CN112395794A - 一种基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法 - Google Patents

一种基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，包括步骤获取边坡计算的范围面；对边坡计算的范围面进行格网化分割；对格网化分割后的微分单元进行逐单元剖分运算，获得各微分单元的投影面与该投影面属性；基于各微分单元的投影面属性，构建三维体块单元；验证各三维体块单元的顶点重合误差，对体块单元进行合并构建完整的边坡模型。其显著效果是：不受数据类型、边坡设计类型限制，能减少60％‑70％的时间；便于直观快速得到方案效果，发现设计方案缺陷，降低方案调整频次。

Description

一种基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法
技术领域
本发明涉及到三维模型建模技术领域，具体涉及一种基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法。
背景技术
随着城镇化进程的不断推进，城市规模不断向外拓张，在实际建设工程中，对山体开挖和边坡修整的需求越来越强烈。在边坡工程设计、施工、管理过程中，构建外观逼真精细的边坡三维模型能够使设计部门、施工单位、管理部门更加直观了解工程各个部位的详细情况和效果，减少沟通成本和提高设计方案的执行效率。
目前，构建边坡三维模型主要方法是依据地质资料、地形图资料和工程建设需求设计出边坡相关参数，然后利用这些参数在AutoDesk 3DMax、Trimble Sketchup等建模软件中手工操作构建边坡三维模型。这种方法在应对项目需求变化、设计方案调整的响应方面存在不足：(1)建模软件既不能使用地理空间坐标系统，也不能兼容项目实地的地理信息空间数据。此外，工程人员实地踏勘采集的数据也不能准确的叠加到边坡三维模型上，不便于验证和检查边坡设计方案。(2)对于边坡设计方案相关参数的调整，只能根据调整以后的参数在建模软件人工调整修改边坡模型，人工建模的效率相对较低，多次方案调整修改后，人工建模就成为了影响设计工作效率的主要制约因素。
因此，本发明提出一种基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，该方法可快速响应参数变化，自动完成三维建模。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，该方法基于对不规则地理空间范围网格化剖分规则，结合网格剖分的结果进行逐单元运算，再对各个网格计算结果进行合并重组优化形成最终边坡模型。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，其关键在于：包括如下步骤：
步骤1：获取边坡计算的范围面；
步骤2：对边坡计算的范围面进行格网化分割；
步骤3：对格网化分割后的微分单元进行逐单元剖分运算，获得各微分单元的投影面与该投影面属性；
步骤4：基于各微分单元的投影面属性，构建三维体块单元；
步骤5：验证各三维体块单元的顶点重合误差，对三维体块单元进行合并构建完整的三维边坡模型。
进一步的，步骤1中所述获取边坡计算的范围面的具体步骤如下：
步骤1.1：根据边坡的设计参数构建边坡基本横断面，并获得基于该边坡基本横断面的折线的起点高程和终点高程；
步骤1.2：利用边坡基本横断面线沿边坡面纵向按固定步长逐步推进，计算横断面线与地形表面的交点坐标，并形成交点数据集合；
步骤1.3：根据交点数据集中的交点空间位置关系，对交点数据集合中所有非自相交点按顺时针或者逆时针顺序逐点连接，形成拓扑正确的三维矢量面即边坡计算的范围面。
进一步的，步骤2中对边坡计算的范围面进行格网化分割的具体步骤如下：
步骤2.1：按照固定长宽的正多边形将边坡计算的范围面细化剖分为多个微分单元，并将临近边界线的不规则多边形扩充为所述正多边形；
步骤2.2：根据各个微分单元的坐标，把所有微分单元绘制在地理空间三维场景中；
步骤2.3：叠加边坡计算范围的边界线，对微分单元的绘制结果进行叠合情况验证，直至细化剖分结果满足要求。
进一步的，对微分单元的绘制结果进行叠合情况验证的步骤如下：
计算所有微分单元的总面积和边坡计算范围；
比较计算微分单元的总面积与边坡计算范围的误差范围；
