CN113627038A - 管网排水增强可视化方法及装置、存储介质、电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管网排水增强可视化方法及装置、存储介质、电子设备。其中，该方法包括：获取移动终端的地理位置和相机视角；根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型；从所述数据服务器获取所述地下管网三维模型的传感器监测数据；根据所述传感器监测数据从管道外部视角渲染所述地下管网三维模型的水体分布，以及从管道内部视角渲染所述地下管网三维模型的水面形态；融合所述地下管网三维模型、动态水体和所述移动终端拍摄的实景图像，以显示管网排水的增强现实影像。通过本发明，解决了在地下管网排水增强现实可视化中地下管网三维模型的渲染效果差，以及管道排水模拟不逼真的技术问题。

Description

管网排水增强可视化方法及装置、存储介质、电子设备

技术领域

本发明涉及计算机领域，具体而言，涉及一种管网排水增强可视化方法及装置、存储介质、电子设备。

背景技术

相关技术中，随着国民经济的快速发展以及社会的不断进步，城市的建设不仅在向高空方向延伸，也在向地下方向发展。城市地下设施由于其空间位置分布于地下不易被人察觉，使得工程建设开挖、城市地下规划、灾害应急等极为困难。地下管网是最重要的城市地下设施之一，近年来城市化建设的不断加快，地下管网建设更新频率大大增加，使得地下管网具有类型繁多、范围广泛、布局复杂和变化速度快等特点。随着全球气候紊乱，导致极端自然灾害频发，其中城市内涝灾害与地下管网排水状况密切相关。对于应急救援人员而言，直观掌握地下管网排水状况对提高评估救援效率具有重要意义。

增强现实（Augmented Reality，AR）技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术现实影像的基础上，通常基于移动端摄像头影像实时叠加三维模型实现。AR可以将隐秘的信息与真实场景信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。基于AR的地下管网排水模拟可以清晰地展现当前位置的地下管网分布以及管道内部排水状态，对于城市内涝灾害情况下的快速应急疏通、救援决策等具有重要意义。

基于AR的地下管网排水模拟包括两个部分：地下管网三维模型和管道水体模拟，具有以下难点：（1）地下管网三维模型拓扑不连通。传统管道接头三维建模由多个部件组成，如胶囊、球体等，各个部件相互独立交叉，导致接头内部封闭不连通，难以进行水流拓扑分析。（2）管道水体动态渲染效果不佳。传统地下管网增强现实可视化方法，很难让用户真实获取管道排水的流速、流量等重要参数信息，且渲染效果不够逼真。

针对相关技术中存在的上述问题，目前尚未发现有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种管网排水增强可视化方法及装置、存储介质、电子设备。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种管网排水增强可视化方法，包括：获取移动终端的地理位置和相机视角；根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型；从所述数据服务器获取所述地下管网三维模型的传感器监测数据；根据所述传感器监测数据从管道外部视角渲染所述地下管网三维模型的水体分布，以及从管道内部视角渲染所述地下管网三维模型的水面形态；融合所述地下管网三维模型、动态水体和所述移动终端拍摄的实景图像，以显示管网排水的增强现实影像。

进一步，在根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型之前，所述方法还包括：拉伸管网的横断面，构建三维管道模型；在预设模型库中调用附属设施的三维设施模型；采用二维矢量管线和管点数据构建三维接头模型；采用所述三维管道模型，所述三维设施模型，所述三维接头模型组装生成所述地下管网三维模型。

进一步，采用二维矢量管线和管点数据构建三维接头模型包括：以三通接头的交汇点P为起点，沿三个管线方向分别以第一长度进行采样得到第一采样点E、第二采样点F、第三采样点G，将P分别到E、F、G的连接段PE、PF、PG构建为所述三通接头的三个管段；以E、F、G为起点继续沿三个管线方向以第二长度进行采样得到第四采样点E'、第五采样点F'、第六采样点G'，将EE'、FF'、GG'构建为所述三通接头的在三个管段的边缘凸起；以点P为起点沿着PE和PF方向，分别以距离k采样得到转角特征点M和N，经过M和N分别垂直切割管段PE和PF，以使两条切割线交于点O；以点M和N分别为平滑弧段的采样起止点，沿平滑弧段以等角度间隔进行采样，得到多个采样点P_i；以每个点P_i为中心点分别采样断面，构建主管EPF的几何网格，得到主管三维模型；拉伸支管PG的横断面，构建支管PG的支管三维模型；采用实体几何布尔算法进行主管EPF和支管PG封闭几何体的相互切割计算，以使主管EPF和支管PG相互连通；将每个所述边缘凸起处理为与所在管段相连的圆筒，将所述主管三维模型、所述支管三维模型和所述边缘凸起组装成三维接头模型。

