CN111667578A - 一种三维空间信息系统中的桥梁病害可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维空间信息系统中的桥梁病害可视化方法，包括以下步骤：现场采集数据、病害立方体的生成、病害形态的显示。本方法及系统将桥梁病害作为一个单独的对象处理，采用图形学显示技术，动态实现病害空间表达，可以直观地表达病害类型和状态。使用该方法及系统，发挥GIS的空间分析优势，促进桥梁病害的管理水平，为桥梁的养护提供更加直观、科学的数据支撑。

Description

一种三维空间信息系统中的桥梁病害可视化方法

技术领域：

本发明涉及一种三维空间信息系统中的桥梁病害可视化方法。

背景技术：

随着建筑信息模型(BIM)和三维可视化技术在基础设施工程中的应用，三维模型成为了主要的表达方式。除了建筑物和构造物的结构、设施等有形的是体外，越来越多的工程内容需要在三维场景中展现。

在桥梁工程的养护运维管理中，很多重要桥梁建设了三维可视化信息系统，实现了结构物和设备的空间分布、信息查询、统计分析等功能。在桥梁检测中，准确的三维模型为桥梁病害定位提供了依据和参考。但是如何在三维场景中将不同类型的病害表达出来，是很多桥梁养护运维工作中面临的新问题。本发明基于三维地理信息系统(3DGIS)，提出了病害可视化分类表达的方法。

目前病害的记录和表达大部分是表格形式，对于位置一般采用语言文字描述，由于没有明确的位置信息，难以在三维场景中定位展示。即使病害拥有位置信息，坐标值采用局部坐标系，适用性差，难以被重复利用。同时在病害三维表达中，采用构件属性来表达，不够直接明了。

发明内容

本发明的病害可视化表达是在三维地理信息系统中实现，提出了一种表达的方法和系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种三维空间信息系统中的桥梁病害可视化方法，包括以下步骤：现场采集数据、病害立方体的生成、病害形态的显示；

具体的：

现场采集数据包括病害的位置坐标和病害的形状表达；

病害的位置坐标：记录病害的位置平面采用WGS84大地坐标系，高程系采用WGS84大地坐标系大地高；

病害的形状表达：病害的形状采用病害平面形状的最小包络矩形表达，如下图。最小包络矩形分为水平面和铅垂直面两种，位于水平面的最小包络矩形Rh长、宽边分别为Lh和Wh；位于铅垂面的最小包络矩形Rv长、宽边分别为Lv和Wv，Lv平行于铅垂方向；

病害立方体的生成：引入变量T，T为预先设定的固定值，单位为米，一般取0.2-1之间。

若病害发生于平整的表面，且包络矩形Rh位于水平面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(L,W,T)，旋转矩阵

若病害发生于平整的表面，且包络矩形Rv位于铅垂面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(L,W,T)，旋转矩阵

若病害发生于连接的两个表面S1、S2，且S1为水平面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(2*L1,W,2*L2)，旋转矩阵

若病害发生于连接的两个表面S1、S2，且S1为铅垂面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(2*L1,W,2*L2)，旋转矩阵

病害形态的显示：面状病害的图形显示使用一个三维图形和构件图形求交集得到截面实现，即使用生成的长方体与三维构件模型图形求得截面。

本发明的进一步技术：

优选的，根据病害发生的区域不同，病害位置的记录也不相同，具体情况如下：

病害发生于平整的表面，病害基点坐标为病害包络矩形R的几何中心(经度l、纬度b、高程h)，病害尺寸为该包络矩形的长L和宽W。若包络矩形位于水平面内为Rh，需要记录矩形长边Wh与正北方向的夹角α，(顺时针为正，逆时针为负，取值范围-90度到90度，下同)；若包络矩形位于铅垂面内为Rv，需要记录Rv的法方向与正北方向的夹角β；

病害发生于连接的两个表面S1、S2，病害基点坐标为两个表面连接的边的中点(经度l、纬度b、高程h)，病害分别在两个表面的长度为L1和L2，病害的宽为W。若S1为水平面，需要记录W与正北方向的夹角α；若S1为铅垂面，需要记录S1的法方向与正北方向的夹角β。

本方法及系统将桥梁病害作为一个单独的对象处理，采用图形学显示技术，动态实现病害空间表达，可以直观地表达病害类型和状态。使用该方法及系统，发挥GIS的空间分析优势，促进桥梁病害的管理水平，为桥梁的养护提供更加直观、科学的数据支撑。

附图说明:

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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；

图1为总体流程；

图2为病害的最小包络矩形；

图3为图形显示控制后的结果。

具体实施结构:

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种三维空间信息系统中的桥梁病害可视化方法，如图1，在三维地理信息空间中表达一个实物，需要其空间坐标、形状、样式符号和属性信息四个要素。其中空间坐标是采用某种空间参考系的坐标值，常用的有大地坐标系(经纬度、高程)；形状是一个对象是体、面、线或点元素，具体是球、长方体、三角形、圆等形状类型；样式符号主要是指颜色、透明度、面状符号、线型符号、点状符号等样式；属性信息是记录病害发生时间、参数、图片等方面。

首先，基于三维地理信息系统实物的4各要素，对病害进行空间定位。病害采用WGS84大地坐标系记录位置，即采用经度、纬度和高程描述位置。

通过对病害实际形状的考虑，本发明中桥梁养护病害使用曲面表达。该曲面展开后为病害的最小外包矩形。由于桥梁病害大都需要构件来一起表达其特征，面状病害主要是发生在构造物表面，所以病害显示的是构件对应的部分表面。

