一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法及系统，属于水电工程建设管理技术领域。本发明专利技术解决水工建筑物实测资料在虚拟现实中的三维展示与分析难题，结合相关成果进行多维度综合评判，动态模拟水工建筑物实测工作性态随环境因素的时空演化，并建立空间监控评判模型，快速诊断水工建筑物健康状况，消除了传统二维分析成果的局限性，对于提升水电工程管理水平具有意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水电工程建设管理
，具体涉及一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法及系统。
技术介绍
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合。虚拟现实技术在水电行业的应用较少，基本为工程形象、面貌展示，在专业分析应用领域基本处于空白。随着BIM、3S技术等新技术手段在水电工程中的应用不断深化，为虚拟现实技术在水电工程中的深层次应用提供了有利条件，如能借助虚拟现实技术直观可视的优点，实现丰富专业分析的层次，提升专业分析成果的直观性，对于指导水电工程的安全决策具有重要意义。近年来我国水电发展尤为迅速，以三峡大坝(坝高181m)、金沙江溪洛渡拱坝(坝高285.5m)、澜沧江小湾拱坝(坝高294.5m)等为代表的一批的高坝大库陆续修建，随着坝高和库容的不断增加，工程安全监控越来越受到政府、业主等各方关注。随着众多水利水电工程运行期不断增长，工程安全监控及管理手段也面临越来越多的挑战。在安全监测专业，工程安全监测自动化系统已逐渐成为水电工程监测专业发展新趋势，通过自动化采集手段实时掌握大坝等水工建筑物工作性态，是水电工程安全决策的重要基础和保证。传统的监测数据分析只限于二维层面，信息表达能力有限，非专业人员难以快速理解和获取有效信息，不利于进行水工建筑物基于实测资料的快速安全评判，难以对工程安全决策进行有效支撑。安全监测数据借助虚拟现实技术进行三维可视化展示，并结合环境量等相关成果进行多维度分析，快速进行水工建筑物的空间维度安全分析评判，相关研究内容在国内尚属空白，对指导水电工程的安全决策具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法及系统，解决水工建筑物实测资料在虚拟现实中的三维展示与分析中的难题，结合相关成果进行多维度综合评判，动态模拟水工建筑物实测工作性态随环境因素的时空演化，并建立空间监控评判模型，快速诊断水工建筑物健康状况。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法，包括如下步骤：步骤1，根据水工建筑物结构特点，设计布置自动化监测系统，自动采集水工建筑物的监测数据和环境量数据；所述的监测数据包括变形、应力应变、温度、渗流四项监测项目的数据；步骤2，将自动化监测系统采集数据先同步到服务器中的监测专业数据库，后调用监测数据库中各监测点的整编计算公式，进行监测资料整编；步骤3，建立建筑物BIM模型和地理信息GIS模型，在同一平台中加载集成两者模型信息；BIM建筑模型与GIS地理信息模型按照经纬坐标集成，构建水电工程虚拟现实三维场景；步骤4，经整编后的监测数据为数据源，采用空间插值算法计算建筑物监测状态的三维分布结果，并在BIM模型中以等值云图方式展示；步骤5，在GIS地理信息模型中，加载环境量数据，上下游水位在GIS场景中采用实际高程的水面展示，降雨和流量采用粒子系统模型模拟效果展示，得到环境量模型；步骤6，加载相同时刻的GIS场景中的环境量模型与BIM模型中表示实测性态的三维等值云图，在水电工程虚拟现实三维场景中模拟两者随同一时间轴的同步动态展示；步骤7，采用逐步回归方法建立各单测点的监控统计模型，根据各单测点监控统计模型计算各单测点评判预测值，根据各单测点评判预测值对其实测值进行判断，判断其是否在监控模型的允许范围，以识别实测值是否正常、基本正常、异常；根据各单测点评价结果评判结果和三维空间坐标，采用空间插值算法构建水工建筑物各监测项目的空间监测预测评判模型，在BIM模型中进行三维展示，以辅助电站管理人员管理决策。进一步，优选的是步骤1中，自动化监测系统自动采集的监测数据为正垂线、倒垂线、渗压计、测斜管、测压管、多向应变计组、温度计和量水堰所测得的数据；所述的环境量数据包括上下游水位、降雨和流量。