CN112765720B - 基于bim+gis的水利水电工程多源数据融合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于BIM+GIS的水利水电工程多源数据融合方法，S1，在原生BIM平台中导出融合的模型进行轻量化处理；S2，采用两类多源模型数据融合；S3，在GIS软件中对倾斜摄影数据的采集、处理和融合。本发明提出了基于原生BIM平台模型处理、导入且保持模型轻量化、高质量化、系统可用性高的技术方案，解决了BIM可视化平台模型体量大、平台加载慢的问题；并验证了倾斜摄影数据从外业测绘→数据处理→数据融合的数据采集、融合、应用技术方案。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程管理“数字孪生”场景，尤其是涉及基于BIM+GIS的水利水电工程多源数据融合方法。
背景技术
BIM+GIS 技术作为工程智慧化的基础，越来越多的应用于点状和长线型水利水电工程项目中。而 BIM+GIS 技术需要融合 BIM 模型、倾斜摄影数据、地形数据、正射影像数据、GIS 坐标数据等多源数据在同一场景中，为工程打造趋近于真实的“数字孪生”场景。然而，目前行业中该技术存在的问题重要包括：1，模型数据量大：数据融合的 BIM 模型往往是由设计单位建立设计模型和施工单位建立的施工深化模型，而这两种模型数据过于复杂、体量过大，导致其往往融合后的模型失真或系统操作卡顿。2，模型数据源多样化：在项目实施的过程中，工程各参建方通常会采用不同的数据创建平台，导致工程最终搭建的工程管理平台的 BIM+GIS，一张图场景中模型数据格式不统一、编码方式不同。如何在保证模型轻量化、保留几何、属性及纹理信息的情况下，将上述所有数据在GIS 场景中高效融合，并保证系统操作流畅，是目前亟待解决的难题之一。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于BIM+GIS的水利水电工程多源数据融合方法，以保证高精度、高质量的多源数据能轻量化、无损的融入 GIS 场景，实现后续模型编码、数据库设计和系统开发工作顺利进行。
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+GIS的水利水电工程多源数据融合方法，包括下述步骤：
S1，在原生BIM平台（3DExperience BIM平台）中导出融合的模型进行轻量化处理；
S2，根据项目需求、模型格式需求、专业和场景融合要求，采用两类多源模型数据融合；第一类适用于土建类模型，第二类适用于包括土建、金属结构、机电专业模型；
第一类：
（1）从原生BIM平台（3DExperience BIM平台）导出 CATProduct/CATPart 格式模型；
（2）根据模型范围标度在第三方软件中进行相应设置，然后导入；
（3）根据模型坐标系和位置进行模型定位；
（4）在第三方软件中打开后观察是否因兼容性导致的问题，若有继续轻量化，或采用第三方平台自带功能对模型进行进一步轻量化；
（5）根据系统数据库字段设计和 GIS 平台中对模型属性的识别优化进行处理模型架构：由于管理平台中对单体模型的属性查询需求，将需查询的最小单位模型处理成Part 零件级别并保留其应有属性；
（6）对处理后的模型进行贴图和美化；
（7） 根据定位坐标，通过插件将模型转换为 BIM 数据源；
（8）在 GIS 平台中导入数据源，依据坐标融合到场景中；
第二类：
（1）从 BIM 设计平台导出 3dxml/smg 格式模型；
（2）导入CATIA Composer平台；
（3）进行模型坐标和模型架构处理，删掉空组，保留模型属性；
（4）导出 wrl 格式模型；
（5）导入3d Max平台；
（6）重新进行坐标定位；
