一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法技术

本发明专利技术提供一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法，包括：以建筑群的倾斜摄影模型作为数据源，进行单体化操作，将建筑群的倾斜摄影模型分割为单体建筑倾斜摄影模型；遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，对所述三角网格进行体素化操作，得到建筑群的体素模型；利用所述体素模型进行建模，建立火灾数值模拟模型，并赋予燃烧属性。本发明专利技术利用体素化方法实现由建筑的倾斜摄影模型得到建筑群的数值模拟建模，快速地建立建筑群的火灾数值模型，进而给出建筑群火灾蔓延的具体过程，不仅能够节省大量人工建模的工作量，并且可进一步得到区域火灾模拟更精细的结果，为更科学防灾、降低灾后损失提供依据。

A method of building fire simulation modeling based on tilt photography and voxel

【技术实现步骤摘要】
一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法
本专利技术涉及土木工程防灾减灾
，特别涉及一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法。
技术介绍
近年来，国内外发生了多起严重的建筑群火灾事故，造成严重的人员伤亡与巨大的经济损失，如2014年云南独克宗古城发生严重的火灾，造成343栋木结构房屋烧毁，经济损失约8983.93万元。许多学者构建了建筑群的火灾蔓延模型(CHENGL,LIS,MAL,etal.FirespreadsimulationusingGIS:Aimingaturbannaturalgaspipeline[J].SafetyScience,2015,75:23-35；赵思键,熊利亚,任爱珠,等.基于GIS的城市特大火灾蔓延模拟[J].火灾科学,2006,15(3):128-137)，可以预测火灾发展的过程与最终蔓延范围，对于火灾防控有重要意义。不过，当前的建筑群火灾模拟无法给出更精细的结果，如火从一栋建筑蔓延到另一栋建筑的过程等。如果能对建筑群进行更精细的火灾数值模拟，给出以上结果，这将为火灾防控、灾后应急救援、降低火灾发生后损失提供依据，进而降低火灾的人员伤亡及经济损失。基于计算流体动力学的火灾数值模拟方法可以有效再现火灾发展的状态及特性，得到火灾发生过程中各物理量的变化等信息。不过，建筑群的数值模拟建模工作繁重、效率低下。倾斜摄影技术能够高效快捷建立建筑物三维模型，如果将倾斜摄影测量模型用于火灾数值模拟，这将大大节省建模工作。然而，倾斜摄影测量得到的建筑模型是由三角网格表示的建筑外轮廓模型，只有表面，没有实体，无法直接用于数值模拟。体素化是用体积集合表示离散的表面，可以从建筑的倾斜摄影模型得到体素模型，实现建筑群火灾数值模拟的快速建模。目前，并没有利用体素方法实现倾斜摄影模型体素化并进行建筑群火灾数值建模的先例。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法，实现从建筑的倾斜摄影模型得到建筑的体素模型，并快速建立火灾模拟模型，以应用于建筑群的火灾蔓延模拟，为科学的防火减灾提供决策依据。为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供如下方案：一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法，包括以下步骤：S1、以建筑群的倾斜摄影模型作为数据源，进行单体化操作，将建筑群的倾斜摄影模型分割为单体建筑倾斜摄影模型；S2、遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，对所述三角网格进行体素化操作，得到建筑群的体素模型；S3、利用所述体素模型进行建模，建立火灾数值模拟模型，并赋予燃烧属性。优选地，所述步骤S2包括：遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，计算三角网格与三角网格包围盒中体素的距离，具体为体素中心到三角网格的顶点、边、面的距离；利用上述三个距离的大小判断体素是否与三角网格相交；在与三角网格相交的体素的位置处生成立方体体素，实现三角网格的体素化，得到建筑群的体素模型。优选地，当体素与三角网格相交时，则在体素所在的位置处生成一个边长为L的立方体体素。优选地，利用体素中心到三角网格的顶点、边、面的距离的大小判断体素是否与三角网格相交的步骤包括：如果三角网格的顶点到体素中心的距离小于RC、或三角网格的边到体素中心的距离小于RC、或体素中心到三角网格所在面的距离小于t6时，表明三角网格与体素相交；利用以下公式计算RC和t6：RC＝(L/2)cosβt6＝L/2其中，L是正方体体素的边长，β为三角网格所在的面的法向量与体素三个方向的面之间所成夹角的最小值。优选地，三角网格的顶点体素化的步骤包括：对每个顶点，计算其半径为RC的包围球，若假定的体素中心位于此球内，则在该体素中心创建体素；点A(x1,y1,z1)、点B(x2,y2,z2)和点C(x3,y3,z3)为三角网格的顶点，点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到三角网格顶点的距离d计算公式为:如果体素中心O到三角网格顶点的距离d小于RC，表示体素中心位于此球内，则在该体素中心的位置创建体素。优选地，三角网格的边体素化的步骤包括：对于每一条边，计算以该边为中心轴、半径为RC的圆柱，若假定的体素中心位于此圆柱内，则在该体素中心创建体素；点A(x1,y1,z1)、点B(x2,y2,z2)和点C(x3,y3,z3)为三角网格的顶点，点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到AB边的距离d为:如果体素中心O到三角网格一条边的距离d小于RC，表示体素中心位于此圆柱内，则在该体素中心的位置创建体素。优选地，三角网格的面体素化的步骤包括：对于每一个三角网格，得到与该三角网格S平行且距离为预设距离t的两侧等形状三角网格G和H，若假定的体素中心位于此三棱柱内，则在该体素中心的位置创建体素；点O(x0,y0,z0)为任意体素中心，则体素中心O到三角网格S所在面的距离d为：其中，S＝Ax+By+Cz+D为三角网格所在面的一般表达式，若体素在三角网格的投影在三角网格内，并且体素中心O到三角网格所在面的距离d小于t6，表示体素中心位于此三棱柱内，则在该体素中心创建体素。优选地，所述步骤S3包括：提取所述体素模型的每一个顶点坐标，利用所述顶点坐标建立火灾数值模拟模型，并对所述火灾数值模拟模型赋予燃烧属性。本专利技术的上述方案至少包括以下有益效果：本专利技术利用体素化方法实现由建筑的倾斜摄影模型得到建筑群的数值模拟建模，快速地建立建筑群的火灾数值模型，进而给出建筑群火灾蔓延的具体过程，不仅能够节省大量人工建模的工作量，并且可进一步得到区域火灾模拟更精细的结果，为更科学防灾、降低灾后损失提供依据。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法的流程图；图2是建筑的倾斜摄影模型示意图；图3a-图3c分别是三角网格顶点体素化、边体素化、面体素化的示意图；图4a-图4b分别是体素在三角网格的投影位于三角网格内及三角网格外的示意图；图5是体素化的流程示意图；图6a-图6c分别是建筑Revit模型、建筑体素模型与建筑实体模型的示意图；图7a-图7c分别是建筑实体模型模拟时间t为10s、60s、300s的温度切片分布以及燃烧情况；图7d-图7f分别是建筑体素模型模拟时间t为10s、60s、300s的温度切片分布以及燃烧情况；图8a-图8c分别是建筑实体模型与建筑体素模型在点火粒子上方2m、3m、4m处布置的温度探测器的温度变化曲线；图9a-图9f分别是基于本专利技术方法的建筑群火灾蔓延模拟在0s、50s、100s、150s、200s、250s的结果示意图。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，下面将结合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、以建筑群的倾斜摄影模型作为数据源，进行单体化操作，将建筑群的倾斜摄影模型分割为单体建筑倾斜摄影模型；/nS2、遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，对所述三角网格进行体素化操作，得到建筑群的体素模型；/nS3、利用所述体素模型进行建模，建立火灾数值模拟模型，并赋予燃烧属性。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于倾斜摄影和体素的建筑群火灾模拟建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以建筑群的倾斜摄影模型作为数据源，进行单体化操作，将建筑群的倾斜摄影模型分割为单体建筑倾斜摄影模型；
S2、遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，对所述三角网格进行体素化操作，得到建筑群的体素模型；
S3、利用所述体素模型进行建模，建立火灾数值模拟模型，并赋予燃烧属性。


