CN113449363A - 一种面向数值模拟的大规模城市模型可计算处理方法 - Google Patents

一种面向数值模拟的大规模城市模型可计算处理方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种面向数值模拟的大规模城市模型可计算处理方法，该方法属于计算机辅助工程领域。为了给数值模拟计算提供大规模城市的可计算模型，需要具备面向大空间尺度、海量数据、频繁更新的城市快速可计算建模能力，但由于数据采集过程中存在的误差，以及模型处理所做的必要的简化操作，导致直接生成的数字城市模型中存在大量非闭合、相接、相交、悬空等CAD模型缺陷，使得城市模型不可用于数值模拟。本方法通过分析城市模型中所涉及的CAD模型缺陷类型，提出一种满足可计算条件的处理方法，这种方法避免了传统的人工操作和CAD布尔运算。本发明能够快速生成建模结果且满足后续数值模拟计算的网格划分要求，在建模效率、模型规模和可计算性等方面均能满足高性能计算的要求。具有跨平台、可扩展的特性。

Description

一种面向数值模拟的大规模城市模型可计算处理方法
技术领域
本发明属于计算机辅助工程领域，具体涉及一种面向数值模拟的大规模城市模型可计算处理方法。
背景技术
本发明针对数值模拟前处理过程中对数字城市可计算建模的需求，可计算数字城市模型即可用于做数值模拟计算的CAD模型。城市可计算模型扩展了数字城市的应用领域，使城市模型可用于自然灾害、战争破坏效应研究和环境模拟研究，在解决重大领域问题、提高管理和决策的科学性和高效性等方面发挥着重大作用。作为贯穿整个智慧城市建设的重要技术，数字城市建模是计算机视觉、计算机图形学、遥感测量等领域的热点问题。
为了给数值模拟软件提供大规模城市的可计算模型，不仅需要具有面向大空间尺度、海量数据、频繁更新的城市的快速建模能力，还需要使模型满足特定的可计算要求，如不允许存在实体相交、悬边、悬面、非闭合体、二次曲面等，且对不影响计算结果的细小特征进行化简。但由于数据采集过程中存在的误差，以及模型处理所做的必要的简化操作，导致直接生成的数字城市模型中存在大量非闭合、相接、相交、悬空等CAD模型缺陷，使得城市模型不可用于数值模拟。由于城市模型的数据量巨大，不可能通过人工方式修复有缺陷的几何体。即使使用商用CAD软件的修复功能，图形的布尔运算仍需要耗费大量时间，无法满足快速构建大规模城市可计算模型的需要。
本发明提出的面向数值模拟的大规模城市可计算建模方法，重点研究模型数据的可计算处理。通过分析城市模型中所包含的CAD模型缺陷，给出了几何图形需满足的可计算条件以及处理方法，避免了传统数值模拟前处理过程中的人工操作和CAD布尔运算，使得在建模效率、模型规模和可计算性等方面均能满足高性能计算的要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种面向数值模拟的大规模城市模型可计算处理方法。采用本发明能够有效消除建筑与建筑、建筑与地形之间的相交、相接和裂缝，避免城市模型的CAD模型缺陷，并输出可供数值模拟软件使用的可计算城市模型。
本发明的应用面向数值模拟可计算建模，依次包括如下内容：
A、建筑轮廓简化：通过减少建筑轮廓顶点数量以及减少三维建筑模型的细节特征和面片数，使简化后的建筑轮廓与原建筑轮廓尽量保持形状一致；
B、自相交检测：通过对建筑轮廓的多边形构造直线方程，判断直线方程的交点所构造的新多边形顶点是否在原多边形内部，如果均在原多边形内部，则不存在自相交，进入步骤C，否则建筑轮廓存在自相交的情况，进入步骤G；
C、相交检测：判断两个不同的建筑轮廓之间是否存在相交的情况，不存在则进入步骤G,存在则进入步骤E；
D、相接检测：判断两个不同的建筑轮廓之间是否存在相接的情况，不存在则进入步骤G,存在则进入步骤E；
E、建筑轮廓收缩：通过将建筑轮廓收缩指定的距离（即安全缓冲距离），即从建筑轮廓顶点沿角平分线方向向建筑轮廓内部平移一定的距离，实现建筑轮廓收缩，完成后进入步骤F，继续判定建筑之间是否存在相交相接的情况，直到所有建筑完成检测与处理；