进一步，优选的是步骤4中，建筑物监测状态的三维分布计算方法为：变形、应力应变、温度监测项目以监测点的三维坐标作为插值点，监测点实测整编数据为数据源，以BIM模型为边界约束，通过空间插值方法，形成水工建筑物不同工作性态空间分布场，在BIM模型进行可视化展示；渗流监测项目以测压管三维坐标为基准点，以监测点的实测整编数据为数据源，在BIM模型中形成测压管测值三维柱状分布模型，直观了解掌握渗压空间分布情况。进一步，优选的是根据单测点评判预测值对其实测值进行判断的方法为：1)若评判预测值与实测值y0i满足时，则实测值正常；2)若实测值满足时，并重复测2～3次，仍在之间，则实测值基本正常，但应进行进一步观测分析成因；3)若实测值满足时，则实测值异常，应当预警；其中，为该单测点的评判预测值；y0i为该单测点的实测值；S为该单测点监控统计模型的标准差。一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析系统，包括数据采集层、数据汇集层、数据服务层、模型渲染层和应用服务层；数据采集层、数据汇集层、数据服务层、模型渲染层和应用服务层顺序相连；数据采集层用于获取水工建筑物的变形、渗流、应力应变、温度以及环境量的原始数据信息；数据采集层中包括用于监测水工建筑物的变形监测仪器、渗流监测仪器、应力应变监测仪器、温度监测仪器和环境量监测仪器；数据汇集层，包括监测专业数据库、地理空间数据库和BIM模型信息数据库；将数据采集层得到的原始数据通过数据汇集接口进入数据汇集层中，并依据各监测点的整编公式进行计算，并将整编计算结果存储至监测专业数据库中；地理空间数据库用于存储地理信息模型中的数字高程信息和正射影像信息；BIM模型信息数据库是用于存储各种监测仪器的BIM模型及水工建筑物的BIM模型；数据服务层用于获取监测专业数据库中的整编数据，采用空间插值算法计算建筑物实测形态三维分布；数据服务层包括监测建筑物变形空间评判模型、地理信息模型构建模块和BIM模型构建模块；建筑物变形空间评判模型用于采用逐步回归方法建立监测单测点的监控统计模型，并将单测点的监控统计模型进行空间插值，构建空间监测预测评判模型；地理信息模型构建模块用于从地理空间数据库加载水工建筑物所在处的数字高程信息和正射影像信息，然后构建成地理信息三维场景模型；BIM模型构建模块用于从BIM模型信息数据库中加载该水工建筑物的BIM模型及各监测仪器的BIM模型，形成BIM三维模型；模型渲染层用于将BIM模型构建模块构建的BIM三维模型、与地理信息模型构建模块构建的地理信息三维场景模型进行加载，建立该水电工程虚拟现实场景，并渲染展示；应用服务层，包括数据管理模块、GIS环境管理模块、BIM模型管理模块、BIM等值云图模块、多维信息展示模块和空间评判模型模块；数据管理模块，用于对监测专业数据库进行增加、删除、查询和修改；GIS环境管理模块，用于管理水电工程枢纽区和库区范围的地理信息模型；BIM模型管理模块，用于对BIM模型显示模式切换、割切、透明度、颜色、视角定制、显示三维标尺和截图操作进行设置；BIM等值云图模块，用于调用空间监测预测评判模型计算建筑物工作形态的三维插值结果，在BIM三维模型中以等值云图形式显示；多维信息展示模块，用于在该水电工程虚拟现实场景中加载显示环境量与BIM等值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据水工建筑物结构特点，设计布置自动化监测系统，自动采集水工建筑物的监测数据和环境量数据；所述的监测数据包括变形、应力应变、温度、渗流四项监测项目的数据；步骤2，将自动化监测系统采集数据先同步到服务器中的监测专业数据库，后调用监测数据库中各监测点的整编计算公式，进行监测资料整编；步骤3，建立建筑物BIM模型和地理信息GIS模型，在同一平台中加载集成两者模型信息；BIM建筑模型与GIS地理信息模型按照经纬坐标集成，构建水电工程虚拟现实三维场景；步骤4，经整编后的监测数据为数据源，采用空间插值算法计算建筑物监测状态的三维分布结果，并在BIM模型中以等值云图方式展示；步骤5，在GIS地理信息模型中，加载环境量数据，上下游水位在GIS场景中采用实际高程的水面展示，降雨和流量采用粒子系统模型模拟效果展示，得到环境量模型；步骤6，加载相同时刻的GIS场景中的环境量模型与BIM模型中表示实测性态的三维等值云图，在水电工程虚拟现实三维场景中模拟两者随同一时间轴的同步动态展示；步骤7，采用逐步回归方法建立各单测点的监控统计模型，根据各单测点监控统计模型计算各单测点评判预测值，根据各单测点评判预测值对其实测值进行判断，判断其是否在监控模型的允许范围，以识别实测值是否正常、基本正常、异常；根据各单测点评价结果评判结果和三维空间坐标，采用空间插值算法构建水工建筑物各监测项目的空间监测预测评判模型，在BIM模型中进行三维展示，以辅助电站管理人员管理决策。...