进一步，所述传感器监测数据包括管道直径，流速和流量。

进一步，根据所述传感器监测数据从管道外部视角渲染所述地下管网三维模型的水体分布包括：根据所述管道直径，流速和流量计算管道水深；针对所述地下管网三维模型的每根管道，以其中心点为原点o，垂直于水面为z轴，平行于管道为x轴，垂直于管道为y轴，构建局部笛卡尔坐标系o-xyz；根据目标管道的三维几何三角网格，遍历所有三角形面片，针对每个三角形，执行如下步骤：读取目标三角形的中心点坐标；根据所述管道水深判断所述中心点坐标是否在水面之下；若所述中心点坐标在水面之下，将所述目标三角形设置为水体颜色，若所述中心点坐标在水面之上，将所述目标三角形设置为管道颜色；针对所述地下管网三维模型的每个三角形面片，计算所述三角形面片几何顶点的纹理坐标，并基于所述纹理坐标选择纹理贴图。

进一步，根据所述传感器监测数据从管道内部视角渲染所述地下管网三维模型的水面形态包括：根据所述管道直径，流速和流量计算管道水深；在管道水面以预设步长构建水面网格；在第一水面网格和第二水面网格中间构建过渡网格，其中，所述过渡网格在所述第一水面网格和第二水面网格之下，所述第一水面网格与第二水面网格为相邻网格；根据所述管道水深定位所述管道水面在断水面的断面线；以与所述断面线为坐标u轴，沿管道方向为坐标v轴，构建二维纹理坐标系；根据管道水体流速在所述二维纹理坐标系中插值，渲染所述地下管网三维模型的水面形态。

进一步，融合所述地下管网三维模型、所述动态水体和所述移动终端拍摄的实景 图像包括：确定所述地下管网三维模型的缩放矩阵为M_s、旋转矩阵为M_s、平移矩阵为M_s；采用 以下公式计算变换矩阵M：

；采用变换矩阵M对所述地下管网三维模 型，动态水体和所述移动终端拍摄的实景图像进行叠加增强显示。

根据本申请实施例的另一个方面，还提供了一种管网排水增强可视化装置，包括：第一获取模块，用于获取移动终端的地理位置和相机视角；查找模块，用于根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型；第二获取模块，用于从所述数据服务器获取所述地下管网三维模型的传感器监测数据；渲染模块，用于根据所述传感器监测数据从管道外部视角渲染所述地下管网三维模型的水体分布，以及从管道内部视角渲染所述地下管网三维模型的水面形态；显示模块，用于融合所述地下管网三维模型、动态水体和所述移动终端拍摄的实景图像，以显示管网排水的增强现实影像。

进一步，所述装置还包括：构建模块，用于在所述查找模块根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型之前，拉伸管网的横断面，构建三维管道模型；在预设模型库中调用附属设施的三维设施模型；采用二维矢量管线和管点数据构建三维接头模型；组装模块，用于采用所述三维管道模型，所述三维设施模型，所述三维接头模型组装生成所述地下管网三维模型。

进一步，所述组装模块包括：第一处理单元，用于以三通接头的交汇点P为起点，沿三个管线方向分别以第一长度进行采样得到第一采样点E、第二采样点F、第三采样点G，将P分别到E、F、G的连接段PE、PF、PG构建为所述三通接头的三个管段；第二处理单元，用于以E、F、G为起点继续沿三个管线方向以第二长度进行采样得到第四采样点E'、第五采样点F'、第六采样点G'，将EE'、FF'、GG'构建为所述三通接头的在三个管段的边缘凸起；构建单元，用于以点P为起点沿着PE和PF方向，分别以距离k采样得到转角特征点M和N，经过M和N分别垂直切割管段PE和PF，以使两条切割线交于点O；以点M和N分别为平滑弧段的采样起止点，沿平滑弧段以等角度间隔进行采样，得到多个采样点P_i；以每个点P_i为中心点分别采样断面，构建主管EPF的几何网格，得到主管三维模型；拉伸支管PG的横断面，构建支管PG的支管三维模型；连通单元，用于采用实体几何布尔算法进行主管EPF和支管PG封闭几何体的相互切割计算，以使主管EPF和支管PG相互连通；组装单元，用于将每个所述边缘凸起处理为与所在管段相连的圆筒，将所述主管三维模型、所述支管三维模型和所述边缘凸起组装成三维接头模型。