外业病害数据采集，需要记录病害的定为基点坐标、病害尺寸、病害面法向量方向等几何信息。

通过本发现提出的计算公式，生成空间长方体。

面状病害的图形显示使用一个三维图形和构件图形求交集得到截面实现，即使用生成的长方体与三维构件模型图形求得截面。

桥梁病害的属性使用GIS软件的常用属性存储方式，即数据库和文件式两类。

本发明基于三维GIS框架Cesium制作了桥梁病害的管理和显示工具，实现病害的可视化表达。

具体步骤如下：

病害对象确定

病害不做为桥梁部件构件的一项属性存在，而是建立独立的病害对象，有其生命周期。病害与构件的关系，通过病害-构件之间建立关系表实现。

病害形状选择，如图2；

病害的形状采用病害平面形状的最小包络矩形表达，如下图。最小包络矩形分为水平面和铅垂直面两种，位于水平面的最小包络矩形Rh长、宽边分别为Lh和Wh；位于铅垂面的最小包络矩形Rv长、宽边分别为Lv和Wv，Lv平行于铅垂方向。

病害几何信息采集

记录病害的位置平面采用WGS84大地坐标系，高程系统根据实际情况决定，默认采用WGS84大地坐标系大地高。采用WGS84大地坐标系，是因为便于使用GPS定位病害位置，减少坐标转换的频率；

根据病害发生的区域不同，病害位置的记录也不相同，具体情况如下：

病害发生于平整的表面，病害基点坐标为病害包络矩形R的几何中心(经度l、纬度b、高程h)，病害尺寸为该包络矩形的长L和宽W。若包络矩形位于水平面内为Rh，需要记录矩形长边Wh与正北方向的夹角α，(顺时针为正，逆时针为负，取值范围-90度到90度，下同)；若包络矩形位于铅垂面内为Rv，需要记录Rv的法方向与正北方向的夹角β。

病害发生于连接的两个表面S1、S2，病害基点坐标为两个表面连接的边的中点(经度l、纬度b、高程h)，病害分别在两个表面的长度为L1和L2，病害的宽为W。若S1为水平面，需要记录W与正北方向的夹角α；若S1为铅垂面，需要记录S1的法方向与正北方向的夹角β。

病害立方体生成

引入变量T，T为预先设定的固定值，单位为米，一般取0.2-1之间。

若病害发生于平整的表面，且包络矩形Rh位于水平面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(L,W,T)，旋转矩阵

若病害发生于平整的表面，且包络矩形Rv位于铅垂面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(L,W,T)，旋转矩阵

若病害发生于连接的两个表面S1、S2，且S1为水平面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(2*L1,W,2*L2)，旋转矩阵

若病害发生于连接的两个表面S1、S2，且S1为铅垂面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(2*L1,W,2*L2)，旋转矩阵

病害形态显示

桥梁的病害主要包含结构裂缝、表面缺陷、变形、缺失、损坏等等方面，裂缝等病害虽然呈线状，但是考虑裂缝的宽度、脉络，使用面状表达会会更加直观与合理。总结来看病害呈现面状分布。

为实现面状病害的表达，使用空间要素叠加显示的技术实现，即病害三维体-构件三维体，如图3所示A三维体与B三维体的关系。

病害显示系统

病害的显示需要基于三维地理信息系统显示，根据桥梁病害的功能需求，制作了使用本发明病害显示方法的显示程序。实现了病害三维浏览、病害属性查阅、病害表一览等功能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种三维空间信息系统中的桥梁病害可视化方法，其特征在于：包括以下步骤：现场采集数据、病害立方体的生成、病害形态的显示；

具体的：

现场采集数据包括病害的位置坐标和病害的形状表达；

病害的位置坐标：记录病害的位置平面采用WGS84大地坐标系，高程系采用WGS84大地坐标系大地高；

病害的形状表达：病害的形状采用病害平面形状的最小包络矩形表达，如下图。最小包络矩形分为水平面和铅垂直面两种，位于水平面的最小包络矩形Rh长、宽边分别为Lh和Wh；位于铅垂面的最小包络矩形Rv长、宽边分别为Lv和Wv，Lv平行于铅垂方向；

病害立方体的生成：引入变量T，T为预先设定的固定值，单位为米，一般取0.2-1之间；

若病害发生于平整的表面，且包络矩形Rh位于水平面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(L,W,T)，旋转矩阵

若病害发生于平整的表面，且包络矩形Rv位于铅垂面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(L,W,T)，旋转矩阵

若病害发生于连接的两个表面S1、S2，且S1为水平面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(2*L1,W,2*L2)，旋转矩阵

若病害发生于连接的两个表面S1、S2，且S1为铅垂面，病害立方体C的参数为：几何中心(l，b，h)，长宽高(2*L1,W,2*L2)，旋转矩阵

病害形态的显示：面状病害的图形显示使用一个三维图形和构件图形求交集得到截面实现，即使用生成的长方体与三维构件模型图形求得截面。

2.根据权利要求1中所述的一种三维空间信息系统中的桥梁病害可视化方法，其特征在于，根据病害发生的区域不同，病害位置的记录也不相同，具体情况如下：

病害发生于平整的表面，病害基点坐标为病害包络矩形R的几何中心(经度l、纬度b、高程h)，病害尺寸为该包络矩形的长L和宽W。若包络矩形位于水平面内为Rh，需要记录矩形长边Wh与正北方向的夹角α，(顺时针为正，逆时针为负，取值范围-90度到90度，下同)；若包络矩形位于铅垂面内为Rv，需要记录Rv的法方向与正北方向的夹角β；

病害发生于连接的两个表面S1、S2，病害基点坐标为两个表面连接的边的中点(经度l、纬度b、高程h)，病害分别在两个表面的长度为L1和L2，病害的宽为W。若S1为水平面，需要记录W与正北方向的夹角α；若S1为铅垂面，需要记录S1的法方向与正北方向的夹角β。

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