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据水工建筑物结构特点，设计布置自动化监测系统，自动采集水工建筑物的监测数据和环境量数据；所述的监测数据包括变形、应力应变、温度、渗流四项监测项目的数据；步骤2，将自动化监测系统采集数据先同步到服务器中的监测专业数据库，后调用监测数据库中各监测点的整编计算公式，进行监测资料整编；步骤3，建立建筑物BIM模型和地理信息GIS模型，在同一平台中加载集成两者模型信息；BIM建筑模型与GIS地理信息模型按照经纬坐标集成，构建水电工程虚拟现实三维场景；步骤4，经整编后的监测数据为数据源，采用空间插值算法计算建筑物监测状态的三维分布结果，并在BIM模型中以等值云图方式展示；步骤5，在GIS地理信息模型中，加载环境量数据，上下游水位在GIS场景中采用实际高程的水面展示，降雨和流量采用粒子系统模型模拟效果展示，得到环境量模型；步骤6，加载相同时刻的GIS场景中的环境量模型与BIM模型中表示实测性态的三维等值云图，在水电工程虚拟现实三维场景中模拟两者随同一时间轴的同步动态展示；步骤7，采用逐步回归方法建立各单测点的监控统计模型，根据各单测点监控统计模型计算各单测点评判预测值，根据各单测点评判预测值对其实测值进行判断，判断其是否在监控模型的允许范围，以识别实测值是否正常、基本正常、异常；根据各单测点评价结果评判结果和三维空间坐标，采用空间插值算法构建水工建筑物各监测项目的空间监测预测评判模型，在BIM模型中进行三维展示，以辅助电站管理人员管理决策。2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法，其特征在于，步骤1中，自动化监测系统自动采集的监测数据为正垂线、倒垂线、渗压计、测斜管、测压管、多向应变计组、温度计和量水堰所测得的数据；所述的环境量数据包括上下游水位、降雨和流量。3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法，其特征在于，步骤4中，建筑物监测状态的三维分布计算方法为：变形、应力应变、温度监测项目以监测点的三维坐标作为插值点，监测点实测整编数据为数据源，以BIM模型为边界约束，通过空间插值方法，形成水工建筑物不同工作性态空间分布场，在BIM模型进行可视化展示；渗流监测项目以测压管三维坐标为基准点，以监测点的实测整编数据为数据源，在BIM模型中形成测压管测值三维柱状分布模型，直观了解掌握渗压空间分布情况。4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法，其特征在于，根据单测点评判预测值对其实测值进行判断的方法为：1)若评判预测值与实测值y0i满足时，则实测值正常；2)若实测值满足时，并重复测2～3次，仍在之间，则实测值基本正常，但应进行进一步观测分析成因；3)若实测值满足时，则实测值异常，应当预警；其中，为该单测点的评判预测值；y0i为该单测点的实测值；S为该单测点监控统计模型的标准差。5.一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析系统，其特征在于，包括数据采集层(100)、数据汇集层(200)、数据服务层(300)、模型渲染层(400)和应用服务层(500)；数据采集层(100)、数据汇集层(200)、数据服务层(300)、模型渲染层(400)和应用服务层(500)顺序相连；数据采集层(100)用于获取水工建筑物的变形、渗流、应力应变、温度以及环境量的原始数据信息；数据采集层(100)中包括用于监测水工建筑物的变形监测仪器(101)、渗流监测仪器(102)、应力应变监测仪器(103)、温度监测仪器(104)和环境量监测仪器(105)；数据汇集层(200)，包括监测专业数据库(201)、地理空间数据库(202)和BIM模型信息数据库(203)；将数据采集层(100)得到的原始...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宗亮，许后磊，赵志勇，张礼兵，汪国斌，杨硕文，胡灵芝，陈荣高，
申请(专利权)人：中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：云南;53