面向数字孪生场景的三维水质剖面计算与聚焦展示方法技术

本发明专利技术公开了一种面向数字孪生场景的三维水质剖面计算与聚焦展示方法，涉及数字孪生技术领域

【技术实现步骤摘要】
面向数字孪生场景的三维水质剖面计算与聚焦展示方法


[0001]本专利技术涉及数字孪生
，更具体地说它是一种面向数字孪生场景的三维水质剖面计算与聚焦展示方法
。

技术介绍

[0002]近年来，数字孪生技术的快速发展为水利行业带来了巨大的变革
。
在水质应用方面，数字孪生技术可用于水质监测
、
污染治理和水环境保护等领域，通过建立水质与水污染的数学模型，并构建与之相对应的虚拟孪生模型，监测水体污染物的浓度和分布，预测水污染和治理污染源，保护水环境和生态系统，实现对水质状况的监测
、
预测
、
优化和管理；在三维水质管理与应用领域，常用的模型软件包括美国弗吉尼亚大学开发的
EFDC
模型
、
荷兰代尔夫特理工大学开发的
Delft3D
模型
、
丹麦水力研究所开发的
MIKE3
模型等，这些模型可模拟水体中的水流
、
水温
、
水质等变化，预测水质污染
、
氧化还原
、
氮循环等物理和化学过程，并能与水动力学模型结合以实现与水深
、
水位
、
流速等的耦合计算
。
[0003]利用三维水质模型对水库
、
湖泊等区域开展三维水质分析时，研究人员除了计算水质的整体演化状况外，通常还需要对部分重点关注的河道断面
、
剖面的水质指标空间分布特性进行分析
。
而目前对三维水质计算结果的可视化大多采用二维平面展示方式，针对某一水质分层的污染物指标等进行分级设色渲染，对水质计算结果开展剖面计算等深化分析的研究较少，其中
3EWater、EFDC Explorer、IWIND
‑
LR
等商业软件提供了简易的剖面展示模块，将剖面分析结果在单独窗口中以二维图表形式呈现
。
[0004]现有的三维水质可视化研究缺少对河道断面
、
任意剖面的水质状况进行分析的技术方案，且存在下列问题：
[0005]1)
部分三维水质应用商业软件提供了简易的剖面展示模块，将剖面分析结果在单独窗口中以二维图表形式呈现，难以直观理解该水质剖面在整体水质模型中的关系，无法在数字孪生场景中直观呈现；
[0006]2)
现有方法对三维水质模型的剖面呈现通常将剖面涉及的垂向网格直接进行堆叠展示
,
导致相邻网格间的高程和颜色不连续
、
不平滑；
[0007]3)
对水质剖面的三维可视化呈现不够突出，难以形成对水质剖面结果的聚焦和关注，无法醒目呈现水质剖面结果在三维场景中所需表达的含义
。
[0008]因此
,
亟需提出一种面向数字孪生场景的三维水质剖面计算与聚焦展示方法以解决上述问题，实现河道断面
、
任意剖面的三维水质状况直观
、
聚焦呈现
。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是为了克服上述
技术介绍
的不足之处，而提供一种面向数字孪生场景的三维水质剖面计算与聚焦展示方法
。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：面向数字孪生场景的三维水质剖面计算与聚焦展示方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011]步骤1，导入或绘制剖面线：
[0012]在数字孪生场景中，完成三维水质数字孪生网格体的构建后，基于水质污染物指标对数字孪生网格体进行分级设色渲染，三维水质数据在真实的空间坐标位置进行可视化呈现；根据所需展示的剖面需求，导入已有的剖面线，或绘制剖面线，并记录剖面线的起始和结束空间坐标；
[0013]步骤2，计算剖面线涉及的水质网格与交点序列：
[0014]在三维水质数据的投影平面上，利用剖面线与三维水质的平面投影网格进行相交计算，若某水质网格与剖面线存在交点，则该网格为剖面线涉及的网格，记录网格编号
、
网格与剖面线的交点坐标；沿剖面线方向对所有交点排序，根据交点类型将剖面线划分为一段或多段有效剖面线，记录组成这些有效剖面线的交点序列；
[0015]步骤3，剖面网格筛选与剖面线插值计算：
[0016]对计算得出的水质网格与交点序列，分别进行筛选和计算：
[0017]1)
对于水质网格，交互式的筛选其中重点关注的一个或多个网格，确定所需重点展示的三维水质网格数据；
[0018]2)
对于交点序列，以剖面线起点为坐标原点，沿剖面线方向按照设定的采样距离获取插值点，并对每一个插值点根据所在的水质网格进行分层信息计算，获取分层空间坐标与水质指标，从而构建为剖面结果；
[0019]步骤4，剖面网格与剖面结果的聚焦展示：
[0020]对计算得出的剖面网格
、
剖面结果，分别进行聚焦展示：
[0021]1)
对于剖面网格的聚焦展示，采用高亮展示和抬升展示两种方式：高亮展示方式对三维水质数字孪生体进行半透明虚化，并高亮显示关注的剖面网格体；抬升展示方式对三维水质数字孪生体进行半透明虚化，在关注的剖面网格处绘制线框，并在垂向方向上抬升显示网格结果；
[0022]2)