将误差范围与第一预设阈值进行比较，若误差范围大于第一预设阈值则优化调整剖分长宽距离后再次进行细化剖分，若误差范围不大于第一预设阈值则细化剖分结果满足要求。
进一步的，步骤3中将网格剖分进行逐单元计算的步骤如下：
步骤3.1：基于边坡横断面线与边坡计算的范围面边界线，构建三维不规则边坡表面；
步骤3.2：根据步骤2的格网化分割结果，逐单元计算每个微分单元的角点坐标；
步骤3.3：将计算所得的各微分单元的角点坐标投影到所述三维不规则边坡表面；
步骤3.4：根据各微分单元在所述三维不规则边坡表面的投影位置，获得其投影面属性。
进一步的，步骤4中构建三维体块单元的步骤如下：
步骤4.1：对投影面属性相同的各个微分单元按照空间相邻关系，逐步合并相邻微分单元，同一属性的各个微分单元形成一个空间矢量面；
步骤4.2：所有属性相同的微分单元合并完成以后，将形成的不同属性的空间矢量面投影到边坡横断面，获得投影面；
步骤4.3：基于所述空间矢量面、投影面与四个投影侧面构建形成呈六面体的三维体块单元。
进一步的，步骤5中构建完整的边坡模型的步骤如下：
步骤5.1：从边坡的顶部开始，计算两个相邻三维体块单元的相邻面的节点距离；
步骤5.2：将计算所得的节点距离与第二预设阈值进行比较，若节点距离小于第二预设阈值则将两个相邻三维体块单元进行合并，并去除合并后的公共面形成新的三维体块单元；
步骤5.3：重复步骤5.1-5.2，直至形成一个完整的初始边坡三维模型；
步骤5.4：对初始边坡三维模型中具有贴图纹理信息的面赋予贴图，得到表面带有贴图纹理的所需完整边坡体三维模型。
进一步的，所述边坡设计参数包括边坡地基基准高程、边坡角度、边坡级数、各级平台宽度、排水沟宽度。
本发明的显著效果是：
(1)本方法具有良好的兼容性，其基于统一的三维地理空间基础环境，不受数据类型、边坡设计类型限制，对于不同类型、不同区域的边坡模型构建具有良好兼容性。
(2)本方法具有较高的建模效率，与传统的手工制作边坡模型方法相比，本方法能根据工程需求变更、设计方案调整快速自动重建边坡三维模型，对于一般复杂度的边坡模型，能减少60％-70％的时间。
(3)本方法构建的成果模型具有真实的三维地理空间坐标，可以与项目施工人员现场勘查采集的空间坐标观测数据进行叠合，便于直观快速得到方案效果，发现设计方案缺陷，降低方案调整频次。
(4)本方法支持针对同一工程的不同设计方案能够快速生成多种边坡模型，方便比较各个边坡设计方案的优劣，便于选取最优边坡设计方案。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是地形表面交点示意图；
图3是微分单元在边坡面上的位置示意图；
图4是边坡面生成示意图；
图5是微分单元投影与属性获取示意图；
图6是微分单元合并示意图；
图7是三维体块单元构成示意图；
图8是生成的完整边坡体三维模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，具体步骤如下：
步骤1：获取边坡计算的范围面；
所述获取边坡计算的范围面的具体步骤如下：
步骤1.1：根据边坡地基基准高程、边坡角度、边坡级数、各级平台宽度、排水沟宽度等边坡设计参数构建边坡基本横断面，并获得基于该边坡基本横断面的折线的起点高程和终点高程，其中，起点高程为边坡配套工程地基基准高程，终点高程略大于山体最大高程；
步骤1.2：利用边坡基本横断面线沿边坡面纵向按固定步长逐步推进，计算横断面线与地形表面的交点坐标，如图2所示，并记录各个交点(x,y,z)坐标值，形成交点数据集合；
如一条基本横断面线采样点坐标(x0，y0，z0)，通过该采样点沿Z轴方向的直线与地形表面交点坐标(x0,y0,dz0)。采样点(x0,y0,z0)与交点(x0,y0,dz0)的距离公式：
ΔL0＝|dz0-z0|
若ΔL0>0.05，则继续在横断面线采样点(xn，yn，zn)，直至ΔLn<0.05，采样点(xn，yn，zn)即为横断面线与地形表面的交点。计算公式中各个参数双精度小数点后6位，对ΔL0阈值为0.05米。
步骤1.3：计算完所有交点以后，根据交点数据集中的交点空间位置关系，对交点数据集合中所有非自相交点按顺时针或者逆时针顺序逐点连接，形成拓扑正确的三维矢量面即边坡计算的范围面。
步骤2：对边坡计算的范围面进行格网化分割，步骤如下：