（7）由于不同 BIM 软件识别模型的构建机制不同，需要针对导入后的模型进行再次轻量化；
（8）重新处理模型结构树架构，包括命名；
（9）模型贴图和美化；
（10）通过导出 FBX 中间格式模型，根据设计坐标系和定位坐标，或通过转换插件输入坐标系和坐标点将模型转换为数据源，最终导入到 GIS 场景中再做进一步融合；
S3，在 GIS 软件中对倾斜摄影数据的采集、处理和融合，步骤如下：
S3.1，倾斜摄影数据采集：
通过在同一无人机上搭载多台摄像机传感器，同时从竖直、倾斜不同角度采集影像，获取地面物体完整准确信息；
S3.2，倾斜摄影数据在INPHO 中进行处理，步骤如下：
S3.2.1，通过“航空摄影多传感器系统”，新建倾斜摄影工程和多传感头系统，分别设置各个方向摄像机参数；
S3.2.2，导入数据采集过程中各摄像机镜头方向的 POS 信息及影像；
S3.2.3，建立摄站，根据命名规则，将同一时间不同摄像机镜头获取的影像分类至同一摄站下，建立航带；
S3.2.4，空三处理：根据POS 精度，选择相应的匹配策略；
首先单独对垂直影像进行匹配平差处理，然后以垂直影像为基准，将垂直影像与朝北方向倾斜影像一起进行匹配平差处理，根据平差结果对残差大的连接点进行修改，局部地区连接点不足的手工添加；之后以处理过的垂直和朝北方向影像为基准，与朝西方向倾斜影像一起进行匹配平差处理；随后依次加入朝南方向倾斜影像、朝东方向倾斜影像进行平差处理；最后将垂直和倾斜影像一起进行匹配平差处理；
处理完的倾斜摄影数据包括多个包含 OSGB 数据的DATA 文件夹，一个.s3c后缀的文件以及一个 metadata.xml 的文件；其中：
（1）.s3c 文件：该文件为软件的工程文件，忽略；
（2）Data 文件夹：存放倾斜摄影三维数据的文件夹，俗称根目录；
（3）metadata.xml文件：存放倾斜摄影三维数据的坐标系和坐标值信息；
S3.2.5，生成配置文件：
在GIS软件中，根据数据处理后的DATA文件，模型参考点参考metadata.xml里面的坐标点，投影设置参考metadata.xml里的EPSG代码；
S3.2.6，压缩并单体化：
“压缩并单体化”功能是对倾斜摄影模型数据进行纹理压缩和单体化，模型数据进行纹理压缩，支持生成 S3M/S3MB 格式的结果数据；在GIS软件中选择上一步中生成的配置文件，设置数据的压缩类型，对于不同用途的数据，采用不同的纹理压缩方式，以减少纹理图像所使用的显存数量；保存类型选择“S3M”或“S3MB”；所述压缩类型包括：普通PC设备、iOS 系列设备、Android 系列设备和 iOS 系列设备，默认为“DXT（PC 设备）”；
S3.2.7，加载数据在GIS 软件中，添加上一步中生成的.scp 文件，即可显示倾斜摄影文件；而后在 GIS 场景中通过BIM 模型融合处理。
S1中，在原生BIM平台中导出融合的模型进行轻量化处理步骤为：
S1.1，删减法：
该方法通过重复依次删除对模型特征影响较小的几何元素，达到简化模型的目的；模型导出 CATProduct/CATPart 格式模型，在CATIA平台中通过镶嵌网格的方式转化为MESH，转化过程中需对镶嵌网格参数值进行调整，保证满足外形需求的同时镶嵌网格数量最小化；
S1.2，重构法：
对设计模型进行识别，识别其中的异形体，根据展示内容的具体要求，模型重构的过程主要有以下两种：
S1.2.1，对于精度要求低的局部模型，对异形体直接进行删除，用外观相似的规则形状替代原有的异形体；
S1.2.2，对于精度要求较高的局部模型，将原有的异形体用形状类似的规则曲面进行重新建立；
S1.3，采样法：
将顶点或体素添加到模型表面或模型的三维网格上，然后根据物理或几何误差测度进行顶点或体素的分布调整，最后在一定的约束条件下，生成与这些顶点或体素相匹配的简化模型；
