一种三维桥梁场景构建方法和装置与流程

本发明实施例涉及交通技术领域，尤其涉及一种三维桥梁场景构建方法和装置。

背景技术：

高速公路桥梁是养护部门的重点监测对象，由于其受环境、超载、人为、材料自身性能退化、管理养护不及时到位等因素的影响，桥梁结构各部分在远没有达到设计年限就产生不同程度的损伤和劣化。传统的桥梁展示方法是在二维地图上以点的形式进行展示，而桥梁具有复杂空间结构，在二维地图中，桥梁的空间信息和桥梁周边的环境信息都无法展示，不能进行桥梁病害位置定位，不能在桥梁运营管理中，为桥梁养护人员提供辅助决策支持。

目前，常见的桥梁的三维场景展示方案为制作简单的三维桥梁模型，并且只有桥梁，桥梁空间信息丢失严重，没有桥梁周边的环境信息。该方法成本低，但是交互体验差，只是示意图，不能起到养护辅助决策支持的作用。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种三维桥梁场景构建方法和装置，用于解决现有技术中三维桥梁场景中缺少桥梁周边环境信息的问题。

本发明实施例提供了一种三维桥梁场景构建方法，包括：

获取桥梁的结构数据及所述桥梁周围的环境数据；

对所述桥梁周围的环境数据进行预处理后获得桥梁环境的建模数据；

根据所述桥梁环境的建模数据建立所述桥梁环境的三维场景模型，并根据所述桥梁的结构数据建立所述桥梁的三维模型；

将所述桥梁环境的三维场景模型和所述桥梁的三维模型进行贴合并展示。

可选地，所述对所述桥梁周围的环境数据进行预处理后获得桥梁环境的建模数据，包括：

将所述桥梁周围的环境数据重新投影后获得重投影数据；

将所述重投影数据进行数据格式转换确定目标格式数据；

将所述目标格式数据进行三维空间坐标映射确定桥梁环境的建模数据。

可选地，所述将所述目标格式数据进行三维空间坐标映射确定桥梁环境的建模数据，包括：

按照第一映射比例将所述目标格式数据进行平面坐标映射之后，根据所述第一映射比例对所述目标格式数据进行高程坐标映射确定桥梁环境的建模数据；或者

按照第一映射比例将所述目标格式数据进行平面坐标映射之后，根据预设的固定映射比例对所述目标格式数据进行高程坐标映射确定桥梁环境的建模数据。

可选地，所述根据所述桥梁环境的建模数据建立所述桥梁环境的三维场景模型，包括：

根据所述桥梁环境的建模数据构建桥梁环境模型对象；

对所述桥梁环境模型对象进行显示优化；

将优化后的桥梁环境模型对象进行纹理渲染和映射确定桥梁环境的三维场景模型。

可选地，所述将所述桥梁环境的三维场景模型和所述桥梁的三维模型进行贴合并展示，包括：

根据所述桥梁环境的三维场景模型调整所述桥梁的三维模型的比例；

将所述桥梁环境的三维场景模型和调整比例后的桥梁的三维模型进行贴合并分段加载展示。

相应地，本发明实施例还提供了一种三维桥梁场景构建装置，包括：

获取模块，用于获取桥梁的结构数据及所述桥梁周围的环境数据；

处理模块，用于对所述桥梁周围的环境数据进行预处理后获得桥梁环境的建模数据；根据所述桥梁环境的建模数据建立所述桥梁环境的三维场景模型，并根据所述桥梁的结构数据建立所述桥梁的三维模型；将所述桥梁环境的三维场景模型和所述桥梁的三维模型进行贴合并展示。