步骤2.1：按照固定长宽的正多边形将边坡计算的范围面细化剖分为多个微分单元，并将临近边界线的不规则多边形扩充为所述正多边形，如图3所示；
计算微分单元起始可以从边坡计算范围边界线的某个节点开始，再逐步沿着X、Y两个方向搜索计算，计算完全部边坡计算范围为止。
计算每个微分单元同时，记录各个微分单元四个顶点三维空间坐标，并存储在一个空间坐标数据集合中。
步骤2.2：根据各个微分单元的坐标，把所有微分单元绘制在地理空间三维场景中；
步骤2.3：叠加边坡计算范围的边界线，对微分单元的绘制结果进行叠合情况验证，直至细化剖分结果满足要求。
进一步的，对微分单元的绘制结果进行叠合情况验证的步骤如下：
计算所有微分单元的总面积S1和边坡计算范围S0；
比较计算微分单元的总面积与边坡计算范围的误差范围；
计算公式如下：
Figure BDA0002782312670000081
将误差范围ΔS与第一预设阈值T1进行比较，若误差范围ΔS大于第一预设阈值T1，则微分结果不合格，需要优化细化剖分单元，可以调整剖分长宽距离，再次进行微分计算，直到细化剖分结果满意为止，若误差范围ΔS不大于第一预设阈值T1则细化剖分结果满足要求。
本例中所述第一预设阈值T1取为5％。
步骤3：对格网化分割后的微分单元进行逐单元剖分运算，获得各微分单元的投影面与该投影面属性；
具体步骤如下：
步骤3.1：基于边坡横断面线与边坡计算的范围面边界线，构建三维不规则边坡表面；
所述三维不规则边坡表面的构建步骤如下：
沿边坡纵线方向，按一定间隔距离(如1米)，横断面线逐次与边坡计算范围边界线获取交点，交点处截断横断面线，得到一组三维空间的横断面线，这些线组成一个三维空间不规则边坡表面，如图4所示。
步骤3.2：根据步骤2的格网化分割结果，逐单元计算每个微分单元的角点坐标；
步骤3.3：将计算所得的各微分单元的角点坐标投影到所述三维不规则边坡表面；
步骤3.4：根据各微分单元在所述三维不规则边坡表面的投影位置，获得其投影面属性(如：排水沟、挡墙、边坡、边坡平台等)，如图5所示。
步骤4：基于各微分单元的投影面属性，构建三维体块单元；
三维体块单元的构建步骤如下：
步骤4.1：对投影面属性相同的各个微分单元按照空间相邻关系，逐步合并相邻微分单元，同一属性的各个微分单元形成一个空间矢量面，如图6所示；
步骤4.2：所有属性相同的微分单元合并完成以后，会形成几个属性均不相同的矢量面(如：排水沟面、挡墙面、一级边坡面、一级边坡平台面、二级边坡面、二级边坡平台面等)，将形成的不同属性的空间矢量面投影到边坡横断面，获得投影面；
步骤4.3：基于所述空间矢量面、投影面与投影关系的四个侧面构建形成呈六面体的三维体块单元，如图7所示。
步骤5：验证各三维体块单元的顶点重合误差，对三维体块单元进行合并构建完整的三维边坡模型，具体步骤如下：
步骤5.1：从边坡的顶部开始，计算两个相邻三维体块单元的相邻面的节点距离；
相邻面节点距离公式如下：
Figure BDA0002782312670000091
其中，(x0，y0，Z0)为其中一个三维体块单元相邻面的节点坐标，(x1，y1，Z1)为另一个三维体块单元相邻面的节点坐标。
步骤5.2：将计算所得的节点距离与第二预设阈值进行比较，若节点距离小于第二预设阈值则将两个相邻三维体块单元进行合并，并去除合并后的公共面形成新的三维体块单元；
步骤5.3：重复步骤5.1-5.2，直至形成一个完整的初始边坡三维模型；
步骤5.4：对初始边坡三维模型中具有贴图纹理信息的面赋予贴图如：排水沟纹理、挡墙纹理、一级边坡纹理、一级边坡平台纹理、二级边坡纹理、二级边坡平台纹理等)，得到表面带有贴图纹理的所需完整边坡体三维模型，如图8所示。
本实施例基于对不规则地理空间范围网格化剖分规则，结合网格剖分的结果进行逐单元运算，再对各个网格计算结果进行合并重组优化形成最终边坡模型。从而不受数据类型、边坡设计类型限制，与传统的手工制作边坡模型方法相比，本方法能根据工程需求变更、设计方案调整快速自动重建边坡三维模型，对于一般复杂度的边坡模型，能减少60％-70％的时间；同时还由于具有真实的三维地理空间坐标，可以与项目施工人员现场勘查采集的空间坐标观测数据进行叠合，便于直观快速得到方案效果，发现设计方案缺陷，降低方案调整频次。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取边坡计算的范围面；
步骤2：对边坡计算的范围面进行格网化分割；
