CN117372642A - 一种基于数字孪生的三维建模方法及可视化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于数字孪生的三维建模方法及可视化系统，包括一：获取园区倾斜摄影图像数据，导入建模软件中得到园区倾斜摄影实景三维模型；二：将步骤一所述的图像数据导入Arcgis中，绘制得到园区道路WGS84杆状物、面状物、线状物shapefile矢量数据；三：采用3dsmax构建整个园区三维虚拟模型，对模型进行材质贴图和V‑ray渲染后分别导出.fbx格式模型；四：将步骤二所述shapefile文件导入Thingjs数字孪生开发平台，得到园区对应的地理位置，导入.fbx格式模型调整到对应地理位置发布得到融合GIS数据后的三维场景url地址；五：园区模型可视化采用发布的url地址动态加载园区模型；六：采用数据驱动的方法进行园区车辆行驶轨迹跟踪监控,读取后端车辆位置数据实时虚实映射到可视化平台上。
Description
技术领域
发明属于数字化三维建模技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的三维建模方法及可视化系统。
背景技术
随着数字孪生技术的发展，围绕智慧园区建设将以往的可视化监控由二维转向三维，使其能够提供更多的更加直观的信息，提高监控能力。目前，智慧园区管理平台存在以下几个问题：一是传统倾斜摄影模型数据量大无法快速流畅的加载模型；二是实际场景与虚拟场景之间，缺乏有效的虚实交互无法完成实时监控。
数字孪生技术的发展为解决上述问题提供了新的方案，数字孪生具有三维数字虚拟模型对物理实体空间的等价映射，通过搭建三维数字模型实现轻量化数据模型和全面体现空间信息作为智慧园区的有效载体，通过实时监控可视化系统完成对园区的智慧管理，实现动态第一人称、第三人称监控车辆轨迹。数字孪生的概念最初是在2011年由Grieves教授正式提出，自2017年开始，引起了国内外学者广泛研究，在数字孪生车间、智慧城市、智能仓库等实际应用方面取得了一定的成果。陶飞等人提出了数字孪生五维模型，建立了机床数字孪生标准体系理论框架，并以数字孪生车间开展应用研究。2022年茹元博等人针对智能仓库可视化调度系统进行应用研究。
但是基于数字孪生的智慧园区三维可视化系统目前还没有得到广泛应用，目前依旧采取倾斜摄影模型作为载体，由于模型数据量大影响平台运行速度。数字孪生园区的应用可以实时监控车辆轨迹，虚实交互动态展示车辆行驶状态信息，提高园区管理效率，降低成本。
本发明提出了一种基于数字孪生的三维建模方法及可视化系统，意在解决倾斜摄影实景三维模型数据量大、交互方式单一等问题，从而使模型数据更加轻量化、更容易实现人机交互开发功能，实现高效、智能化管理效率。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的三维建模方法及可视化系统。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于数字孪生的三维建模方法及可视化系统，该方法包括以下步骤：
步骤一：获取园区倾斜摄影图像数据，导入建模软件中得到园区倾斜摄影实景三维模型；
步骤二：将步骤一所述的图像数据导入Arcgis中，绘制得到园区道路WGS84杆状物、面状物、线状物shapefile矢量数据；
步骤三：采用3dsmax构建整个园区三维虚拟模型，对模型进行材质贴图和V-ray渲染后分别导出.fbx格式模型；
步骤四：将步骤二中所述shapefile文件导入Thingjs数字孪生开发平台，得到园区对应的地理位置，导入.fbx格式模型调整调整到对应地理位置后，发布得到融合GIS数据后的三维场景url地址；
步骤五：园区模型可视化采用发布的url地址动态加载园区模型；
步骤六：采用数据驱动的方法进行园区车辆行驶轨迹跟踪监控，读取后端车辆位置数据实时虚实映射到可视化平台上。
所述的基于数字孪生三维建模方法，优选地，所述采用3dsmax构建整个园区三维虚拟模型即对园区建筑、道路设施、绿植、围栏进行全面真实几何建模，实现真实几何建模则需要绘制园区CAD平面图纸得到精准的测量数据，确定模型尺寸、轮廓、位置，三维场景搭建采用基于CAD平面图纸的3dsmax三维软件完成几何建模，具体实现步骤如下：
step1：绘制园区建筑CAD平面图纸，包括东南西北四个立面图纸以及每一层的平面图纸；
Step2：场景初始化，导入CAD平面图纸，根据图纸确定建筑基本体的大小尺寸，确定整体外部轮廓，创建建筑几何模型；
Step3：结合倾斜摄影实景模型，修改并调整模型结构以及模型的位置关系；