S1.4，自适应子分法：
在优化和简化地形模型时，通过构造简化程度最高的基础网格模型，然后根据一定的规则，反复对基础网格模型的三角面片进行子分操作，依次得到细节程度更高的基础网格模型，直到基础网格模型与原始模型误差达到给定的阈值；
S1.5，多边形合并法：
通过将近似共面的三角网格面片合并成一个平面，然后对形成的平面重新三角化，实现减少顶点和面片数量的目的。
本发明优点主要体现在以下方面：
1、创新地提出了基于原生BIM （3DExperience BIM平台）平台模型处理、导入且保持模型轻量化、高质量化、系统可用性高的技术路线，并得到应用验证；
2、创新、系统的提出了一系列的普适性模型轻量化处理方法，在一定程度上解决了BIM可视化平台模型体量大、平台加载慢的问题；
3、提出并验证了倾斜摄影数据从外业测绘→数据处理→数据融合的数据采集、融合、应用技术方案，并应用于实际项目中，实用性强。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明在 GIS 平台中对倾斜摄影数据的采集、处理和融合流程图。
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所示，本发明所述基于BIM+GIS的水利水电工程多源数据融合方法，按照下述步骤进行：
S1，由于原生BIM平台（3DExperience BIM平台）模型直接导入融合至GIS平台后缺失贴图、属性等关键信息，因此需导入第三方平台进行中转处理后再融合；在原生BIM平台（3DExperience BIM平台）中导出融合的模型进行轻量化处理，步骤如下：
S1.1，删减法：
删减法是目前简化模型中最常用的一种模型简化方法，该方法通过重复依次删除对模型特征影响较小的几何元素来达到简化模型的目的；模型导出CATProduct/CATPart格式模型，在CATIA平台中通过镶嵌网格的方式转化为MESH，转化过程中需对镶嵌网格参数值进行调整。保证满足外形需求的同时镶嵌网格数量最小化；
S1.2，重构法：
由于后期处理软件中对于正圆、正多边形等正形状识别较好，而对于孔洞、不规则弧线，不规则曲面等形状识别较差，这种不规则的形状成为异形体，容易导致模型失真，在设计模型轻量化的过程中，应当避免这种形状的产生，减少异形体或将异形体转化为规则形状的过程称为模型重构；
在对设计模型轻量化之前，对设计模型进行识别，识别其中的异形体，根据展示内容的具体要求，模型重构的过程主要有以下两种：
S1.2.1，对于精度要求不高部分的局部模型，对异形体直接进行删除，用外观相似的规则形状替代原有的异形体；
S1.2.2，对于精度要求较高的局部模型，将原有的异形体用形状类似的规则曲面进行重新建立；
S1.3，采样法：
将顶点或体素添加到模型表面或模型的三维网格上，然后根据物理或几何误差测度进行顶点或体素的分布调整，最后在一定的约束条件下，生成尽可能与这些顶点或体素相匹配的简化模型；采样法适合于无折边、尖角和非连续区域的光滑曲面的简化；
S1.4，自适应子分法：
在优化和简化地形模型时，通过构造简化程度最高的基础网格模型，然后根据 一定的规则，反复对基础网格模型的三角面片进行子分操作，依次得到细节程度更高的基础网格模型，直到网格模型与原始模型误差达到给定的阈值；自适应子分法具有算法简单、实现方便等特点，但只适合于容易求出基础网格模型的一些应用（如地形网格模型简化等）；
S1.5，多边形合并法：
通过将近似共面的三角网格面片合并成一个平面，然后对形成的平面重新三角化，实现减少顶点和面片数量的目的，也被称为面片聚类；此方法多用于对地形和异形模型的处理，来减少模型顶点和面片数量，提升模型在 GIS 平台中的加载速度和效率；
