基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法技术

本发明专利技术提供一种基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法，属于土木工程技术领域。该方法首先进行数据准备，包括城市地理信息基础数据、建筑群地震动力反应历程数据和倾斜摄影航拍图片；然后进行三维实景模型建模，使用航点稀疏、调整细节层次及计算机集群辅助的多种优化方法加速建模；再进行模型单体化及后处理，包括建筑模型单体化、纹理压缩及环境模型扁平化；最后使用三维实景模型以及城市地理信息基础数据、建筑群地震动力反应历程数据，实现建筑群地震反应真实感动态可视化。该方法能够真实地展示建筑物地震位移历程，可用于城市虚拟应急演练，为防震减灾规划、应急预案等提供决策参考。

【技术实现步骤摘要】
基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法
本专利技术涉及土木工程
，特别是指一种基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法。
技术介绍
地震对城市安全造成巨大威胁，可能造成严重的人员伤亡，例如汶川地震等。城市地震反应过程可视化可以用于虚拟地震应急演练，为人员提供一个逼真的地震情景，从而提高人员地震应急能力，以减少人员伤亡。然而，如何高真实感地展示城市地震过程是一个关键难题。倾斜摄影(ObliquePhotogrammetry)技术为解决这一问题提供了高真实感的三维城市模型。倾斜摄影技术利用无人机装载多台相机，从不同的角度采集影像数据，然后可以根据这些影像数据建立具有照片级真实感的地表三维模型。通过该技术，可以建立真实感的城市三维模型，其分辨率可达厘米级别。目前，倾斜摄影技术已被应用城市地震场景数字建模以及震害的评估。但没有基于倾斜摄影数据实现城市建筑群地震反应动态可视化的相关研究和报道。本专利技术将利用倾斜摄影数据，实现高真实感的城市建筑群地震反应动态可视化，为城市虚拟地震应急演练提供了合理、真实的场景，以更好地支持地震应急决策。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法。该方法包括步骤如下：(1)数据准备：数据包括城市地理信息基础数据、建筑群地震动力反应历程数据以及倾斜摄影航拍图片；(2)三维实景模型建模：利用倾斜摄影航拍图片建立三维实景模型，并视情况采取多种优化方法；(3)模型单体化及后处理：对三维实景模型进行单体化，进而进行纹理压缩并进行环境模型扁平化；(4)建筑群地震反应真实感动态可视化：使用三维实景模型以及城市地理信息基础数据、建筑群地震动力反应历程数据，实现建筑群地震反应真实感动态可视化。其中，步骤(1)中城市地理信息基础数据包括建筑编号、结构类型、建筑高度、建筑层数、建造年代、楼层面积和使用功能；建筑群地震动力反应历程数据以建筑楼层为基本单元，并与城市地理信息基础数据中的建筑物一一对应；上述倾斜摄影航拍图片的地面分辨率在5cm～20cm之间，倾斜摄影航拍图片连续影像之间的重叠部分超过60％，同一地物在不同拍摄点之间的分割小于15°。步骤(2)中优化方法包括航点稀疏、调整细节层次与计算机集群辅助；其中，航点稀疏，是指在兼顾模型质量、航拍图像重叠率的情况下，通过删除部分航拍图像组以获得更快的三维实景模型建模速度；调整细节层次，是指根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而提高场景渲染效率；计算机集群辅助，是指将三维实景模型重建工作划分为若干个瓦片，并在局域网内利用多台计算机组成集群，在同一时刻对复数瓦片进行处理，从而显著加快建模效率。上述航点稀疏中能够删除的航拍图像组包括：图像模糊、图像无意义、图像重复、图像间区分度较低、图像位于拟建模区域边缘、图像超出建模区域、图像重叠图较高区域内冗余。步骤(3)中单体化是根据城市地理信息基础数据或其他平面几何信息，将几何范围内建筑物模型与环境模型分离；模型纹理压缩具体为转换纹理图片文件格式、压缩图片分辨率中的一种或两种；环境模型扁平化具体为用平面模型或简单几何模型代替复杂的三维网面模型。步骤(4)具体过程如下：利用城市地理信息基础数据中的建筑编号，将建筑单体模型与建筑群地震动力反应历程数据结果对应，并读取城市地理信息基础数据中的建筑层数数据，与动力反应历程数据中建筑物楼层单元相对应；然后，利用线性插值的方法将以楼层为单元的历程数据拓展到模型全高度范围；最后，历程数据中每一个时间步对应可视化中的一个渲染帧，每一帧都利用对应历程数据更新建筑三维图形，持续更新形成城市建筑群地震反应动态可视化效果。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：上述方案中，能够利用建筑群三维模型，结合非线性历程分析得到的位移历程计算结果，真实地展现建筑群在地震作用下的响应情况，效率高且真实感强。附图说明图1为本专利技术的基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法流程图；图2为本专利技术实施例的一个城市地理信息基础数据示例；图3为本专利技术实施例的城市地理信息基础数据属性表示例；图4为本专利技术所采用的历程位移数据文件结构；图5为本专利技术实施例的一个航点稀疏方案；图6为本专利技术实施例的一个局部城市示例场景；图7为本专利技术实施例的建筑单体化流程图；图8为本专利技术实施例的一个自动切割单体化示意图；图9为本专利技术实施例的一个手动切割单体化示例；图10为本专利技术实施例的一个三维实景模型纹理图像示例；图11为本专利技术实施例的一个环境模型扁平化示意；图12为本专利技术实施例的一个地震反应动态可视化流程图；图13为本专利技术利用历程数据为建筑地震变形线性插值方法；图14为本专利技术实施例的一个建筑物地震反应动态可视化示例，其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别为地震反应动态可视化示例在时间为7”00，7”05、7”10和7”13时的可视化展示效果(位移放大50倍)；图15为本专利技术实施例的一个城市建筑群地震反应动态可视化示例。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本专利技术提供一种基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法。如图1所示，该方法包括步骤为：(1)数据准备：数据包括城市地理信息基础数据、建筑群地震动力反应历程数据以及倾斜摄影航拍图片；(2)三维实景模型建模：利用倾斜摄影航拍图片建立三维实景模型，并视情况采取多种优化方法；(3)模型单体化及后处理：对三维实景模型进行单体化，进而进行纹理压缩并进行环境模型扁平化；(4)建筑群地震反应真实感动态可视化：使用三维实景模型以及城市地理信息基础数据、建筑群地震动力反应历程数据，实现建筑群地震反应真实感动态可视化。具体过程如下：(1)数据准备在本专利技术中，数据准备包括城市地理信息基础数据、建筑群地震动力响应历程数据及倾斜摄影航拍图片。对于城市地理信息基础数据，所包含的数据应包括建筑物地面轮廓多边形、建筑编号(ID)、结构类型、建筑层高、建筑层数、建造年代、占地面积、使用功能等。可以理解的是，这些数据可通过实地调研、从测绘机构购买获取或网络导航地图等相关渠道获取；对于建筑地震群动力响应历程数据，本专利技术为了便于实现震害可视化，需要以建筑楼层为基本单元的历程数据。对于以建筑梁、柱等构件为基本单元的历程数据，或其他类型的历程数据，需要将其格式化处理为以建筑楼层为单元的历程数据。对于历程数据中每一栋建筑物的计算结果，均与城市地理信息基础数据中的建筑编号为依据进行对应。对于该历程数据的进一步特征，将在具体实施方式中说明；对于倾斜摄影航拍图片，其地面分辨率应根据不同例尺摄制成图的要求，结合摄影区域的地形条件、测图等高距、航摄基高比及影像用途等，确定图片的地面分辨率要求。一般情况，航拍图片的地面分辨率可在5cm～20cm之间根据时机需要选择。除此之外，连续影像之间的重叠部分应超过60％，同一地物在不同拍摄点之间的分割应小于15°，以期得到更好质量的三维实景模型。对于该倾斜摄影航拍图片的进一步特征，将在具体实施方式中说明。(2)三维实景模型建模本专利技术中，利用倾斜摄影航拍图片建立航拍区域内的三维实景本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法，其特征在于：包括步骤如下：(1)数据准备：数据包括城市地理信息基础数据、建筑群地震动力反应历程数据以及倾斜摄影航拍图片；(2)三维实景模型建模：利用倾斜摄影航拍图片建立三维实景模型，并视情况采取多种优化方法；(3)模型单体化及后处理：对三维实景模型进行单体化，进而进行纹理压缩并进行环境模型扁平化；(4)建筑群地震反应真实感动态可视化：使用三维实景模型以及城市地理信息基础数据、建筑群地震动力反应历程数据，实现建筑群地震反应真实感动态可视化。

