopper进行Delaunay Mesh重建并且映射贴图，得到高精度三维可视化地形网格；
S5：Rhino软件获取设计标高数据，重建设计场地三角网，并提取单个网格顶点投影至高精度三维可视化地形网格中，计算高程差值；
S6：按正北方向提取分析待测区域的二维包围盒，并按照所需大小细分矩形，得到所需大小的多个场地空间包围盒；
S7：在每个场地空间包围盒里面对应设计场地三角网和高精度三维可视化地形网格的拓扑关系，形成设计场地三角网的单个网格与高精度三维可视化地形网格的单个网格一一对应关系；
S8：根据每个场地空间包围盒的设计场地三角网、高精度三维可视化地形网格和高程差值进行三段体积值计算，得到单个网格的土方体积，并统计每个场地空间包围盒的土方挖填数据，得到最终土方挖填数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过无人机对待测区域进行拍摄之前的步骤，包括：
在待测区域架设PPK基站；
设定无人机的航线、飞行速度、相机角度的参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，PPK基站将拍摄数据处理后，再导入三维模型重建软件进行处理，生成三维实景模型的步骤，包括：
PPK数据处理，通过后差分处理导出POS文件，并匹配照片，将照片和POS文件导入三维模型重建软件；
三维模型重建软件对应照片位置信息，拍摄时相机姿态信息进行解算，计算照片空中的三角信息；
切块生成三维实景模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按正北方向提取分析待测区域的二维包围盒，并按照所需大小细分矩形，得到所需大小的多个场地空间包围盒的步骤，包括：
按正北方向提取分析待测区域的二维包围盒；
按照20m*20m放线，得到20m*20m的方格网；
将得到的方格网投影至高精度三维可视化地形网格中，并赋予每个方格网高度，得到20*20m的场地空间包围盒。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据每个场地空间包围盒的设计场地三角网、高精度三维可视化地形网格和高程差值进行三段体积值计算，得到单个网格的土方体积的步骤，包括：
根据每个场地空间包围盒的设计场地三角网、高精度三维可视化地形网格和高程差值，进行一一对应，并形成三棱柱；
提取三棱柱上部三角形的最低点和三棱柱下部三角形的最高点，将三棱柱从空间上水平切分为上中下三段；
分别计算三段三棱柱的体积，得到单个网格的土方体积。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，统计每个场地空间包围盒的土方挖填数据，得到最终土方数据的步骤包括：
根据单个场地空间包围盒内的挖方区域和填方区域统计所有网格土方的体积；
统计每个场地空间包围盒的数据，得到最终土方数据。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，得到最终土方数据之后的步骤，包括：以每个场地空间包围盒二维左下角为参考，显示编号、设计标高、原始标高，并在每个场地空间包围盒内分别显示挖方量和填方量。
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