可选地，所述处理模块具体用于：

将所述桥梁周围的环境数据重新投影后获得重投影数据；

将所述重投影数据进行数据格式转换确定目标格式数据；

将所述目标格式数据进行三维空间坐标映射确定桥梁环境的建模数据。

可选地，所述处理模块具体用于：

按照第一映射比例将所述目标格式数据进行平面坐标映射之后，根据所述第一映射比例对所述目标格式数据进行高程坐标映射确定桥梁环境的建模数据；或者

按照第一映射比例将所述目标格式数据进行平面坐标映射之后，根据预设的固定映射比例对所述目标格式数据进行高程坐标映射确定桥梁环境的建模数据。

可选地，所述处理模块具体用于：

根据所述桥梁环境的建模数据构建桥梁环境模型对象；

对所述桥梁环境模型对象进行显示优化；

将优化后的桥梁环境模型对象进行纹理渲染和映射确定桥梁环境的三维场景模型。

可选地，所述处理模块具体用于：

根据所述桥梁环境的三维场景模型调整所述桥梁的三维模型的比例；

将所述桥梁环境的三维场景模型和调整比例后的桥梁的三维模型进行贴合并分段加载展示。

本发明实施例表明，获取桥梁的结构数据及所述桥梁周围的环境数据，对所述桥梁周围的环境数据进行预处理后获得桥梁环境的建模数据。然后根据所述桥梁环境的建模数据建立所述桥梁环境的三维场景模型，并根据所述桥梁的结构数据建立所述桥梁的三维模型。最后将所述桥梁环境的三维场景模型和所述桥梁的三维模型进行贴合并展示。本发明实施例中，根据桥梁的结构数据及桥梁周围的环境数据建立桥梁环境的三维场景模型和桥梁的三维模型后，将桥梁环境的三维场景模型和桥梁的三维模型进行贴合构建三维桥梁场景，该三维桥梁场景既可以展示桥梁复杂的空间结构信息，也能够展示桥梁周边的环境信息，从而有助于桥梁养护人员根据桥梁实际所处的环境建立桥梁养护方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种三维桥梁场景构建方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的桥梁周围的环境数据预处理方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的构建桥梁环境的三维场景模型的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的uv坐标示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种三维桥梁场景构建方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种三维桥梁场景构建装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示例性示出了本发明实施例提供的一种三维桥梁场景构建方法的流程，该流程可以由三维桥梁场景构建装置执行。

如图1所示，该流程的具体步骤包括：

步骤s101，获取桥梁的结构数据及桥梁周围的环境数据。

步骤s102，对桥梁周围的环境数据进行预处理后获得桥梁环境的建模数据。

步骤s103，根据桥梁环境的建模数据建立桥梁环境的三维场景模型，并根据桥梁的结构数据建立桥梁的三维模型。

步骤s104，将桥梁环境的三维场景模型和桥梁的三维模型进行贴合并展示。

具体地，桥梁周围的环境数据可以来源于google卫星影像数据，也可以来源于航天飞机雷达地形测绘使命数字高程模型(shuttleradartopographymissiondigitalelevationmodel，简称srtmdem)数据。桥梁的结构数据可以来源于桥梁建设的图纸。在构建桥梁环境的三维场景模型和桥梁的三维模型时，可以借助web图形库(webgraphicslibrary，简称webgl)、地理信息系统(geographicinformationsystem，gis)平台、supermap、3dmax等建模平台。本发明实施例中，根据桥梁的结构数据及桥梁周围的环境数据建立桥梁环境的三维场景模型和桥梁的三维模型后，将桥梁环境的三维场景模型和桥梁的三维模型进行贴合构建三维桥梁场景，该三维桥梁场景既可以展示桥梁复杂的空间结构信息，也能够展示桥梁周边的环境信息，从而有助于桥梁养护人员根据桥梁实际所处的环境建立桥梁养护方案，另外谷歌地图的卫星影像数据以及srtmdem数据是网上免费的公开资源，webgl是开源的三维展示技术，本发明实施例以srtmdem数据为数据源，利用webgl技术构建三维桥梁场景降低了三维场景的建设成本。

具体实施中，由于不同的建模平台对建模数据的格式以及空间参考系都有不同的要求，故在建模之前，根据不同的平台需将获取的桥梁周围的环境数据进行预处理，具体包括以下步骤，如图2所示：