S2，根据项目需求、模型格式需求、专业和场景融合要求，采用两类多源模型数据融合；由于原生BIM平台（3DExperience BIM平台）不同专业模型创建时，构建原理、以及接受的第三方平台模型构建机理不同，第一类适用于土建类模型，第二类适用于包括土建、金属结构、机电专业模型；
第一类：
（1）从 BIM 设计平台导出 CATProduct/CATPart 格式模型；
（2）根据模型范围标度在CATIA平台中进行相应设置，然后导入；
（3）根据模型坐标系和位置进行模型定位；
（4）在CATIA平台中打开后观察是否因兼容性导致的问题，若有继续轻量化，或采用第三方平台自带功能（如过滤）对模型进行进一步轻量化；
（5）根据系统数据库字段设计和 GIS 平台中对模型属性的识别优化进行处理模型架构：由于管理平台中对单体模型的属性查询需求，将需查询的最小单位模型处理成Part 零件级别并保留其应有属性；
（6）对处理后的模型进行贴图和美化；
（7） 根据定位坐标，通过插件将模型转换为 BIM 数据源；
（8）在 GIS 平台中导入数据源，依据坐标融合到场景中；
第二类：
（1）从 BIM 设计平台导出 3dxml/smg 格式模型；
（2）导入导入CATIA Composer平台；
（3）进行模型坐标和模型架构处理，删掉空组，保留模型属性；
（4）导出 wrl 格式模型；
（5）导入3d Max平台；（由于原生 BIM 平台模型构造机制及坐标问题，从原生平台直接导入3d Max平台会存在模型构造体量大和坐标不兼容问题）；
（6）重新进行坐标定位；
（7）由于不同 BIM 平台识别模型的构建机制不同，需要针对导入后的模型进行再次轻量化；
（8）重新处理模型结构树架构，包括命名；
（9）模型贴图和美化；
（10）通过导出 FBX 中间格式模型，根据设计坐标系和定位坐标，或通过转换插件输入坐标系和坐标点将模型转换为数据源，最终导入到 GIS 平台中再做进一步融合；
S3，对于倾斜摄影数据的采集、处理和融合：为攻克倾斜摄影模型数据量大、计算量大、显示缓慢的应用难题，结合采用 GIS 平台特点，本发明创新地提出一套符合长距离水利工程倾斜摄影处理方法，并在此基础上为倾斜摄影模型深入应用提供了丰富功能，包括模型加载、查询、管理、空间分析、性能优化、服务发布、多终端支持等；
如图2所示，在 GIS 平台中对倾斜摄影数据的采集、处理和融合，步骤如下：
S3.1，倾斜摄影数据采集：
倾斜摄影技术是测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，数据采集是通过在同一无人机上搭载五台摄像机，同时从竖直、倾斜不同角度采集影像，获取地面物体完整准确的信息；倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，为实景三维场景真实效果和测绘级精度提供保证；
S3.2，倾斜摄影数据在INPHO 中进行处理，步骤如下：
S3.2.1，通过“航空摄影多传感器系统”，新建倾斜摄影工程和多传感头系统，分别设置各个方向的摄像机参数；
S3.2.2，导入数据采集过程中五台摄像机的五个方向的 POS 信息及影像；
S3.2.3，建立摄站，根据命名规则将同一时间不同摄像机获取的影像分类至同一摄站下，建立航带；
S3.2.4，空三处理：根据POS 精度，选择相应的匹配策略；
首先单独对垂直影像进行匹配平差处理，然后以垂直影像为基准，将垂直影像与朝北方向倾斜影像一起进行匹配平差处理，根据平差结果对残差大的连接点进行修改，局部地区连接点不足的手工添加；之后以处理过的垂直和朝北方向影像为基准，与朝西方向倾斜影像一起进行匹配平差处理；随后依次加入朝南方向倾斜影像，朝东方向倾斜影像进行平差处理；最后将垂直和倾斜影像一起进行匹配平差处理；
处理完的倾斜摄影数据，包括多个包含 OSGB 数据的DATA 文件夹，一个.s3c后缀的文件，以及一个 metadata.xml 的文件组成；其中：
