一种监测元件3D可视化方法及系统与流程

本发明涉及计算机3d显示技术领域，特别是一种监测元件3d可视化方法及系统。

背景技术：

地下空间结构比如，正在修建的地铁隧道、高铁隧道等，具有空间维度复杂、空间环境较为封闭、移动网络信号覆盖较差等特点，现有的卫星定位系统无法实现地下空间结构内的监测元件精准3d定位，因此地下空间结构监测系统中，存在监测对象总览及局部可视化效果较差、监测元件位置信息不准确、且监测元件的位置信息及状态无法在监控系统中实现实时交互更新等问题。

现有的监测元件在3d可视化监控系统中的3d位置信息，主要通过现场测量记录后，再通过手动输入进入监控平台的3d可视化监控系统中，测量及录入过程工作量较大，容易出现监测元件位置信息错误及遗漏，同时，由于采用后期输入的方法进行监测元件的3d位置标注，无法实现监测过程中的实时更新，比如在地铁隧道的修建过程中，一些监测元件的位置是经常移动的，现有的系统中监测元件3d位置难以完成实时更新，更无法实现监测元件的状态监控及分类管理等。

目前，现有技术中定位一般通过三基点或四基点定位，需要的定位基点多，计算过程复杂，影响了定位的效率，而且由于地下空间结构的限制，定位基点的数量有限，所以现有的定位方法也不适于地下空间结构监测系统中应用。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中的缺陷，提出了如下技术方案。

一种监测元件3d可视化方法，所述方法包括：

设置步骤，在3d可视化监控系统中对经处理的三维建筑信息模型进行分区设置；

绑定步骤，为监测元件配置一个对应的3d定位模块，将监测元件与3d定位模块的对应关系进行绑定后存储；

可视化步骤，将带有3d定位模块的监测元件安装至建筑物的指定位置后，激活3d定位模块与3d定位网关的连接，通过3d定位网关对定位模块进行3d定位校准以完成所述监测元件的定位并获取3d定位信息，所述3d定位网关将监测元件的基本信息及3d定位信息上传至3d可视化监控系统的三维建筑信息模型中进行可视化显示。

更进一步地，所述经处理的三维建筑信息模型是指：建立三维建筑信息模型，并基于gps定位值在三维建筑信息模型中添加3d位置信息，并基于所述3d位置信息进行三维建筑信息模型的3d坐标标定，然后将三维建筑信息模型轻量化处理得到携带3d坐标信息的三维建筑信息模型作为经处理的三维建筑信息模型。

更进一步地，所述三维建筑信息模型进行分区设置为：在3d可视化监控系统中，对三维建筑信息模型进行区域划分得到三维位置分区模型，并设置对应的坐标区域限定策略。

更进一步地，所述可视化显示为：所述3d可视化监控系统根据上传的监测元件的基本信息及所述3d定位信息，通过设置的坐标区域限定策略，将监测元件按照位置及功能进行分类，并将所述监测元件的设置点标注在三维建筑信息模型上进行显示。

更进一步地，所述方法还包括：

更新步骤，通过3d定位网关与监测元件上的所述3d定位模块的实时通讯，将监测元件位置信息进行实时上传，实时更新3d可视化监控系统中监测元件的位置。

本发明还提出了一种监测元件3d可视化系统，所述3d可视化系统包括：3d可视化监控系统、监测元件、3d定位模块和3d定位网关；

所述3d可视化监控系统用于对经处理的三维建筑信息模型进行分区设置；

所述3d定位模块设置在监测元件上，并将监测元件与3d定位模块的对应关系进行绑定后存储；

所述带有3d定位模块的监测元件被安装至建筑物的指定位置后，激活3d定位模块与3d定位网关的连接，通过3d定位网关对定位模块进行3d定位校准以完成所述监测元件的定位并获取3d定位信息，所述3d定位网关将监测元件的基本信息及3d定位信息上传至3d可视化监控系统的三维建筑信息模型中进行可视化显示。