进一步，所述传感器监测数据包括管道直径，流速和流量，根所述渲染模块包括：计算单元，用于根据所述管道直径，流速和流量计算管道水深；第一构建单元，用于针对所述地下管网三维模型的每根管道，以其中心点为原点o，垂直于水面为z轴，平行于管道为x轴，垂直于管道为y轴，构建局部笛卡尔坐标系o-xyz；设置单元，用于根据目标管道的三维几何三角网格，遍历所有三角形面片，针对每个三角形，执行如下步骤：读取目标三角形的中心点坐标；根据所述管道水深判断所述中心点坐标是否在水面之下；若所述中心点坐标在水面之下，将所述目标三角形设置为水体颜色，若所述中心点坐标在水面之上，将所述目标三角形设置为管道颜色；贴图单元，用于针对所述地下管网三维模型的每个三角形面片，计算所述三角形面片几何顶点的纹理坐标，并基于所述纹理坐标选择纹理贴图。

进一步，所述传感器监测数据包括管道直径，流速和流量，根所述渲染模块包括：计算单元，用于根据所述管道直径，流速和流量计算管道水深；第二构建单元，用于在管道水面以预设步长构建水面网格；第三构建单元，用于在第一水面网格和第二水面网格中间构建过渡网格，其中，所述过渡网格在所述第一水面网格和第二水面网格之下，所述第一水面网格与第二水面网格为相邻网格；定位单元，用于根据所述管道水深定位所述管道水面在断水面的断面线；第四构建单元，用于以与所述断面线为坐标u轴，沿管道方向为坐标v轴，构建二维纹理坐标系；渲染单元，用于根据管道水体流速在所述二维纹理坐标系中插值，渲染所述地下管网三维模型的内部水面形态。

进一步，所述显示模块包括：确定单元，用于确定所述地下管网三维模型的缩放矩 阵为M_s、旋转矩阵为M_s、平移矩阵为M_s；计算单元，用于采用以下公式计算变换矩阵M：

；增强模块，用于采用变换矩阵M对所述地下管网三维模型，动态水 体和所述移动终端拍摄的实景图像进行叠加增强显示。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种存储介质，该存储介质包括存储的程序，程序运行时执行上述的步骤。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；其中：存储器，用于存放计算机程序；处理器，用于通过运行存储器上所存放的程序来执行上述方法中的步骤。

本申请实施例还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述方法中的步骤。

通过本发明，获取移动终端的地理位置和相机视角，根据地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型，从数据服务器获取地下管网三维模型的传感器监测数据，分别从管道外部视角渲染地下管网三维模型的水体分布，以及从管道内部视角渲染地下管网三维模型的水面形态，融合地下管网三维模型、动态水体和相机拍摄的现实场景，实现管网排水增强现实可视化，解决了在地下管网排水增强现实可视化中地下管网三维模型的渲染效果差，以及管道排水模拟不逼真的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的一种手持终端的硬件结构框图；

图2是根据本发明实施例的一种管网排水增强可视化方法的流程图；

图3是本发明实施例地下管网排水增强现实方法流程图；

图4是本发明实施例地下管网接头三维建模原理图；

图5是本发明实施例管道和井水深计算原理图；

图6是本发明实施例管道外水流几何网格着色原理图；

图7是本发明实施例管道内水面动态纹理映射原理图；

图8是根据本发明实施例的一种管网排水增强可视化装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

本申请实施例一所提供的方法实施例可以在手持终端、手机、或者类似的运算装置中执行。以运行在手持终端上为例，图1是本发明实施例的一种手持终端的硬件结构框图。如图1所示，手持终端可以包括一个或多个（图1中仅示出一个）处理器102（处理器102可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置）和用于存储数据的存储器104，可选地，上述手持终端还可以包括用于通信功能的传输设备106以及输入输出设备108。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述手持终端的结构造成限定。例如，手持终端还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。

存储器104可用于存储手持终端程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如本发明实施例中的一种管网排水增强可视化方法对应的手持终端程序，处理器102通过运行存储在存储器104内的手持终端程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至手持终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

传输设备106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括手持终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输设备106包括一个网络适配器（Network Interface Controller，简称为NIC），其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备106可以为射频（Radio Frequency，简称为RF）模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