F、相交和相接检测：经过步骤F之后继续判断两个不同的建筑轮廓之间是否存在相交或相接的情况，不存在则通过检测，进入步骤H，存在则进入步骤G；
G、建筑删除：从建筑集合中删除未通过相交或相接检测的建筑单体；从建筑集合中删除未通过高度检查的建筑单体；
H、地形贴合：通过计算建筑所在的地表海拔高度，即从建筑顶点发出垂直射线向地形三角网投影，并计算投影点所在的三角面片，实现建筑单体底部与地形三角网贴合，使得所有建筑都无缝贴合在地表模型上；
I、高度检查：判断建筑轮廓所有顶点的海拔高度是否一致且顶点在合法的坐标范围内，通过则进入步骤J，未通过则进入步骤G；
J、建模结果输出，包括可计算建筑单体以及与单体贴合的可计算地形；本发明的方法中步骤A、B、G中多种数据源的识别与融合，共同作为建模结果的输入。
本发明的方法中步骤A通过减少建筑轮廓顶点数量以及减少三维建筑模型的细节特征和面片数，减少原始模型的冗余和绝大部分几何潜在错误。简化后的建筑轮廓与原建筑轮廓需保持形状一致。
本发明的方法中步骤B、C、D对建筑单体模型进行自相交检测以及建筑单体之间的相交相接检测，避免建筑之间由于数据误差产生的重叠，通过步骤E对未通过检测的建筑单体模型进行处理。
本发明的方法中步骤H实现建筑单体模型底部与地形三角网贴合，使得所有建筑都无缝贴合在地表模型上。
附图说明
图1为本发明的面向数值模拟的大规模城市模型可计算处理方法结构框图
图2为本发明进行建筑单体模型轮廓简化方法的流程图
图3为本发明进行轮廓简化过程中的平行边简化示意图
图4 为本发明进行轮廓简化过程中的非平行边简化示意图
图5 为本发明进行轮廓简化过程中的锐角简化示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加简明易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。
实施例一：
图1为本发明面向数值模拟的大规模城市模型可计算处理方法结构框图，从图中可以看出：
步骤101：获取建筑单体模型的几何轮廓，为后续步骤提供原始模型输入；
步骤102：通过减少建筑轮廓顶点数量以及减少三维建筑模型的细节特征和面片数，使简化后的建筑轮廓与原建筑轮廓尽量保持形状一致；
步骤103：通过对建筑轮廓的多边形构造直线方程，判断直线方程的交点所构造的新多边形顶点是否在原多边形内部；
步骤104：判断两个不同的建筑轮廓之间是否存在相交或相接的情况；
步骤105：通过将建筑轮廓收缩指定的距离（即安全缓冲距离），即从建筑轮廓顶点沿角平分线方向向建筑轮廓内部平移一定的距离，实现建筑轮廓收缩；
步骤106：从建筑集合中删除未通过相交或相接检测的建筑单体；或者从建筑集合中删除未通过高度检查的建筑单体；
步骤107：获取地形三角网模型，作为建筑单体模型与地形进行匹配的输入；
步骤108：通过计算建筑所在的地表海拔高度，即从建筑顶点发出垂直射线向地形三角网投影，并计算投影点所在的三角面片，实现建筑单体底部与地形三角网贴合，使得所有建筑都无缝贴合在地表模型上；
步骤109：判断建筑轮廓所有顶点的海拔高度是否一致且顶点在合法的坐标范围内；
步骤110：用于对建模结果进行输出，提供给后续数值模拟软件进行计算或其他应用。
实施例二：
图2为本发明进行建筑单体模型轮廓简化方法的流程图，从图中可以看出：
步骤201：获取建筑单体模型的几何轮廓，为后续步骤提供原始模型输入；
步骤202：从目标边两条邻边的位置关系来考虑建筑轮廓简化问题。通过平行边检测，检查相邻两条边是否平行，若平行则进入步骤203，否则进入步骤204；
步骤203：对平行边进行简化，简化方式参考图3，图中蓝色高亮的边为新增加的边，红色高亮的边为待删除的边,完成后进入步骤205；
步骤204：对非平行边进行简化，简化方式参考图4，图中蓝色高亮的边为新增加的边，红色高亮的边为待删除的边，完成后进入步骤205；
步骤205：对建筑轮廓中的相邻边存在锐角的情况进行检测，若包两条边包含锐角，进入步骤206，否则进入步骤207；