更进一步地，所述经处理的三维建筑信息模型是指：建立三维建筑信息模型，并基于gps定位值在三维建筑信息模型中添加3d位置信息，并基于所述3d位置信息进行三维建筑信息模型的3d坐标标定，然后将三维建筑信息模型轻量化处理得到携带3d坐标信息的三维建筑信息模型作为经处理的三维建筑信息模型。

更进一步地，所述三维建筑信息模型进行分区设置为：使用3d可视化监控系统对三维建筑信息模型进行区域划分得到三维位置分区模型，并设置对应的坐标区域限定策略。

更进一步地，所述可视化显示为：所述3d可视化监控系统根据上传的监测元件的基本信息及所述3d定位信息，通过设置的坐标区域限定策略，将监测元件按照位置及功能进行分类，并将所述监测元件的设置点标注在三维建筑信息模型上进行显示。

更进一步地，所述3d定位网关与监测元件上的所述3d定位模块进行实时通讯，将监测元件位置信息进行实时上传，实时更新3d可视化监控系统中监测元件的位置。

本发明的技术效果为：本发明中的监测元件3d可视化方法，所述方法包括：设置步骤，在3d可视化监控系统中对经处理的三维建筑信息模型进行分区设置；绑定步骤，为监测元件配置一个对应的3d定位模块，将监测元件与3d定位模块的对应关系进行绑定后存储；可视化步骤，将带有3d定位模块的监测元件安装至建筑物的指定位置后，激活3d定位模块与3d定位网关的连接，通过3d定位网关对定位模块进行3d定位校准以完成所述监测元件的定位并获取3d定位信息，所述3d定位网关将监测元件的基本信息及3d定位信息上传至3d可视化监控系统的三维建筑信息模型中进行可视化显示。本发明基于3d定位技术及建筑信息模型技术，实现监测元件在监控对象三维模型中的3d对位标定，实现了监测元件在3d可视化监控系统的3d位置自动录入及在3d可视化监控平台中监测元件3d位置实施更新，大幅提升监控系统3d可视化效果，并且方便对监测元件的位置进行实时统计、管理等，还提出了具体的定位策略，减少了定位基点数目，提高了定位计算效率及精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是根据本发明实施例的一种监测元件3d可视化方法的流程图。

图2是本发明的双基点定位示意图。

图3是本发明的双基点定位时阵列天线排布示意图。

图4是本发明的单基点定位示意图。

图5是根据本发明实施例的一种监测元件3d可视化系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了本发明的一种监测元件3d可视化方法，所述方法包括：

设置步骤s101，在3d可视化监控系统中对经处理的三维建筑信息模型进行分区设置。

在一个实施例中，所述经处理的三维建筑信息模型是指：建立三维建筑信息模型，并基于gps定位值在三维建筑信息模型中添加3d位置信息，并基于所述3d位置信息进行三维建筑信息模型的3d坐标标定，然后将三维建筑信息模型轻量化处理得到携带3d坐标信息的三维建筑信息模型作为经处理的三维建筑信息模型。本发明中的三维建筑信息模型是指地下空间的三维建筑信息模型，比如在建的地铁隧道、高铁隧道、人防空间等等，当然本发明也适用于网络信号及gps信号质量差的建筑物内的监测元件的定位。所述轻量化处理是指删除三维建筑信息模型中对空间位置显示不必要的数据，以降低模型占用的存储空间大小。监测元件可以是烟感器、温度传感器、湿度传感器、水位传感器等等。

在一个实施例中，所述轻量化处理包括：(1)建立项目，打开visualstudio2014，新建c#类库，对其进行命名，并为生成的class1.cs文件进行重命名；(2)添加外部引用并引用命名空间，选择revit2014目录下的revitapi.dll和revitapiui.dll文件进行引用，并在命名空间代码区添加autodesk.revit.db、autodesk.revit.ui等相应语句，对revitapi中相关的命名空间进行引用；(3)新建类、重载execute()方法，选择文件事物、更新等模式，创建一个从iexternalcommand派生的类，在类中载用execute()方法，添加用户程序，编译代码；（4）运行代码编译成功后生成dll文件，在revit中使用附加模块中的外部工具(add-inmanager)，选择相应的加载方式运行dll文件，查看程序功能是否满足要求。通过上述操作，即重新生成的三维建筑信息模型中去掉了对空间位置显示不必要的数据，以降低模型占用的存储空间大小，这是本申请的重要发明点之一。