Step4：渲染完成后，模型即可单独导出为.fbx格式模型文件。
优选地，所述的对模型进行材质贴图和V-Ray渲染方法为：
打开材质编辑器，使用V-Ray渲染器，添加VRaymtl物理特性的材质球，添加位图将找到的材质贴图导入并赋予材质球漫反射贴图，并且调整材质的基础反射、基础光泽度、自发光的参数值；
三维模型需要对各个面进行材质贴图，直接贴图的话会导致纹理错乱、模糊的问题，因此需要用到UVW贴图工具通过改变U向平铺、V向平铺参数值调整表面材质线条比例，通过UVW展开工具控制材质纹理的方向，达到真实表面纹理的还原效果。
优选地，所述的模型融合GIS数据方法为：
通过上述方法构建的三维虚拟模型仅包含了真实世界园区的物理表面信息，相较于倾斜摄影模型缺少GIS地理位置信息，需要实现模型与GIS数据融合，所述的模型与GIS数据融合的方法为：所述园区道路shapefile文件导入Thingjs三维场景搭建平台，读取园区道路矢量数据(经纬高)后得到园区道路对应地理位置，所述导出的园区.fbx格式模型调整到对应的地理位置上，发布后得到融合GIS数据的园区三维虚拟模型地址url。
本发明还提供一种基于数字孪生的可视化系统，数字孪生园区模型可视化是根据实际园区的建筑结构、园区道路设施布局建立虚拟园区三维模型场景，包括园区内主体建筑、道路场景、围栏和绿植、监控摄像头、车辆设施对应真实地理位置都在系统中展示，具体模型动态加载到可视化平台的方法为：采用动态加载模型的方法将发布后的园区三维虚拟模型url地址引入到可视化平台中，可视化平台通过模型数据加载模块通过解析url地址后，融合GIS数据的园区三维虚拟模型动态加载到对应真实世界园区地理位置上，实现数字孪生系统模型可视化。
优选地，该系统还包括数字孪生园区监控系统，园区车辆监控系统车辆行驶轨迹跟踪采用基于数据驱动的方法,通过读取后端车辆真实GIS数据后实时展示到前端可视化平台，具体步骤为:获取车辆真实运行轨迹GIS数据集，对历史数据进行数据清除预处理，然后将获取的数据集送入到数据库中进行学习，生成车辆位置预测模型，之后通过读取后端GIS数据，结合车辆位置预测模型在可视化平台映射生成对应的车辆模型及行驶轨迹，通过监控摄像头实现第一人称、第三人称视角跟踪车辆行驶轨迹。
如上所述，本发明的一种基于数字孪生的三维建模方法及可视化系统，具有以下有益效果：
(1)在三维建模方式上，本发明采用数字化建模方式，相较于传统倾斜摄影实景三维模型数据更加轻量化，为了更好地实现数字孪生虚实映射的特点，在建模方式上采用基于园区CAD图纸的基础上完成模型构建，可以更精确的确定模型的比例、轮廓、位置，结合倾斜摄影实景模型选择合适的材质进行材质贴图和渲染，使得数字模型更加精准的对物理世界等价映射，而且为后续数字孪生开发提供了有效的模型载体。
(2)通过上述方法构建的数字孪生模型仅包含园区的外部轮廓信息，相较于倾斜摄影模型缺少GIS数据，所以为了实现数字孪生二次交互开发功能，需要进行GIS数据与模型融合。首先通过倾斜摄影图像导入Arcgis得到园区道路点状物、线状物、面状物shp格式数据，shp数据是一种矢量数据的存储方式，存储了园区道路地理位置信息。采用Thingjs数字孪生开发平台上的场景搭建功能，将shp数据导入后得到了园区相对应的地理位置，将之前3dsmax导出的fbx格式园区模型依次导入Thingjs三维场景搭建平台中，调整位置放到对应的shp数据位置即可，之后将整体导出后即得到了园区模型融合GIS数据的三维模型。
(3)提出的基于数字孪生的可视化监控系统有效解决了虚实映射误差问题。园区车辆监控系统车辆轨迹监测采用基于数据驱动的方法,通过读取后端数据后实时展示到前端可视化平台。具体步骤为:获取车辆真实运行轨迹GIS数据集和车辆模型数据，对历史数据进行数据清除预处理，然后将获取的数据集送入到数据库中进行学习，经过反复迭代训练后，生成车辆位置预测模型。之后通过读取后端GIS数据，结合车辆位置预测模型在可视化平台映射生成对应的车辆模型及行驶轨迹，提高了物理世界车辆行驶轨迹映射到数字孪生可视化平台上的准确性。
附图说明
为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。
图1是本发明实施提供的基于数字孪生的三维建模方法及可视化系统的流程图。
图2是基于数字孪生的三维建模方法及可视化系统流程示意图。