（1）.s3c 文件：该文件为软件的工程文件，可忽略；
（2）Data 文件夹：存放倾斜摄影三维数据的文件夹，俗称根目录；
（3）metadata.xml文件：存放倾斜摄影三维数据的坐标系和坐标值信息；
S3.2.5，生成配置文件：
在GIS软件中，根据数据处理后的DATA文件，模型参考点参考metadata.xml里面的坐标点，投影设置参考metadata.xml里的EPSG代码；
S3.2.6，压缩并单体化：
“压缩并单体化”功能是对倾斜摄影模型数据进行纹理压缩和单体化，模型数据进行纹理压缩，支持生成 S3M/S3MB 格式的结果数据；在GIS平台中选择上一步中生成的配置文件，设置数据的压缩类型，所述压缩类型包括：普通PC设备、iOS 系列设备、Android 系列设备和 iOS 系列设备，默认为“DXT（PC 设备）”；对于不同用途的数据，采用不同的纹理压缩方式，以减少纹理图像所使用的显存数量；保存类型选择“S3M”或“S3MB”；
S3.2.7，加载数据在GIS 软件中，添加上一步中生成的.scp 文件，即可显示倾斜摄影文件；而后在 GIS 场景中通 BIM 模型融合处理。
本发明应用范围广、效益高。具体来说，将高精度、大体量的原生BIM平台（3DExperience BIM平台）模型成功融合到 GIS 场景中，并应用于多个点状及线性水利工程管理平台中的“一张图”工程全景功能模块中，可视化展示工程建设场景或建成后场景，并通过“一张图”发起各种业务管理流程、查看工程管理信息，用于工程建设期、运维期的各管理模块，在一定程度上实现了工程的“数字孪生”。
Claims (2)
1.一种基于BIM+GIS的水利水电工程多源数据融合方法，其特征在于：包括下述步骤：
S1，在原生BIM平台中导出融合的模型进行轻量化处理；
S2，根据项目需求、模型格式需求、专业和场景融合要求，采用两类多源模型数据融合；第一类适用于土建类模型，第二类适用于包括土建、金属结构、机电专业模型；
第一类：
（1）从 原生BIM平台导出 CATProduct/CATPart 格式模型；
（2）根据模型范围标度在第三方软件中进行相应设置，然后导入CATIA平台；
（3）根据模型坐标系和位置进行模型定位；
（4）在第三方软件中打开后观察是否因兼容性导致的问题，若有继续轻量化，或采用第三方平台自带功能对模型进行进一步轻量化；
（5）根据系统数据库字段设计和 GIS 平台中对模型属性的识别优化进行处理模型架构：由于管理平台中对单体模型的属性查询需求，将需查询的最小单位模型处理成 Part零件级别并保留其应有属性；
（6）对处理后的模型进行贴图和美化；
（7） 根据定位坐标，通过插件将模型转换为 BIM 数据源；
（8）在 GIS 平台中导入数据源，依据坐标融合到场景中；
第二类：
（1）从 BIM 设计平台导出 3dxml/smg 格式模型；
（2）导入CATIA Composer平台；
（3）进行模型坐标和模型架构处理，删掉空组，保留模型属性；
（4）导出 wrl 格式模型；
（5）导入3d Max平台；
（6）重新进行坐标定位；
（7）由于不同 BIM 软件识别模型的构建机制不同，需要针对导入后的模型进行再次轻量化；
（8）重新处理模型结构树架构，包括命名；
（9）模型贴图和美化；
（10）通过导出 FBX 中间格式模型，根据设计坐标系和定位坐标，或通过转换插件输入坐标系和坐标点将模型转换为数据源，最终导入到 GIS 场景中再做进一步融合；
S3，在 GIS 软件中对倾斜摄影数据的采集、处理和融合，步骤如下：
S3.1，倾斜摄影数据采集：
通过在同一无人机上搭载多台摄像机传感器，同时从竖直、倾斜不同角度采集影像，获取地面物体完整准确信息；
S3.2，倾斜摄影数据在INPHO 中进行处理，步骤如下：