步骤s201，将桥梁周围的环境数据重新投影后获得重投影数据。

步骤s202，将重投影数据进行数据格式转换确定目标格式数据。

步骤s203，将目标格式数据进行三维空间坐标映射确定桥梁环境的建模数据。

下面以一种建模平台为例详细介绍对桥梁周围的环境数据进行预处理的过程，设定基于webgl技术构建桥梁环境的三维场景，网络地理信息系统(webgeographicinformationsystem，简称webgis)服务的空间参考系为欧洲石油勘探组织(europeanpetroleumsurveygroup，简称epsg):3857，srtmdem数据的空间参考系为espg:4326，由于webgis服务的空间参考系与srtmdem数据的空间参考系不一样，故需要对srtmdem数据进行重投影，将srtmdem数据重投影为espg:3857空间参考系。具体地，espg:4326空间参考系与epsg:3857空间参考系的坐标转换如式(1)所示：

其中，λ、为点在espg:4326空间参考系坐标转换为的弧度制坐标，x、y为点在espg:3857空间参考系坐标，r为地球赤道半径。

进一步地，srtmdem数据的数据格式为geotiff格式，由于网络前端无法对srtmdem数据格式进行识别，故需要对srtmdem数据进行格式转换。具体实施中，首先将srtmdem数据中每一个像素单元以xyz坐标的文本形式提取出来。由于srtmdem数据中像素单元尺寸大小一样、间隔相等，在研究区域一定的情况下，行列具体个数已知，根据srtmdem数据起始点坐标，可以推算出任意一个单元xy坐标，故本发明实施例在提取出像素单元的xy坐标后可以采用省略数据的xy坐标的方式进行数据压缩。其次针对srtmdem数据的z值问题，本发明实施例采用将srtmdem数据转换成栅格文件格式的方式进行解决，将srtmdem数据的z值转化为一个简单的二进制文件和两个文本形式头文件，头文件中记录着srtmdem数据的相关参数，简单二进制文件即为z值字节流，转换后的二进制文件与原始的geotiff格式文件大小保持一致。

对srtmdem数据进行数据格式转换之后，将转换得到的目标格式数据进行三维空间坐标映射确定桥梁环境的建模数据，三维空间坐标映射具体包括以下两种方法：

方法一、按照第一映射比例将目标格式数据进行平面坐标映射之后，根据第一映射比例对目标格式数据进行高程坐标映射确定桥梁环境的建模数据。

具体地，首先按照第一映射比例将espg:3857空间参考系中xy坐标映射到三维空间坐标系中的xy平面上，其中第一映射比例与epsg:3857空间坐标系下的映射范围和三维空间坐标系中的xy平面的映射范围有关，设定三维空间坐标系下一点平面坐标为(x，y)，则其对应epsg:3857空间坐标系下的坐标为(x，y)，epsg:3857空间坐标系下的映射范围为(xmin～xmax，ymin～ymax)，对应的三维空间坐标系中的xy平面的映射范围为(xmin～xmax，ymin～ymax)，则epsg:3857空间坐标系中的坐标和三维空间坐标系中的xy平面的坐标的关系如公式(2)所示：

将espg:3857空间参考系中xy坐标映射到三维空间坐标系中的xy平面上之后，按照xy坐标相同的比例对高程值z进行单独映射，然后再按照一定倍数进行拉伸，具体符合下述公式(3)

其中，z为epsg:3857空间坐标系中的高程值，z为三维空间坐标系中的高程值，n为拉伸倍数。

方法二、按照第一映射比例将目标格式数据进行平面坐标映射之后，根据预设的固定映射比例对目标格式数据进行高程坐标映射确定桥梁环境的建模数据。

按照第一映射比例将目标格式数据进行平面坐标映射与方法一中描述的一致，此处不再赘述。预设的固定映射比例是根据多次试验获得，进行平面坐标映射之后，按照预设的固定映射比例将高程值z固定的拉伸到一定范围，预设的固定映射比例可以为0～40。设定epsg:3857空间坐标系下的高程值z的映射范围为zmin～zmax，预设的固定映射比例为40，研究范围内任意一点高程值z对应三维空间坐标系中坐标值为z，则高程坐标映射具体如公式(4)所示：