在本实施例中提供了一种管网排水增强可视化方法，图2是根据本发明实施例的一种管网排水增强可视化方法的流程图，如图2所示，该流程包括如下步骤：

步骤S202，获取移动终端的地理位置和相机视角；

本实施例的地理位置和相机视角通过移动终端的，差分定位参数和陀螺仪参数，GPS参数等得到。

步骤S204，根据地理位置和相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型；

在本实施例中，数据服务器预先存储多个位置和相机视角的地下管网三维模型，在当前时间，只匹配并渲染当前位置和相机视角下的地下管网三维模型。

步骤S206，从数据服务器获取地下管网三维模型的传感器监测数据；

可选的，传感器监测数据包括管道直径，流速和流量，通过部署在管道内或管道外的传感器采集得到。

步骤S208，根据传感器监测数据从管道外部视角渲染地下管网三维模型的水体分布，以及从管道内部视角渲染地下管网三维模型的水面形态；

步骤S210，融合地下管网三维模型、动态水体和移动终端拍摄的实景图像，以显示管网排水的增强现实影像。

通过上述步骤，获取移动终端的地理位置和相机视角，根据地理位置和相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型，从数据服务器获取地下管网三维模型的传感器监测数据，根据传感器监测数据渲染地下管网三维模型的外部水体分布，以及根据传感器监测数据渲染地下管网三维模型的内部水面形态，通过查找与地理位置和视角范围的地下管网三维模型，并从管道外部视角渲染管道水体分布和从管道内部视角渲染水面形态，解决了在地下管网排水增强现实可视化中地下管网三维模型的渲染效果差，以及管道排水模拟不逼真的技术问题。

图3是本发明实施例地下管网排水增强现实方法流程图，首先对地下管网三维模型和传感器数据数据预处理。根据地下管网数据分布对其进行三维建模和多级索引组织，并将水流监测数据（管道内的传感器采集并传输到服务器的传感器监测数据）绑定到对应的管网模型上。在可视化过程中，根据移动终端的差分定位和陀螺仪参数，计算得到终端当前的精确地理位置和视角范围，移动终端根据当前相机视角，从数据服务器获取对应范围的地下管网三维模型，叠加现实图像进行叠加增强显示。管道外部渲染时，根据当前视角内三维管网模型获取其对应的传感器监测数据，计算其管道水深和断面，进行管道外部水体颜色动态渲染。管道内部渲染时，根据水体流速数据，构建管道内部水文网格，基于两层动态纹理映射实现水面动态模拟。

本实施例的方案根据手持移动终端的差分定位和陀螺仪参数，获取视野范围内场景对应的地下管网三维模型进行增强叠加显示，并动态渲染水体流动。针对手持终端相机拍摄范围的特点，对地下管道、接头和附属设施进行三维建模及多级索引组织，提升管网渲染效率。针对管道排水，分别从管道外部视角和管道内部视角渲染展现管道水体流速、流量等重要参数信息，提升排水模拟效果。

在本实施例中，在根据地理位置和相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型之前，采用二维数据构建地下管网三维模型。采用二维数据构建地下管网三维模型包括：

S11，拉伸管网的横断面，构建三维管道模型；在预设模型库中调用附属设施的三维设施模型；采用二维矢量管线和管点数据构建三维接头模型；

S12，采用三维管道模型，三维设施模型，三维接头模型组装生成地下管网三维模型。

在一个示例中，采用二维矢量管线和管点数据构建三维接头模型包括：以三通接头的交汇点P为起点，沿三个管线方向分别以第一长度进行采样得到第一采样点E、第二采样点F、第三采样点G，将P分别到E、F、G的连接段PE、PF、PG构建为三通接头的三个管段；以E、F、G为起点继续沿三个管线方向以第二长度进行采样得到第四采样点E'、第五采样点F'、第六采样点G'，将EE'、FF'、GG'构建为三通接头的在三个管段的边缘凸起；以点P为起点沿着PE和PF方向，分别以距离k采样得到转角特征点M和N，经过M和N分别垂直切割管段PE和PF，以使两条切割线交于点O；以点M和N分别为平滑弧段的采样起止点，沿平滑弧段以等角度间隔进行采样，得到多个采样点P_i；以每个点P_i为中心点分别采样断面，构建主管EPF的几何网格，得到主管三维模型；拉伸支管PG的横断面，构建支管PG的支管三维模型；采用实体几何布尔算法进行主管EPF和支管PG封闭几何体的相互切割计算，以使主管EPF和支管PG相互连通；将每个边缘凸起处理为与所在管段相连的圆筒，将主管三维模型、支管三维模型和边缘凸起组装成三维接头模型。

地下管网三维模型的三维管网建模可以分为管道、接头和附属设施，其中管道根据横断面拉伸构建，附属设施调用模型库，而接头建模最为复杂，也是影响管道拓扑连通性的关键。在构建接头三维模型之前，需要先对矢量管线和管点数据（二维数据）进行处理和提取。如图4所示，图4是本发明实施例地下管网接头三维建模原理图，管线PA、PB和PC在特征点P处基于三通接头相连。分别以特征点P为起点，沿着管线方向以长度为d进行采样得到点E、F、G，则PE、PF、PG为构成接头的管段。继续沿着管线方向以长度l进行采样得到点E'、F'、G'，则EE'、FF'、GG'为构成接头的边缘凸起。则点E和E'的坐标可以计算为：