【技术特征摘要】
1.一种基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法，其特征在于：包括步骤如下：(1)数据准备：数据包括城市地理信息基础数据、建筑群地震动力反应历程数据以及倾斜摄影航拍图片；(2)三维实景模型建模：利用倾斜摄影航拍图片建立三维实景模型，并视情况采取多种优化方法；(3)模型单体化及后处理：对三维实景模型进行单体化，进而进行纹理压缩并进行环境模型扁平化；(4)建筑群地震反应真实感动态可视化：使用三维实景模型以及城市地理信息基础数据、建筑群地震动力反应历程数据，实现建筑群地震反应真实感动态可视化。2.根据权利要求1所述的基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法，其特征在于：所述步骤(1)中城市地理信息基础数据包括建筑编号、结构类型、建筑高度、建筑层数、建造年代、楼层面积和使用功能；建筑群地震动力反应历程数据以建筑楼层为基本单元，并与城市地理信息基础数据中的建筑物一一对应；倾斜摄影航拍图片满足建立模型所需的地面分辨率以及重叠度要求。3.根据权利要求2所述的基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法，其特征在于：所述倾斜摄影航拍图片的地面分辨率在5cm～20cm之间，倾斜摄影航拍图片连续影像之间的重叠部分超过60％，同一地物在不同拍摄点之间的分割小于15°。4.根据权利要求1所述的基于倾斜摄影数据的城市建筑群地震反应动态可视化方法，其特征在于：所述步骤(2)中优化方法包括航点稀疏、调整细节层次与计算机集群辅助；其中，航点稀疏，是指在兼顾模型质量、航拍图像重叠率的情况下，通过删除部分航拍图像组以获得更快的三维实景模型建模速度；调整细...

【专利技术属性】
技术研发人员：许镇，吴元，薛巧蕊，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11