采用和xy坐标同样的映射比例能与真实世界更为接近，按照固定的映射比例拉伸高程值使三维显示效果较为明显，因此上述两种映射方法都具有一定通用性，可以适用于不同的研究区，使得三维地形高程显示效果不会随着研究区的高程值不同而变化。

在对桥梁周围的环境数据进行预处理后，根据桥梁环境的建模数据建立桥梁环境的三维场景模型包括以下步骤，如图3所示：

步骤s301，根据桥梁环境的建模数据构建桥梁环境模型对象。

步骤s302，对桥梁环境模型对象进行显示优化。

步骤s303，将优化后的桥梁环境模型对象进行纹理渲染和映射确定桥梁环境的三维场景模型。

具体地，在步骤s301中，利用可扩展超文本传输请求(xmlhttprequest，简称xhr)对象与服务器进行通信，将xhr对象的返回值类型设为arraybuffer，这样可以使从服务器获取的二进制srtmdem数据直接存储到浏览器内存中。然后利用javascript中的int16array对象将内存中的二进制数据流直接转换成整型数组，该数组中的值即为srtmdem数据中的高程值z，利用这种方式读取和存储数据可以提高浏览器运行效率。最后使用webgl的第三方库three.js创建规则格网模型planegeometry对象，并根据高程值数组对planegeometry对象中各个格网点的三维z坐标进行修改，构建出按高程值不同而高低起伏的地形模型。

在步骤s302中，具体可使用细节层次模型(levelsofdetail，简称lod)技术对桥梁环境模型对象进行显示优化。当物体距离较远在屏幕较小的区域进行显示时，可以采用较为粗略的模型进行描绘，当物体较近在屏幕较大的区域进行显示时，才使用较为精细的模型进行描绘。也可以采用金字塔的简化规则逐层向上简化，主要规则是将下层四个相邻的点分为一组，然后取它们高程的平均值作为上层点的高程值。

在步骤s303中，采用高分影像纹理对地形模型进行贴图。在有了纹理图和地形模型后，需要按照一定的规则将两者结合起来，这个过程称为纹理映射。本发明实施例中纹理映射采用uv坐标的方式进行映射，uv坐标中u和v分别代表着宽与高，它们的映射范围都为[0，1]，如图4所示。地形模型在构建时，为每一个顶点设置相应的uv坐标，这样就可以确定纹理图像以何种位置进行贴合，渲染出更加逼真的三维效果。

构建桥梁环境的三维场景模型之后，根据桥梁的结构数据建立桥梁的三维模型，然后根据桥梁环境的三维场景模型调整桥梁的三维模型的比例，最后将桥梁环境的三维场景模型和调整比例后的桥梁的三维模型进行贴合并分段加载展示。另外也可以在构建桥梁环境的三维场景模型之后，先根据桥梁环境的三维场景模型确定桥梁的三维模型的构建比例，再建立桥梁的三维模型。比如，在构建桥梁的三维模型的过程中，以与地形贴合的谷歌地图作为背景放到3dmax建模软件中，计算谷歌地图在3dmax中的占格，以及每个网络的长度，得到3dmax中的距离与地图距离的对应关系，计算得到桥梁建模的比例。根据计算的桥梁建模比例以及桥梁的结构数据，在3dmax中对桥梁进行三维建模。

由于根据桥梁环境的三维场景模型调整桥梁的三维模型的比例，故能更好地将桥梁环境的三维场景模型与桥梁的三维模型贴合，并与谷歌影像中的桥梁按比例重合，从而使显示的三维桥梁场景更逼真。另外将三维桥梁场景分段加载，避免了浏览器留白时间过长或浏览器卡死。