因此三通接头模型可以划分为主管EPF、支管PG和边缘凸起，其中支管建模方法与管道建模相同，而主管需要对转角P进行弧段平滑处理，计算步骤如下：

以点P为起点沿着PE和PF方向，分别以距离k采样得到转角特征点M和N。分别过M和N垂直切割管段PE和PF，∠EPF的大小为δ，两直线交于点O。则弧段采样半径OM可以计算为：

构建平滑弧段连接点M和N，沿着平滑弧段以等角度间隔进行采样，采样点表示为

，则弧段上的采样点P_i可以计算为：

分别以点P_i为中心点采样断面，构建弧形管段几何网格，方法与管道建模方法相同。

主管和支管建模后，其相互交叉部分基于实体几何布尔算法进行主管和支管封闭几何体相互切割计算，实现其相互连通。主管拓扑不连通可以用支管切割主管实现，支管内部交叉可以用主管切割支管实现。设其中一个管段（第一管段）为Q₁，另一个管段（第二管段）为Q₂，则Q₁切割Q₂可以表达为：

最后，构建接头边缘凸起模型。接头边缘凸起可以处理为一个与管段相连的圆筒，管段和边缘凸起组成三维接头模型。

在本实施例中，用户基于增强现实移动终端摄像头查看管网时，根据地理位置和相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型。

在本实施例的一方面，传感器监测数据包括流速和流量，根据传感器监测数据渲染地下管网三维模型的管道外部水体包括：根据管道直径，流速和流量计算管道水深；针对地下管网三维模型的每根管道，以其中心点为原点o，垂直于水面为z轴，平行于管道为x轴，垂直于管道为y轴，构建局部笛卡尔坐标系o-xyz；根据目标管道的三维几何三角网格，遍历所有三角形面片，针对每个三角形，执行如下步骤：读取目标三角形的中心点坐标；根据管道水深判断中心点坐标是否在水面之下；若中心点坐标在水面之下，将目标三角形设置为水体颜色，若中心点坐标在水面之上，将目标三角形设置为管道颜色；针对地下管网三维模型的每个三角形面片，计算三角形面片几何顶点的纹理坐标，并基于纹理坐标选择纹理贴图。

在一个实例中，地下管网监测的传感器监测数据基于多普勒超声波流量计和压力式水位计获得，图5是本发明实施例管道和井水深计算原理图，设管道排水的流速v和流量q，设管道直径为d，上述三个参数携带在传感器监测数据中，管道水深为h，角度AOB为a，sector(OAB)为扇形OAB的面积，bow(AB)为水体断面弓形AB的面积，triangle(OAB)为三角形OAB的面积，则根据管道断面水体面积计算满足：

根据上述公式，可以计算得到管道水体深度h的值。同理，根据管道和井的水位值相同，可以计算得到井的水深H。为了较好地表达管道水体的流量和流速信息，分别从管道外和管道内视角渲染水体流动。

管道外部水体可视化，基于增强现实进行地下管网排水可视化，最直观的效果是通过管道表面着色表达水体。以其中一个管道为例，以其中心点为原点，垂直于水面为z轴，平行于管道为x轴，垂直于管道为y轴，构建局部笛卡尔坐标系o-xyz，如图6所示，图6是本发明实施例管道外水流几何网格着色原理图。

根据管道三维几何三角网格，分别遍历所有三角形，设其中一个三角形的中心点坐标(x,y,z)，则当三角形在水面之下设为水体颜色waterColor，其它设为原始管道颜色baseColor：

设三维管道模型几何网格中的一个四边形面片为P_i,jP_i+1,jP_i,j+1P_i+1,j+1，设点P_i,j+1的纹理坐标为(U_i,j+1，V_i,j+1)，纹理坐标对应的几何顶点距离采样间隔为m，依次可以计算点P_i,j、P_i+1,j、P_i+1,j+1的纹理坐标，实现该面片的纹理贴图。其中几何顶点P_i,j的纹理坐标可以计算为：