步骤206：对包含锐角边进行简化，简化方式参考图5，图中蓝色高亮的边为新增加的边，红色高亮的边为待删除的边，完成后进入步骤207；
步骤207：对完成上述步骤的轮廓简化结果进行暂存，对整个模型中的其他轮廓边继续从步骤202开始执行，直到模型中的所有轮廓边完成检测与简化。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了便于理解，将其表述为一系列动作的组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不完全受到所描述动作顺序的限制，某些步骤可以同时进行。
以上对本发明所提供的一种面向CAD缺陷分析的可计算城市建模方法进行了详细的介绍。本发明的优点在于，以大规模数字城市中的建筑单体模型与地形网格模型为输入，将其中存在的大量非闭合、相接、相交、悬空等CAD模型缺陷进行分析，通过消除建筑与建筑、建筑与地形之间的相交、相接和裂缝，避免了传统数值模拟前处理过程中通过商业软件进行人工修复的低效率模式，使得城市模型在建模效率、模型规模和可计算性等方面均能满足高性能数值模拟计算的要求。该方法具有普适性，故可用于实际的软件或系统中。综上所述，以上具体实施方式仅用于说明本发明，而不应该被理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种面向数值模拟的大规模城市模型可计算处理方法，其特征在于，依次包括如下内容：
A、建筑轮廓简化单元：通过减少建筑轮廓顶点数量以及减少三维建筑模型的细节特征和面片数，使简化后的建筑轮廓与原建筑轮廓尽量保持形状一致；
B、自相交检测单元：通过对建筑轮廓的多边形构造直线方程，判断直线方程的交点所构造的新多边形顶点是否在原多边形内部，如果均在原多边形内部，则不存在自相交，进入步骤C，否则建筑轮廓存在自相交的情况，进入步骤G；
C、相交检测单元：判断两个不同的建筑轮廓之间是否存在相交的情况，不存在则进入步骤G,存在则进入步骤E；
D、相接检测单元：判断两个不同的建筑轮廓之间是否存在相接的情况，不存在则进入步骤G,存在则进入步骤E；
E、建筑轮廓收缩单元：通过将建筑轮廓收缩指定的距离(即安全缓冲距离)，即从建筑轮廓顶点沿角平分线方向向建筑轮廓内部平移一定的距离，实现建筑轮廓收缩，完成后进入步骤F，继续判定建筑之间是否存在相交相接的情况，直到所有建筑完成检测与处理；
F、相交和相接检测单元：经过步骤F之后继续判断两个不同的建筑轮廓之间是否存在相交或相接的情况，不存在则通过检测，进入步骤H，存在则进入步骤G；
G、建筑删除单元：从建筑集合中删除未通过相交或相接检测的建筑单体；从建筑集合中删除未通过高度检查的建筑单体；
H、地形贴合单元：通过计算建筑所在的地表海拔高度，即从建筑顶点发出垂直射线向地形三角网投影，并计算投影点所在的三角面片，实现建筑单体底部与地形三角网贴合，使得所有建筑都无缝贴合在地表模型上；
I、高度检查单元：判断建筑轮廓所有顶点的海拔高度是否一致且顶点在合法的坐标范围内，通过则进入步骤J，未通过则进入步骤G；
J、建模结果输出单元，包括可计算建筑单体以及与单体贴合的可计算地形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A通过减少建筑轮廓顶点数量以及减少三维建筑模型的细节特征和面片数，减少原始模型的冗余和绝大部分几何潜在错误。简化后的建筑轮廓与原建筑轮廓需保持形状一致。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B、C、D对建筑单体模型进行自相交检测以及建筑单体之间的相交相接检测，避免建筑之间由于数据误差产生的重叠，通过步骤E对未通过检测的建筑单体模型进行处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤H实现建筑单体模型底部与地形三角网贴合，使得所有建筑都无缝贴合在地表模型上。
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