2.根据权利要求1所述的建筑群火灾模拟建模方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
遍历所述单体建筑倾斜摄影模型的每一个三角网格，计算三角网格与三角网格包围盒中体素的距离，具体为体素中心到三角网格的顶点、边、面的距离；
利用上述三个距离的大小判断体素是否与三角网格相交；
在与三角网格相交的体素的位置处生成立方体体素，实现三角网格的体素化，得到建筑群的体素模型。


3.根据权利要求2所述的建筑群火灾模拟建模方法，其特征在于，当体素与三角网格相交时，则在体素所在的位置处生成一个边长为L的立方体体素。


4.根据权利要求3所述的建筑群火灾模拟建模方法，其特征在于，利用体素中心到三角网格的顶点、边、面的距离的大小判断体素是否与三角网格相交的步骤包括：
如果三角网格的顶点到体素中心的距离小于RC、或三角网格的边到体素中心的距离小于RC、或体素中心到三角网格所在面的距离小于t6时，表明三角网格与体素相交；利用以下公式计算RC和t6：
RC＝(L/2)cosβ
t6＝L/2
其中，L是正方体体素的边长，β为三角网格所在的面的法向量与体素三个方向的面之间所成夹角的最小值。


5.根据权利要求4所述的建筑群火灾模拟建模方法，其特征在于，三角网格的顶点体素化的步骤包括：
对每个顶点，计算其半径为RC的包围球，若假定的体素中心位于此球内，则在该体素中心创建体素；...

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