几何顶点P_i+1,j+1的纹理坐标可以计算为：

管道三维几何网格的着色过程基于GPU着色器计算实现，通过实时设置管道不同三角面片的颜色，实现管道水体可视化。

在本实施例的另一方面，传感器监测数据包括管道直径，流速和流量，根据传感器监测数据渲染地下管网三维模型的管道内部水文网格包括：根据管道直径，流速和流量计算管道水深；在管道水面以预设步长构建水面网格；在第一水面网格和第二水面网格中间构建过渡网格，其中，过渡网格在第一水面网格和第二水面网格之下，第一水面网格与第二水面网格为相邻网格；根据管道水深定位管道水面在断水面的断面线；以与断面线为坐标u轴，沿管道方向为坐标v轴，构建二维纹理坐标系；根据管道水体流速在二维纹理坐标系中插值，渲染地下管网三维模型的管道内部水文网格。

在一个实例中，管道外部着色只能大致表达管道的水体深度，判断其是否为满管排放。为了进一步提高管道排水的直观可视化效果，需要以管道内部视角进行水面流动模拟。在管道水面以一定步长构建几何网格，实现水面动态纹理映射。由于管道不同位置的监测水流速度不同，为了防止基于流速动态纹理移动时出现裂缝，构建中间过渡四边形。图7是本发明实施例管道内水面动态纹理映射原理图，如图7所示，四边形ABCD和CDEF为水面网格，四边形P₁P₂P₃P₄为过渡融合四边形，为过渡网格，其中过渡四边形位于水面网格之下。根据管道水深h可以计算得到断面水的管道断面线AB的宽度为：

过渡四边形P₁P₂P₃P₄中的几何顶点坐标可以根据流速差异进行调整，设r和t为融合宽度系数，则顶点P₂和P₄的几何坐标可以计算为：

如图7所示，以管道断面线AB为坐标u轴，沿管道方向为坐标v轴，构建二维纹理坐标系，则所有顶点的u坐标保持不变，v坐标随着水流移动。根据管道水体流速插值，设四边形ABCD的水流速度为V₁，四边形CDEF的水流速度为V₂，过渡四边形为两者速度的平均，纹理映射重复步长为k，m为流速夸张系数，则顶点D的动态纹理坐标计算为：

过渡四边形中的顶点P₄的纹理坐标可以计算为：

可选的，融合地下管网三维模型、动态水体和移动终端拍摄的实景图像包括：确定 地下管网三维模型的缩放矩阵为Ms、旋转矩阵为Ms、平移矩阵为Ms；采用以下公式计算变换 矩阵M：

；采用变换矩阵M对地下管网三维模型，动态水体和移动终端 拍摄的实景图像进行叠加增强显示。

基于移动终端位置从服务器获取到的地下管网三维模型和水体动态渲染，基于摄 像头视角实时计算模型的旋转、缩放、平移参数，确定其方位并与现实场景叠加实现增强现 实可视化效果。设三维模型的缩放矩阵为Ms、旋转矩阵为Ms、平移矩阵为Ms，基于变换矩阵 实现三维管道、水体和现实场景的叠加增强显示：

。

本实施例根据移动终端的摄像头参数和位置参数，自动从服务器获取当前视角三维地下管网三维模型和管道水流传感器监测的传感器监测数据，基于增强现实融合管网模型和水流可视化，实现地下管网排水模拟。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备（可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。

实施例2

在本实施例中还提供了一种管网排水增强可视化装置、系统，用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图8是根据本发明实施例的一种管网排水增强可视化装置的结构框图，如图8所示，该装置包括：第一获取模块80，查找模块82，第二获取模块84，渲染模块86，显示模块88，其中，

第一获取模块80，用于获取移动终端的地理位置和相机视角；

查找模块82，用于根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型；

第二获取模块84，用于从所述数据服务器获取所述地下管网三维模型的传感器监测数据；

渲染模块86，用于根据所述传感器监测数据从管道外部视角渲染所述地下管网三维模型的水体分布，以及从管道内部视角渲染所述地下管网三维模型的水面形态；

显示模块88，用于融合所述地下管网三维模型、动态水体和所述移动终端拍摄的实景图像，以显示管网排水的增强现实影像。

可选的，所述装置还包括：构建模块，用于在所述查找模块根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型之前，拉伸管网的横断面，构建三维管道模型；在预设模型库中调用附属设施的三维设施模型；采用二维矢量管线和管点数据构建三维接头模型；组装模块，用于采用所述三维管道模型，所述三维设施模型，所述三维接头模型组装生成所述地下管网三维模型。