图3是数字孪生车辆可视化监控系统方案示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明实施例提供的一种基于数字孪生的三维建模方法及可视化系统，具体思想流程如图2所示：首先将倾斜摄影得到的图像导入Arcgis中，绘制得到园区初步道路WGS84杆状物、面状物、线状物shapefile文件；采用3dsmax构建整个园区三维虚拟模型，之后选择合适的材质对模型进行材质贴图和V-ray渲染，导入园区CAD图纸确定模型比例、轮廓、位置，分别导出fbx格式模型；将前面得到的园区shapefile文件导入Thingjs数字孪生开发平台，得到园区对应的地理位置，将导出的fbx模型分别导入平台调整位置后，导出后得到园区模型与GIS数据融合的三维场景；最后将导出的三维场景通过前端展示到可视化平台中。如图1所示具体包括以下步骤：
步骤一：首先根据目标园区区域规划好无人机倾斜摄影航拍路径，依次将无人机采集到的图像数据导入建模软件中得到目标园区的倾斜摄影实景三维模型，这样在后续构建数字化模型的时候，可以根据倾斜摄影模型中的量测功能确定出模型的外部轮廓，以及确定模型的材质属性、颜色和纹理。
步骤二：将倾斜摄影得到的图像导入Arcgis中，绘制得到园区初步道路WGS84杆状物、面状物、线状物shapefile矢量数据；由于利用3dsmax构建的模型相较于倾斜摄影模型缺少GIS数据，所以园区道路矢量数据将会使得模型赋予正确的地理位置信息，只有带有GIS数据的模型才能进行二次交互开发，真正实现数字孪生需求。
步骤三：结合CAD图纸、倾斜摄影模型构建出和真实园区外观布局一致的虚拟园区场景。虚拟园区三维几何建模流程如图2所示。数字孪生园区三维建模即对园区建筑、道路设施、绿植、围栏等进行全面真实几何建模。实现真实几何建模则需要绘制园区CAD平面图纸得到精准的测量数据，确定模型尺寸、轮廓、位置。三维场景搭建采用基于CAD平面图纸的3dsmax三维软件完成几何建模。具体实现步骤如下：
step1：绘制园区建筑CAD平面图纸，包括东南西北四个立面图纸以及每一层的平面图纸。
Step2：场景初始化，导入CAD平面图纸，根据图纸确定建筑基本体的大小尺寸，确定整体外部轮廓，创建建筑几何模型。
Step3：结合倾斜摄影实景模型，修改并调整模型结构以及模型的位置关系。
Step4：渲染完成后，模型即可单独导出为.fbx格式模型文件。
完成模型的初步构建后，需要对模型进行材质贴图和渲染。打开材质编辑器，使用V-Ray渲染器，添加VRaymtl物理特性的材质球，添加位图将找到的材质贴图导入并赋予材质球漫反射贴图，并且调整材质的基础反射、基础光泽度、自发光的参数值。三维模型需要对各个面进行材质贴图，直接贴图的话会导致纹理错乱、模糊的问题，因此需要用到UVW贴图工具通过改变U向平铺、V向平铺参数值调整表面材质线条比例，通过UVW展开工具控制材质纹理的方向，达到真实表面纹理的还原效果。
步骤四：通过上述方法构建的数字孪生模型仅包含园区的外部轮廓信息，相较于倾斜摄影模型缺少GIS数据，所以为了实现数字孪生二次交互开发功能，需要进行GIS数据与模型融合。首先通过倾斜摄影图像导入Arcgis得到园区道路点状物、线状物、面状物shp格式数据，shp数据是一种矢量数据的存储方式，存储了园区道路地理位置信息。
利用Thingjs数字孪生开发平台上的场景搭建功能，将园区道路shp数据导入后得到了相对应的地理位置，将导出的fbx格式园区模型依次导入平台，调整位置放到对应的shp数据位置即可，之后将整体模型导出后即整体模型融合了GIS数据。
步骤五：使用3dsmax建模技术及其Thingjs三维场景搭建平台实现园区虚拟模型构建和模型融合GIS数据，采用javascript语言实现数字孪生园区模型的动画效果以及动态监控功能。将融合GIS数据后的模型导出后，通过JavaScript语言引入到可视化平台中，这样搭建的模型就加载到对应地理位置的可视化平台中，这样在可视化平台展示和实际园区场景一致的虚拟园区场景，实现数字孪生虚实映射的特点。
步骤六：数字孪生车辆可视化监控系统方案如图3所示。系统使用Thingjs物联网开发平台，通过监控摄像头输入园区基础设备监控信号，由监控摄像头实现第一人称、第三人称视角车辆行驶轨迹跟踪以及车速等参数进行动态实时监测。将监控数据通过文本、动态展示的方式直观的展示在可视化平台上。
园区车辆监控系统车辆轨迹监测采用基于数据驱动的方法,通过读取后端数据后实时展示到前端可视化平台。具体步骤为:获取车辆真实运行轨迹GIS数据集，对历史数据进行数据清除预处理，然后将获取的数据集送入到数据库中进行学习，经过反复迭代训练后，生成车辆位置预测模型。之后通过读取后端真实车辆行驶GIS数据，结合车辆位置预测模型在可视化平台映射生成对应的车辆模型及行驶轨迹，提高了物理世界车辆行驶轨迹映射到数字孪生可视化平台上的准确性。
Claims (6)