步骤3：对格网化分割后的微分单元进行逐单元剖分运算，获得各微分单元的投影面与该投影面属性；
步骤4：基于各微分单元的投影面属性，构建三维体块单元；
步骤5：验证各三维体块单元的顶点重合误差，对三维体块单元进行合并构建完整的三维边坡模型。
2.根据权利要求1所述的基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，其特征在于，步骤1中所述获取边坡计算的范围面的具体步骤如下：
步骤1.1：根据边坡的设计参数构建边坡基本横断面，并获得基于该边坡基本横断面的折线的起点高程和终点高程；
步骤1.2：利用边坡基本横断面线沿边坡面纵向按固定步长逐步推进，计算横断面线与地形表面的交点坐标，并形成交点数据集合；
步骤1.3：根据交点数据集中的交点空间位置关系，对交点数据集合中所有非自相交点按顺时针或者逆时针顺序逐点连接，形成拓扑正确的三维矢量面即边坡计算的范围面。
3.根据权利要求1所述的基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，其特征在于，步骤2中对边坡计算的范围面进行格网化分割的具体步骤如下：
步骤2.1：按照固定长宽的正多边形将边坡计算的范围面细化剖分为多个微分单元，并将临近边界线的不规则多边形扩充为所述正多边形；
步骤2.2：根据各个微分单元的坐标，把所有微分单元绘制在地理空间三维场景中；
步骤2.3：叠加边坡计算范围的边界线，对微分单元的绘制结果进行叠合情况验证，直至细化剖分结果满足要求。
4.根据权利要求3所述的基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，其特征在于，对微分单元的绘制结果进行叠合情况验证的步骤如下：
计算所有微分单元的总面积和边坡计算范围；
比较计算微分单元的总面积与边坡计算范围的误差范围；
将误差范围与第一预设阈值进行比较，若误差范围大于第一预设阈值则优化调整剖分长宽距离后再次进行细化剖分，若误差范围不大于第一预设阈值则细化剖分结果满足要求。
5.根据权利要求1所述的基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，其特征在于，步骤3中将网格剖分进行逐单元计算的步骤如下：
步骤3.1：基于边坡横断面线与边坡计算的范围面边界线，构建三维不规则边坡表面；
步骤3.2：根据步骤2的格网化分割结果，逐单元计算每个微分单元的角点坐标；
步骤3.3：将计算所得的各微分单元的角点坐标投影到所述三维不规则边坡表面；
步骤3.4：根据各微分单元在所述三维不规则边坡表面的投影位置，获得其投影面属性。
6.根据权利要求1所述的基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，其特征在于，步骤4中构建三维体块单元的步骤如下：
步骤4.1：对投影面属性相同的各个微分单元按照空间相邻关系，逐步合并相邻微分单元，同一属性的各个微分单元形成一个空间矢量面；
步骤4.2：所有属性相同的微分单元合并完成以后，将形成的不同属性的空间矢量面投影到边坡横断面，获得投影面；
步骤4.3：基于所述空间矢量面、投影面与四个投影侧面构建形成呈六面体的三维体块单元。
7.根据权利要求1所述的基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，其特征在于，步骤5中构建完整的边坡模型的步骤如下：
步骤5.1：从边坡的顶部开始，计算两个相邻三维体块单元的相邻面的节点距离；
步骤5.2：将计算所得的节点距离与第二预设阈值进行比较，若节点距离小于第二预设阈值则将两个相邻三维体块单元进行合并，并去除合并后的公共面形成新的三维体块单元；
步骤5.3：重复步骤5.1-5.2，直至形成一个完整的初始边坡三维模型；
步骤5.4：对初始边坡三维模型中具有贴图纹理信息的面赋予贴图，得到表面带有贴图纹理的所需完整边坡体三维模型。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于剖分技术的参数化边坡模型自动构建方法，其特征在于，所述边坡设计参数包括边坡地基基准高程、边坡角度、边坡级数、各级平台宽度、排水沟宽度。
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