在一个实施例中，所述三维建筑信息模型进行分区设置为：在3d可视化监控系统中，对三维建筑信息模型进行区域划分得到三维位置分区模型，并设置对应的坐标区域限定策略，方便后期监测元件3d位置信息录入后，通过坐标区域限定策略和三维位置分区模型进行监控元件的总体位置分类。

在一个实施例中，采用xy平面、yz平面和xz平面对模型区域进行区域划分得到三维位置分区模型a<x<b、b<x<c；a<y<b、b<y<c；a<z<b、b<z<c…分为n(示例为8个）个分区，采用n点（即监控元件的位置点）坐标值（x,y,z）中各坐标轴的值与a、b、c值的大小关系，判断所求得n点坐标所处的三维位置分区，这样方便的可视化显示监控元件在三维建筑信息模型中的位置，这是本发明的另一个重要发明点。

绑定步骤s102，为监测元件配置一个对应的3d定位模块，将监测元件与3d定位模块的对应关系进行绑定后存储。

可视化步骤s103，将带有3d定位模块的监测元件安装至建筑物的指定位置后，激活3d定位模块与3d定位网关的连接，通过3d定位网关对定位模块进行3d定位校准以完成所述监测元件的定位并获取3d定位信息，所述3d定位网关将监测元件的基本信息及3d定位信息上传至3d可视化监控系统的三维建筑信息模型中进行可视化显示。

本发明所采用得定位方式有以下两种。

定位方式一、双3d定位网关定位方式，如图2所示，每一个3d定位网关作为一个定位基准点，在基准点（即3d定位网关）的天线内置陀螺仪和uwb阵列天线，监测元件配置的3d定位模块内置uwb发射器，定位过程中3d定位模块内置的uwb测点发送测向帧，不同测向帧到达3d定位网关时，其uwb阵列天线处于不同的角度，经过多次接收测向帧，可确定3d定位模块（也就是监测元件）的测向与z轴夹角θ1和θ2(z轴方向由陀螺仪确定)，同时通过uwb信号多次到达天线的时间t可计算出3d定位模块与uwb阵列天线之间的距离d1和d2，两基准点（即3d定位网关）的距离d0已知。两基准点与3d定位模块构成的三角形其余两边长度可测定，可计算出三角形各个角度，通过θ1和θ2及已知三角形的角度及边长，利用立体几何原理可确定3d定位模块的坐标（x,y,z）。

①距离d1和d2的计算公式：

ti为电磁信号到达天线的时间，c为电磁信号传播速度，di为监测元件与天线之间的距离，n为发送测向帧的次数，为平均时间，i为整数。

②角度θ1和θ2计算方法：如图3所示，内置uwb的3d定位模块来波的方向向量为（uwb信号至天线的方向），两个平行阵列天线之间的向量为，通信所用的信号波长为λ，两个阵列天线收到信号的相位差为η，则可以得到关系式：

其中

接收阵列天线的转动过程中，被测节点(内置uwb的3d定位模块)会向阵列天线发送多个uwb方向帧信号。设每次发送测向信号的时刻为t0，t1,...,tn。(n>＝3)。当前时刻为t，根据mems解算系统，可以获得之前每一个时刻相对与当前时刻的旋转矩阵为：p1，p2，...，pn，

阵列天线对的天线向量在参考坐标系下的表示为：

则在当前时刻t时刻，之前每一个时间间隔上，天线向量的方向变成：

即在当前时刻，之前每一个时间间隔都有一个不同的天线方向向量，且天线方向向量已知。之前每一时刻都可以获得一个双天线信号相位差，则可获得：

(i=1,2,3…n)