为了更好的解释本发明实施例，下面通过具体的实施场景描述本发明实施例提供的一种三维桥梁场景构建方法的流程，如图5所示，包括以下步骤：

步骤s501，dem数据预处理。

步骤s502，桥梁环境的三维场景模型构建。

步骤s503，三维桥梁场景构建和加载，其中三位桥梁场景包括桥梁环境的三维场景模型和桥梁的三维模型。

其中步骤s501中，dem数据预处理过程具体包括以下步骤：

步骤s5011，获取dem数据。

步骤s5012，dem数据重投影。

步骤s5013，dem数据格式转换。

步骤s5014，平面坐标映射。

步骤s5015，高程坐标映射。

其中步骤s502中，桥梁环境的三维场景模型构建过程具体包括以下步骤：

步骤s5021，构建桥梁环境模型对象。

步骤s5022，桥梁环境模型对象显示优化。

步骤s5023，桥梁环境模型对象的纹理渲染和映射。

其中步骤s503中，三维桥梁场景构建和加载过程具体包括以下步骤：

步骤s5031，桥梁的三维模型构建。

步骤s5032，桥梁的三维模型的比例调整。

步骤s5033，桥梁环境的三维场景模型与桥梁的三维模型贴合并加载。

本发明实施例表明，获取桥梁的结构数据及所述桥梁周围的环境数据，对所述桥梁周围的环境数据进行预处理后获得桥梁环境的建模数据。然后根据所述桥梁环境的建模数据建立所述桥梁环境的三维场景模型，并根据所述桥梁的结构数据建立所述桥梁的三维模型。最后将所述桥梁环境的三维场景模型和所述桥梁的三维模型进行贴合并展示。本发明实施例中，根据桥梁的结构数据及桥梁周围的环境数据建立桥梁环境的三维场景模型和桥梁的三维模型后，将桥梁环境的三维场景模型和桥梁的三维模型进行贴合构建三维桥梁场景，该三维桥梁场景既可以展示桥梁复杂的空间结构信息，也能够展示桥梁周边的环境信息，从而有助于桥梁养护人员根据桥梁实际所处的环境建立桥梁养护方案。

基于相同构思，图6示例性的示出了本发明实施例提供的一种三维桥梁场景构建装置的结构，该装置可以执行三维桥梁场景构建方法的流程。

如图6所示，该装置包括：

获取模块601，用于获取桥梁的结构数据及所述桥梁周围的环境数据；

处理模块602，用于对所述桥梁周围的环境数据进行预处理后获得桥梁环境的建模数据；根据所述桥梁环境的建模数据建立所述桥梁环境的三维场景模型，并根据所述桥梁的结构数据建立所述桥梁的三维模型；将所述桥梁环境的三维场景模型和所述桥梁的三维模型进行贴合并展示。

可选地，所述处理模块602具体用于：

将所述桥梁周围的环境数据重新投影后获得重投影数据；

将所述重投影数据进行数据格式转换确定目标格式数据；

将所述目标格式数据进行三维空间坐标映射确定桥梁环境的建模数据。

可选地，所述处理模块602具体用于：

按照第一映射比例将所述目标格式数据进行平面坐标映射之后，根据所述第一映射比例对所述目标格式数据进行高程坐标映射确定桥梁环境的建模数据；或者

按照第一映射比例将所述目标格式数据进行平面坐标映射之后，根据预设的固定映射比例对所述目标格式数据进行高程坐标映射确定桥梁环境的建模数据。

可选地，所述处理模块602具体用于：

根据所述桥梁环境的建模数据构建桥梁环境模型对象；

对所述桥梁环境模型对象进行显示优化；

将优化后的桥梁环境模型对象进行纹理渲染和映射确定桥梁环境的三维场景模型。

可选地，所述处理模块602具体用于：

根据所述桥梁环境的三维场景模型调整所述桥梁的三维模型的比例；

将所述桥梁环境的三维场景模型和调整比例后的桥梁的三维模型进行贴合并分段加载展示。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。