对于剖面结果的聚焦展示，采用高亮展示和抬升展示两种方式：高亮展示方式对三维水质数字孪生体进行半透明虚化，将剖面线上的插值点渲染为二维剖面，以真实的空间坐标与三维水质数字孪生体进行叠加显示；抬升展示方式对三维水质数字孪生体进行半透明虚化展示，在关注的剖面结果处绘制剖面的轮廓范围，并在垂向方向上抬升显示剖面结果
。
[0023]在上述技术方案中，步骤2包括：
[0024]步骤
2.1
：剖面线与水质网格相交计算；
[0025]步骤
2.1.1
：在三维水质数据的投影平面上，获取剖面线的投影坐标，构成的平面投影上剖面线为
MN
；
[0026]步骤
2.1.2
：剖面线
MN
依次与所有的水质网格进行相交计算
。
假定某水质网格为
ABCD
，组成该网格的4条线段为
AB、BC、CD、DA
，分别判断线段
MN
与4条线段是否相交，若相交则进一步求出交点坐标；
[0027]步骤
2.1.3
：记录所有的交点坐标，为步骤
2.2
提供输入；
[0028]步骤
2.2
：剖面线交点类型判别与关键点提取；
[0029]步骤
2.2.1
：根据所有交点的
XY
坐标判断哪些点为重复点，其中：没有重复的点为边界点，将其标记为关键点；重复出现2次的点为内部点，说明该网格线为两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
面向数字孪生场景的三维水质剖面计算与聚焦展示方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，导入或绘制剖面线：在数字孪生场景中，完成三维水质数字孪生网格体的构建后，基于水质污染物指标对数字孪生网格体进行分级设色渲染，三维水质数据在真实的空间坐标位置进行可视化呈现；根据所需展示的剖面需求，导入已有的剖面线，或绘制剖面线，并记录剖面线的起始和结束空间坐标；步骤2，计算剖面线涉及的水质网格与交点序列：在三维水质数据的投影平面上，利用剖面线与三维水质的平面投影网格进行相交计算，若某水质网格与剖面线存在交点，则该网格为剖面线涉及的网格，记录网格编号
、
网格与剖面线的交点坐标；沿剖面线方向对所有交点排序，根据交点类型将剖面线划分为一段或多段有效剖面线，记录组成这些有效剖面线的交点序列；步骤3，剖面网格筛选与剖面线插值计算：对计算得出的水质网格与交点序列，分别进行筛选和计算：
1)
对于水质网格，交互式的筛选其中重点关注的一个或多个网格，确定所需重点展示的三维水质网格数据；
2)
对于交点序列，以剖面线起点为坐标原点，沿剖面线方向按照设定的采样距离获取插值点，并对每一个插值点根据所在的水质网格进行分层信息计算，获取分层空间坐标与水质指标，从而构建为剖面结果；步骤4，剖面网格与剖面结果的聚焦展示：对计算得出的剖面网格
、
剖面结果，分别进行聚焦展示：
1)
对于剖面网格的聚焦展示，采用高亮展示和抬升展示两种方式：高亮展示方式对三维水质数字孪生体进行半透明虚化，并高亮显示关注的剖面网格体；抬升展示方式对三维水质数字孪生体进行半透明虚化，在关注的剖面网格处绘制线框，并在垂向方向上抬升显示网格结果；
2)
对于剖面结果的聚焦展示，采用高亮展示和抬升展示两种方式：高亮展示方式对三维水质数字孪生体进行半透明虚化，将剖面线上的插值点渲染为二维剖面，以真实的空间坐标与三维水质数字孪生体进行叠加显示；抬升展示方式对三维水质数字孪生体进行半透明虚化展示，在关注的剖面结果处绘制剖面的轮廓范围，并在垂向方向上抬升显示剖面结果
。2.
根据权利要求1所述的面向数字孪生场景的三维水质剖面计算与聚焦展示方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤
2.1
：剖面线与水质网格相交计算；包括：步骤
2.1.1
：在三维水质数据的投影平面上，获取剖面线的投影坐标，构成的平面投影上剖面线为
MN
；步骤
2.1.2
：剖面线
MN
依次与所有的水质网格进行相交计算；分别判断线段
MN
与网格线段是否相交，若相交则进一步求出交点坐标；步骤
2.1.3
：记录所有的交点坐标，为步骤
2.2
提供输入；步骤
2.2
：剖面线交点类型判别与关键点提取；包括：
步骤
2.2.1
：根据所有交点的
XY
坐标判断哪些点为重复点，其中：没有重复的点为边界点，将其标记为关键点；重复出现2次的点为内部点，说明该网格线为两个内部网格的交点，为无效点；步骤
2.2.2
：计算线段
MN
两个端点是否在水质网格内部，若端点在内部，则该点为关键点；若不在内部，则该点为无效点；步骤
2.3
：关键点排序并形成有效剖面线；包括：步骤
2.3.1
：对提取的所有关键点按
X
坐标进行升序排序，若
X
坐标相等则按
Y
坐标进行升序排序；步骤
2.3.2
：将关键点两两顺序连接形成有效剖面线序列，记录组成这些有效剖面线的交点序列
。3.
根据权利要求2所述的面向数字孪生场景的三维水...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成堃，张力，张航，李双平，陈远瞩，祝宪章，李琦，郭雯，吴学宇，李经天，
申请(专利权)人：长江空间信息技术工程有限公司武汉，
类型：发明
国别省市：