联立这i个方程可得：

其中为n行3列的矩阵，

为一个n行1列的矩阵。

当m的秩大于等于3时，可以用最小二乘法解出向量的坐标。

对解算出来的向量进行归一化操作可得：

即可确定3d定位模块到阵列天线基准点的方向，即可以求出角度θ1和θ2的值。

定位方式二、单3d定位网关定位方式，如图4所示，通过在基准点天线内置uwb天线、陀螺仪和mems，3d定位模块内置uwb发射器，定位过程中，3d定位模块内uwb测点发送测向帧，不同测向帧到达时uwb天线处于不同的角度，经过多次接收测向帧，天线可调整至来波方向（电磁波振幅最大时天线所处姿态为来波方向），陀螺仪和mems配合可解算出uwb天线的空间转动角度，即可确定3d定位模块的测向与基准点x、y、z轴夹角，同时通过uwb信号多次到达天线的时间t可计算出3d定位模块与天线之间的距离d，参见定位方式一中的距离计算公式。

本发明中，提出了具体的位置坐标求解方法，可以基于一个3d定位网关或2个3d定位网关进行定位，相比现有的三点（三个基准点）、四点（四个基准点）定位方式，减少了定位需要的基点数目，提高了定位时的计算效率，及定位的准确度，这是本发明的另一重要发明点。

在一个实施例中，本发明中监测元件的信息通过二维码或条形码的方式标注于监测元件（也可以称为监测仪器、监测仪表）上，安装监测元件至指定位置后，可通过移动通讯设备，进行扫码激活监测仪器及定位模块，并将监测元件与3d定位模块的对应关系进行绑定后存储，可以存储在3d定位网关中，即每个3d定位模块的标识与监测元件的标识建立一一对应关系，后期通过3d定位模块完成监测元件的定位，当然，也可以在绑定过程中直接将监测元件的基本信息与3d定位信息组合后上传至3d可视化自动监控系统中的三维建筑信息模型中进行可视化显示，这是本发明的重要发明点之一。

对于一些监测元件，可以在生产过程中，直接集成3d定位模块，当然，这样不利于3d定位模块的重复使用，本发明是将监测元件与3d定位模块分开为两部分，在使用的时候将监测元件与3d定位模块绑定即可，例如可以通过手机等手持终端扫描监测元件与3d定位模块上的二维码进行绑定，二维码中至少有它们的标识信息，当然，也可以包括其他基本信息，比如传感器的类型等等。

在一个实施例中，所述可视化显示为：所述3d可视化监控系统根据上传的监测元件的基本信息及所述3d定位信息，通过设置的坐标区域限定策略，将监测元件按照位置及功能进行分类，并将所述监测元件的设置点标注在三维建筑信息模型上进行显示，从而实现监测元件在监控对象三维模型中的3d对位标定，解决了监测元件在3d可视化监控系统的3d位置自动录入的问题，这是本发明的另一重要发明点。

在一个实施例中，所述方法还包括：更新步骤s104，通过3d定位网关与监测元件上的所述3d定位模块的实时通讯，将监测元件位置信息进行实时上传，实时更新3d可视化监控系统中监测元件的位置。从而实现了在3d可视化监控平台中监测元件3d位置实施更新，大幅提升监控系统3d可视化效果及监测元件的位置状态实时更新，这是本发明的另一个重要发明点。

当然，为了完成监测元件的定位，该方法可以对地下空间结构中多个监测元件进行定位，这样会使用多个3d定位网关组网构成3d定位网络。

图5示出了本发明的一种监测元件3d可视化系统，所述3d可视化系统包括：3d可视化监控系统201、监测元件202、3d定位模块203和3d定位网关204；所述3d可视化监控系统201用于对经处理的三维建筑信息模型进行分区设置；所述3d定位模块203设置在监测元件202上，并将监测元件202与3d定位模块203的对应关系进行绑定后存储；所述带有3d定位模块203的监测元件202被安装至建筑物的指定位置后，激活3d定位模块203与3d定位网关204的连接，通过3d定位网关204对定位模块进行3d定位校准以完成所述监测元件202的定位并获取3d定位信息，所述3d定位网关204将监测元件202的基本信息及3d定位信息上传至3d可视化监控系统201的三维建筑信息模型中进行可视化显示。