S3.2.1，通过“航空摄影多传感器系统”，新建倾斜摄影工程和多传感头系统，分别设置各个方向摄像机参数；
S3.2.2，导入数据采集过程中各摄像机镜头方向的 POS 信息及影像；
S3.2.3，建立摄站，根据命名规则，将同一时间不同摄像机镜头获取的影像分类至同一摄站下，建立航带；
S3.2.4，空三处理：根据POS 精度，选择相应的匹配策略；
首先单独对垂直影像进行匹配平差处理，然后以垂直影像为基准，将垂直影像与朝北方向倾斜影像一起进行匹配平差处理，根据平差结果对残差大的连接点进行修改，局部地区连接点不足的手工添加；之后以处理过的垂直和朝北方向影像为基准，与朝西方向倾斜影像一起进行匹配平差处理；随后依次加入朝南方向倾斜影像、朝东方向倾斜影像进行平差处理；最后将垂直和倾斜影像一起进行匹配平差处理；
处理完的倾斜摄影数据包括多个包含 OSGB 数据的DATA 文件夹，一个.s3c后缀的文件以及一个 metadata.xml 的文件；其中：
（1）.s3c 文件：该文件为软件的工程文件，忽略；
（2）Data 文件夹：存放倾斜摄影三维数据的文件夹，俗称根目录；
（3）metadata.xml文件：存放倾斜摄影三维数据的坐标系和坐标值信息；
S3.2.5，生成配置文件：
在GIS软件中，根据数据处理后的DATA文件，模型参考点参考metadata.xml里面的坐标点，投影设置参考metadata.xml里的EPSG代码；
S3.2.6，压缩并单体化：
“压缩并单体化”功能是对倾斜摄影模型数据进行纹理压缩和单体化，模型数据进行纹理压缩，支持生成 S3M/S3MB 格式的结果数据；在GIS软件中选择上一步中生成的配置文件，设置数据的压缩类型，对于不同用途的数据，采用不同的纹理压缩方式，以减少纹理图像所使用的显存数量；保存类型选择“S3M”或“S3MB”；所述压缩类型包括：普通PC设备、iOS系列设备、Android 系列设备和 iOS 系列设备，默认为“DXT（PC 设备）”；
S3.2.7，加载数据在GIS 软件中，添加上一步中生成的.scp 文件，即可显示倾斜摄影文件；而后在 GIS 场景中通过BIM 模型融合处理。
2.根据权利要求1所述基于BIM+GIS的水利水电工程多源数据融合方法，其特征在于：S1中，在原生BIM平台中导出融合的模型进行轻量化处理步骤为：
S1.1，删减法：
该方法通过重复依次删除对模型特征影响较小的几何元素，达到简化模型的目的；模型导出 CATProduct/CATPart 格式模型，在第三方软件中通过镶嵌网格的方式转化为MESH，转化过程中需对镶嵌网格参数值进行调整，保证满足外形需求的同时镶嵌网格数量最小化；
S1.2，重构法：
对设计模型进行识别，识别其中的异形体，根据展示内容的具体要求，模型重构的过程主要有以下两种：
S1.2.1，对于精度要求低的局部模型，对异形体直接进行删除，用外观相似的规则形状替代原有的异形体；
S1.2.2，对于精度要求较高的局部模型，将原有的异形体用形状类似的规则曲面进行重新建立；
S1.3，采样法：
将顶点或体素添加到模型表面或模型的三维网格上，然后根据物理或几何误差测度进行顶点或体素的分布调整，最后在一定的约束条件下，生成与这些顶点或体素相匹配的简化模型；
S1.4，自适应子分法：
在优化和简化地形模型时，通过构造简化程度最高的基础网格模型，然后根据一定的规则，反复对基础网格模型的三角面片进行子分操作，依次得到细节程度更高的基础网格模型，直到基础网格模型与原始模型误差达到给定的阈值；
S1.5，多边形合并法：
通过将近似共面的三角网格面片合并成一个平面，然后对形成的平面重新三角化，实现减少顶点和面片数量的目的。
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