进一步，所述组装模块包括：第一处理单元，用于以三通接头的交汇点P为起点，沿三个管线方向分别以第一长度进行采样得到第一采样点E、第二采样点F、第三采样点G，将P分别到E、F、G的连接段PE、PF、PG构建为所述三通接头的三个管段；第二处理单元，用于以E、F、G为起点继续沿三个管线方向以第二长度进行采样得到第四采样点E'、第五采样点F'、第六采样点G'，将EE'、FF'、GG'构建为所述三通接头的在三个管段的边缘凸起；构建单元，用于以点P为起点沿着PE和PF方向，分别以距离k采样得到转角特征点M和N，经过M和N分别垂直切割管段PE和PF，以使两条切割线交于点O；以点M和N分别为平滑弧段的采样起止点，沿平滑弧段以等角度间隔进行采样，得到多个采样点P_i；以每个点P_i为中心点分别采样断面，构建主管EPF的几何网格，得到主管三维模型；拉伸支管PG的横断面，构建支管PG的支管三维模型；连通单元，用于采用实体几何布尔算法进行主管EPF和支管PG封闭几何体的相互切割计算，以使主管EPF和支管PG相互连通；组装单元，用于将每个所述边缘凸起处理为与所在管段相连的圆筒，将所述主管三维模型、所述支管三维模型和所述边缘凸起组装成三维接头模型。

进一步，所述传感器监测数据包括管道直径，流速和流量，根所述渲染模块包括：计算单元，用于根据所述管道直径，流速和流量计算管道水深；第一构建单元，用于针对所述地下管网三维模型的每根管道，以其中心点为原点o，垂直于水面为z轴，平行于管道为x轴，垂直于管道为y轴，构建局部笛卡尔坐标系o-xyz；设置单元，用于根据目标管道的三维几何三角网格，遍历所有三角形面片，针对每个三角形，执行如下步骤：读取目标三角形的中心点坐标；根据所述管道水深判断所述中心点坐标是否在水面之下；若所述中心点坐标在水面之下，将所述目标三角形设置为水体颜色，若所述中心点坐标在水面之上，将所述目标三角形设置为管道颜色；贴图单元，用于针对所述地下管网三维模型的每个三角形面片，计算所述三角形面片几何顶点的纹理坐标，并基于所述纹理坐标选择纹理贴图。

进一步，所述传感器监测数据包括管道直径，流速和流量，根所述渲染模块包括：计算单元，用于根据所述管道直径，流速和流量计算管道水深；第二构建单元，用于在管道水面以预设步长构建水面网格；第三构建单元，用于在第一水面网格和第二水面网格中间构建过渡网格，其中，所述过渡网格在所述第一水面网格和第二水面网格之下，所述第一水面网格与第二水面网格为相邻网格；定位单元，用于根据所述管道水深定位所述管道水面在断水面的断面线；第四构建单元，用于以与所述断面线为坐标u轴，沿管道方向为坐标v轴，构建二维纹理坐标系；渲染单元，用于根据管道水体流速在所述二维纹理坐标系中插值，渲染所述地下管网三维模型的内部水面形态。

进一步，所述显示模块包括：确定单元，用于确定所述地下管网三维模型的缩放矩 阵为M_s、旋转矩阵为M_s、平移矩阵为M_s；计算单元，用于采用以下公式计算变换矩阵M：

；增强模块，用于采用变换矩阵M对所述地下管网三维模型，动态水 体和所述移动终端拍摄的实景图像进行叠加增强显示。

需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，对于后者，可以通过以下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的形式分别位于不同的处理器中。

实施例3

本发明的实施例还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。

可选地，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的计算机程序：

S1，获取移动终端的地理位置和相机视角；

S2，根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型；

S3，从所述数据服务器获取所述地下管网三维模型的传感器监测数据；

S4，根据所述传感器监测数据从管道外部视角渲染所述地下管网三维模型的水体分布，以及从管道内部视角渲染所述地下管网三维模型的水面形态；

S5，融合所述地下管网三维模型、动态水体和所述移动终端拍摄的实景图像，以显示管网排水的增强现实影像。

可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器（Read-Only Memory，简称为ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，简称为RAM）、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。

本发明的实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，该存储器中存储有计算机程序，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

可选地，上述电子设备还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。

可选地，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：

S1，获取移动终端的地理位置和相机视角；

S2，根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型；

S3，从所述数据服务器获取所述地下管网三维模型的传感器监测数据；

S4，根据所述传感器监测数据从管道外部视角渲染所述地下管网三维模型的水体分布，以及从管道内部视角渲染所述地下管网三维模型的水面形态；

S5，融合所述地下管网三维模型、动态水体和所述移动终端拍摄的实景图像，以显示管网排水的增强现实影像。

可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可为个人计算机、服务器或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种管网排水增强可视化方法，其特征在于，包括：

获取移动终端的地理位置和相机视角；

根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型；

从所述数据服务器获取所述地下管网三维模型的传感器监测数据；

根据所述传感器监测数据从管道外部视角渲染所述地下管网三维模型的水体分布，以及从管道内部视角渲染所述地下管网三维模型的水面形态；

融合所述地下管网三维模型、动态水体和所述移动终端拍摄的实景图像，以显示管网排水的增强现实影像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型之前，所述方法还包括：

