三维可视化服务平台的管理模型研究

三维可视化服务平台的管理模型研究

杜军伟杜兰洲

(山东电力工程咨询院有限公司山东济南250013)

摘要：针对目前使用激光盘进行煤场库存盘点得到的三维数据点集散乱问题，提出了一种结合三维点云数据插值和计算机视觉修正方法的设计方案。通过对三维点云数据进行插值，根据插值结果进行三维网格点绘图，再根据电厂每日煤量进、耗、存实时基础数据进行修正，可以提高所绘的网格图与实际形状的拟合精度，利用Web、Unity3D与数据库进行数据交互，实现三维可视化展示，可实时提供煤场存煤量信息，动态修改网格图形状，为燃煤发电煤场煤场科学增效管理提供决策支撑。

关键词：数据插值；Unity3D；三维可视化

三维可视化建模在20世纪90年代初期开始为人类所重视，并逐渐成为数学地质、石油勘探、岩土工程、GIS和科学计算可视化领域的研究与应用热点。所谓三维可视化地质建模，按照SimonWHoulding的观点是指运用计算机技术，在三维环境下将空间信息管理、地质解译、空间分析、地学统计与预测、实体内容分析以及三维图形可视化等技术工具结合起来，实现地质模型的三维显示，并用于地质分析的技术。

1、三维可视化模型的建立

1.1资料收集

工作所收集的资料主要包括区域及各流域水文地质报告、构造分布图、水文地质图、地貌图、水文地质剖面图、第四系埋深图、潜水埋深图、电子地理底图、地表高程等值线图、各含水层顶底板高程等值线图、二维剖面图以及最重要的钻孔数据资料等，为模型建立做准备。由于峰峰煤矿曾进行过不同目的、不同精度的地质调查与评价工作，积累了大量的资料。

1.2资料分析

(1)在原有钻孔资料的基础上，加入从电子底图上提取的地面高程点数据，显示地表面的起伏状态；(2)当已有钻孔资料不足时，应在已有钻孔资料的基础上，依据剖面图、地质图和地质报告中的相关内容，虚拟一些钻孔；(3)结合工作区和现有资料，对钻孔数据进行修正和补充；(4)整理资料，录入GMS中。

1.3三维可视化模型构建

利用GMS软件建模时，应先建立坐标系，即将地理底图导入到GMS中定位。然后，利用GIS模块将*.shp文件转化到MAP模块中，根据定位好的地理底图，绘制确定计算区域边界，再由这些边界生成TINs。将整理好的钻孔资料导入到GMS中的Borehole模块中形成钻孔数据，以便对钻孔资料进行管理。通过编辑钻孔岩性及对每个钻孔进行编号，将每个钻孔上不同岩性的连接处设置水平地质，创建钻孔剖面，进而显示地层；在Borehole模块中选择Horizons->Solid命令，采用相应的插值方法，从而生成地质结构体，建立地质结构模型。Solid则是水文地质结构模块。我们可以利用该模块来根据需要分解和组合不同的层，在任意层位、任意位置切剖面，查看剖面上地层的展布情况，并可对模型进行空间上的旋转，从不同角度观察模型结构。

2、曲面拟合

2.1原始数据预处理

目前盘煤仪的数据较为精确，但是由于盘煤仪每次盘点耗时较长，不宜频繁使用；日存取煤总量则是与生产量直接对应，精度较高，但是由于缺乏煤场取煤位置信息，难以直接生成煤场立体图；皮带秤的数据则由于测量误差较大，仅作为参考与辅助；视频数据则是，煤场进行直接取样，需要复杂建模，方可提取有用数据；人工丈量是当前常用的方法，但是由于人为因素，丈量误差较大，可作为辅助数据。

激光扫描仪为三维煤场动态测控系统的主要传感器，按照一定频率发射激光线获取煤堆表面二维数据，并结合扫描仪激光器云台辅助旋转实现一定范围的三维数据快速采集。

煤场激光盘煤仪主要是利用二维高频率激光扫描仪对料场的表面进行高频率断面扫描获得高密度的断面数据，结合行程测量器获得的料场长度和回程测量器获得的扫描仪偏转角度数据，实现料场体积的计算、料场三维模型的显示。由于煤场表面非规则，即使扫描步距一定，最后得到的仍是三维散乱数据点集。因此图形显示及体积计算的关键在于曲面拟合，而曲线拟合的基础是准确的数据插值。