1.一种基于数字孪生的三维建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：获取园区倾斜摄影图像数据，导入建模软件中得到园区倾斜摄影实景三维模型；
步骤二：将步骤一所述图像数据导入Arcgis中，绘制得到园区道路WGS84杆状物、面状物、线状物shapefile矢量数据；
步骤三：采用3dsmax构建整个园区三维虚拟模型，对模型进行材质贴图和V-ray渲染后分别导出.fbx格式模型；
步骤四：将步骤二中所述shapefile文件导入Thingjs数字孪生开发平台，得到园区对应的地理位置，导入.fbx格式模型调整调整到对应地理位置后，发布得到融合GIS数据后的三维场景url地址；
步骤五：园区模型可视化采用发布的url地址动态加载园区模型；
步骤六：采用数据驱动的方法进行园区车辆行驶轨迹跟踪监控，读取后端车辆位置数据实时虚实映射到可视化平台上。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的三维建模方法，其特征在于，所述采用3dsmax构建整个园区三维虚拟模型即对园区建筑、道路设施、绿植、围栏进行全面真实几何建模，实现真实几何建模则需要绘制园区CAD平面图纸得到精准的测量数据，确定模型尺寸、轮廓、位置，三维场景搭建采用基于CAD平面图纸的3dsmax三维软件完成几何建模，具体实现步骤如下：
step1：绘制园区建筑CAD平面图纸，包括东南西北四个立面图纸以及每一层的平面图纸；
Step2：场景初始化，导入CAD平面图纸，根据图纸确定建筑基本体的大小尺寸，确定整体外部轮廓，创建建筑几何模型；
Step3：结合倾斜摄影实景模型，修改并调整模型结构以及模型的位置关系；
Step4：渲染完成后，模型即可单独导出为.fbx格式模型文件。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的三维建模方法，其特征在于，所述步骤三中所述材质贴图和V-ray渲染具体为：
打开材质编辑器，使用V-Ray渲染器，添加VRaymtl物理特性的材质球，添加位图将找到的材质贴图导入并赋予材质球漫反射贴图，并且调整材质的基础反射、基础光泽度、自发光的参数值；
三维模型需要对各个面进行材质贴图，直接贴图的话会导致纹理错乱、模糊的问题，因此需要用到UVW贴图工具通过改变U向平铺、V向平铺参数值调整表面材质线条比例，通过UVW展开工具控制材质纹理的方向，达到真实表面纹理的还原效果。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的三维建模方法，其特征在于，所述的模型融合GIS数据方法为：
通过上述方法构建的三维虚拟模型仅包含了真实世界园区的物理表面信息，相较于倾斜摄影模型缺少GIS地理位置信息，需要实现模型与GIS数据融合，所述的模型与GIS数据融合的方法为：所述园区道路shapefile文件导入Thingjs三维场景搭建平台，读取园区道路矢量数据(经纬高)后得到园区道路对应地理位置，所述导出的园区.fbx格式模型调整到对应的地理位置上，发布后得到融合GIS数据的园区三维虚拟模型地址url。
5.一种基于数字孪生的可视化系统，其特征在于，该系统包括：
数字孪生园区模型可视化是根据实际园区的建筑结构、园区道路设施布局建立虚拟园区三维模型场景，包括园区内主体建筑、道路场景、围栏和绿植、监控摄像头、车辆设施对应真实地理位置都在系统中展示，具体模型动态加载到可视化平台的方法为：采用动态加载模型的方法将发布后的园区三维虚拟模型url地址引入到可视化平台中，可视化平台通过模型数据加载模块通过解析url地址后，融合GIS数据的园区三维虚拟模型动态加载到对应真实世界园区地理位置上，实现数字孪生系统模型可视化。
6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的可视化系统，其特征在于，该系统还包括：
数字孪生园区监控系统，园区车辆监控系统车辆行驶轨迹跟踪采用基于数据驱动的方法,通过读取后端车辆真实GIS数据后实时展示到前端可视化平台，具体步骤为:获取车辆真实运行轨迹GIS数据集，对历史数据进行数据清除预处理，然后将获取的数据集送入到数据库中进行学习，生成车辆位置预测模型，之后通过读取后端GIS数据，结合车辆位置预测模型在可视化平台映射生成对应的车辆模型及行驶轨迹，通过监控摄像头实现第一人称、第三人称视角跟踪车辆行驶轨迹。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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