拉伸管网的横断面，构建三维管道模型；在预设模型库中调用附属设施的三维设施模型；采用二维矢量管线和管点数据构建三维接头模型；

采用所述三维管道模型，所述三维设施模型，所述三维接头模型组装生成所述地下管网三维模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用二维矢量管线和管点数据构建三维接头模型包括：

以三通接头的交汇点P为起点，沿三个管线方向分别以第一长度进行采样得到第一采样点E、第二采样点F、第三采样点G，将P分别到E、F、G的连接段PE、PF、PG构建为所述三通接头的三个管段；

以E、F、G为起点继续沿三个管线方向以第二长度进行采样得到第四采样点E'、第五采样点F'、第六采样点G'，将EE'、FF'、GG'构建为所述三通接头的在三个管段的边缘凸起；

以点P为起点沿着PE和PF方向，分别以距离k采样得到转角特征点M和N，经过M和N分别垂直切割管段PE和PF，以使两条切割线交于点O；以点M和N分别为平滑弧段的采样起止点，沿平滑弧段以等角度间隔进行采样，得到多个采样点P_i；以每个点P_i为中心点分别采样断面，构建主管EPF的几何网格，得到主管三维模型；拉伸支管PG的横断面，构建支管PG的支管三维模型；

采用实体几何布尔算法进行主管EPF和支管PG封闭几何体的相互切割计算，以使主管EPF和支管PG相互连通；

将每个所述边缘凸起处理为与所在管段相连的圆筒，将所述主管三维模型、所述支管三维模型和所述边缘凸起组装成三维接头模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器监测数据包括管道直径，流速和流量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述传感器监测数据从管道外部视角渲染所述地下管网三维模型的水体分布，包括：

根据所述管道直径，流速和流量计算管道水深；

针对所述地下管网三维模型的每根管道，以其中心点为原点o，垂直于水面为z轴，平行于管道为x轴，垂直于管道为y轴，构建局部笛卡尔坐标系o-xyz；

根据目标管道的三维几何三角网格，遍历所有三角形面片，针对每个三角形，执行如下步骤：读取目标三角形的中心点坐标；根据所述管道水深判断所述中心点坐标是否在水面之下；若所述中心点坐标在水面之下，将所述目标三角形设置为水体颜色，若所述中心点坐标在水面之上，将所述目标三角形设置为管道颜色；

针对所述地下管网三维模型的每个三角形面片，计算所述三角形面片几何顶点的纹理坐标，并基于所述纹理坐标选择纹理贴图。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述传感器监测数据从管道内部视角渲染所述地下管网三维模型的水面形态，包括：

根据所述管道直径，流速和流量计算管道水深；

在管道水面以预设步长构建水面网格；

在第一水面网格和第二水面网格中间构建过渡网格，其中，所述过渡网格在所述第一水面网格和第二水面网格之下，所述第一水面网格与第二水面网格为相邻网格；

根据所述管道水深定位所述管道水面在断水面的断面线；

以与所述断面线为坐标u轴，沿管道方向为坐标v轴，构建二维纹理坐标系；

根据管道水体流速在所述二维纹理坐标系中插值，渲染所述地下管网三维模型的管道内部水文网格。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，融合所述地下管网三维模型、所述动态水体和所述移动终端拍摄的实景图像包括：

确定所述地下管网三维模型的缩放矩阵为M_s、旋转矩阵为M_s、平移矩阵为M_s；

采用以下公式计算变换矩阵M：

；

采用变换矩阵M对所述地下管网三维模型，动态水体和所述移动终端拍摄的实景图像进行叠加增强显示。

8.一种管网排水增强可视化装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取移动终端的地理位置和相机视角；

查找模块，用于根据所述地理位置和所述相机视角的视角范围从数据服务器查找匹配的地下管网三维模型；

第二获取模块，用于从所述数据服务器获取所述地下管网三维模型的传感器监测数据；

渲染模块，用于根据所述传感器监测数据从管道外部视角渲染所述地下管网三维模型的水体分布，以及从管道内部视角渲染所述地下管网三维模型的水面形态；

显示模块，用于融合所述地下管网三维模型、动态水体和所述移动终端拍摄的实景图像，以显示管网排水的增强现实影像。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时执行上述权利要求1至7中任一项所述的方法步骤。

10.一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；其中：

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于通过运行存储器上所存放的程序来执行权利要求1至7中任一项所述的方法步骤。

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