2.2数据插值计算

由激光盘煤仪获得的三维散乱点云数据不能直接用于图像复现和图形拟合，所以要进行插值运算。近30年来，有很多的算法被提出来，大多数适用于中小规模的点云数据，主要的算法有：与距离成反比的加权算法、径向基函数插值法、有限元法等。点云数据的差值问题描述如下：设在二维平面上有n个点（xi，yi）（i=1，2，…，n）并有Zi=f（xi，yi）。插值计算的主要目的是要构造一个具有C1连续的函数F（x，y）。

（1）与距离成反比的加权法。

（3）有限元方法。

该方法主要是基于求解偏微分方程，在给出具有双自变量的点云数据点vi（xi，yi）及其函数zi=f（xi，yi）（i=1，2，…，n）以后，首先求出二维平面上点云点vi的凸包，并对其进行三角剖分，形成一系列的三角形Tj，k，l。然后，构造一系列的面片，使其插值于所有pi点的函数值zi。有限元方法需要对二维点集进行三角剖分，构造出插值于各点函数值的平面三角面片，要求各面片间具有C1连续的插值方法。

通过对比上述3种算法可知，与距离成反比的加权算法是最容易实现，而且算法复杂度最小；径向基函数法相对较难实现，复杂度居中；有限元方法中的积分微分运算量最大，算法较为复杂。因此对点云数据的插值来说，径向基函数法的插值效果最为合适。图1为由盘煤仪获得的点云数据经过径向基函数插值后得到的立体图。

2.3三维渲染

三维数据场显示技术主要包括基于等值面重建的面绘制技术和采用体模型的直接体绘制方法[5]，其中体绘制方法不依赖于视点，对场景和物体的复杂度不敏感，因而易于表示大体积的采集数据或模拟数据，可以清楚地显示内部结构，易于实现并行算法。采用曲面逼近和曲面插值方法的面绘制技术能有效描述复杂表面的煤堆。然而，在这些模型中曲面的拼接、消隐和求交等处理的计算复杂度要比平面模型大得多。四面体网格模型是一种真三维数据模型，用其来模拟煤堆，不仅方便处理计算，而且便于煤堆的立体显示。

3、煤场三维可视化展示

煤场立体虚拟展示平台采用Flash+Unity3D的综合技术基于B/S架构跨操作系统平台设计。利用三维虚拟现实展示平台Unity3D技术，煤场对三维模型进行仿真和视觉效果实时渲染处理。

三维可视化展示平台系统主要由元数据模型、数据库、Unity3D服务、应用层和表现层5层结构组成。其中元数据模型包含场景数据库和业务数据库，场景数据库的元数据包括建模、材质、动作；业务数据库的元数据包括坐标、煤场参数等信息，可以根据需要进行扩展。通过Unity3D服务实现模型的放大缩小、旋转平移、视角转换、动作触发等运行逻辑。此外Unity3D服务不能完成的部分，可通过二次开发完成（如访问业务数据库，进行实时数据的展示），二次开发语言可选择C++、JavaScript、C#等，可降低系统复杂度，并将逻辑层与系统和用户的行为分离。应用层主要指系统的业务逻辑，在Unity3D服务提供接口的基础上进行场景展示等业务数据操作，为表现层提供实时展示信息。表现层包括用户界面等，同时还包括动画效果、模型特效等处理部分。

4、結语

针对激光盘煤得到的三维数据点集散乱问题，对三维点云数据插值计算方法进行对比分析，提出了一种结合三维点云数据径向基函数插值和计算机视觉修正方法。通过Delaunay三角剖分，生成网格化的三维立体图，结合燃煤发电煤场每日煤量进、耗、存实时基础数据进行修正，从而提高了绘制网格图与实际形状的拟合精度，利用Web和Unity3D与数据库进行实时交互，实现了三维可视化展示，并可实时提供煤场存煤量信息，动态修改网格图形状。

参考文献:

[1]张海洋，臧杰.三维数字化管理系统应用实践[J].华电技术，2017（5）

[2]唐泽圣.三维散乱数据场可视化[M].北京：清华大学出版社，2009

[3]颜七笙，郑盛贵.与距离成反比加权法的数据插值方法及程序实现[J].东华理工学院学报，2015（1）

[4]孙岩，邓小刚，王光学.基于径向基函数改进的Delaunay图映射动网格方法[J].航空学报，2014（3）