在一个实施例中，所述经处理的三维建筑信息模型是指：建立三维建筑信息模型，并基于gps定位值在三维建筑信息模型中添加3d位置信息，并基于所述3d位置信息进行三维建筑信息模型的3d坐标标定，然后将三维建筑信息模型轻量化处理得到携带3d坐标信息的三维建筑信息模型作为经处理的三维建筑信息模型。本发明中的三维建筑信息模型是指地下空间的三维建筑信息模型，比如在建的地铁隧道、高铁隧道、人防空间等等，当然本发明也适合网络信号及gps信号质量差的建筑物内的监测元件的定位。所述轻量化处理是指删除三维建筑信息模型中对空间位置显示不必要的数据，以降低模型占用的存储空间大小。监测元件可以是烟感器、温度传感器、湿度传感器、水位传感器等等。

在一个实施例中，所述轻量化处理包括：(1)建立项目，打开visualstudio2014，新建c#类库，对其进行命名，并为生成的class1.cs文件进行重命名；(2)添加外部引用并引用命名空间，选择revit2014目录下的revitapi.dll和revitapiui.dll文件进行引用，并在命名空间代码区添加autodesk.revit.db、autodesk.revit.ui等相应语句，对revitapi中相关的命名空间进行引用；(3)新建类、重载execute()方法，选择文件事物、更新等模式，创建一个从iexternalcommand派生的类，在类中载用execute()方法，添加用户程序，编译代码；（4）运行代码编译成功后生成dll文件，在revit中使用附加模块中的外部工具(add-inmanager)，选择相应的加载方式运行dll文件，查看程序功能是否满足要求。通过上述操作，即重新生成的三维建筑信息模型中去掉了对空间位置显示不必要的数据，以降低模型占用的存储空间大小，这是本申请的重要发明点之一。

在一个实施例中，所述三维建筑信息模型进行分区设置为：在3d可视化监控系统中，对三维建筑信息模型进行区域划分得到三维位置分区模型，并设置对应的坐标区域限定策略，方便后期监测元件3d位置信息录入后，通过坐标区域限定策略和三维位置分区模型进行监控元件的总体位置分类。

在一个实施例中，采用xy平面、yz平面和xz平面对模型区域进行区域划分得到三维位置分区模型a<x<b、b<x<c；a<y<b、b<y<c；a<z<b、b<z<c…分为n(示例为8个）个分区，采用n点（即监控元件的位置点）坐标值（x,y,z）中各坐标轴的值与a、b、c值的大小关系，判断所求得n点坐标所处的三维位置分区，这样方便的可视化显示监控元件在三维建筑信息模型中的位置，这是本发明的另一个重要发明点。

在一个实施例中，本发明中监测元件202的信息通过二维码或条形码的方式标注于监测元件202（也可以称为监测仪器、监测仪表）上，安装监测元件202至指定位置后，可通过移动通讯设备，进行扫码激活监测仪器及定位模块，并将监测元件202与3d定位模块203的对应关系进行绑定后存储，可以存储在3d定位网关204中，即每个3d定位模块203的标识与监测元件202的标识建立一一对应关系，后期通过3d定位模块203完成监测元件202的定位，当然，也可以在绑定过程中直接将监测元件202的基本信息与3d定位信息组合后上传至3d可视化自动监控系统中的三维建筑信息模型中进行可视化显示，这是本发明的重要发明点之一。定位时，位置（即坐标点）的计算与前述的方法相同，在此不再赘述。

对于一些监测元件202，可以在生产过程中，直接集成3d定位模块203，当然，这样不方便3d定位模块203的重复使用，本发明是将监测元件202与3d定位模块203分开为两部分，在使用的时候将其绑定即可，可以通过手持终端比如手机扫描其上的二维码进行绑定，二维码中至少有他们的标识信息，当然，也可以包括其他基本信息，比如传感器的类型等等。

在一个实施例中，所述可视化显示为：所述3d可视化监控系统201根据上传的监测元件202的基本信息及所述3d定位信息，通过设置的坐标区域限定策略，将监测元件202按照位置及功能进行分类，并将所述监测元件202的设置点标注在三维建筑信息模型上进行显示，从而实现了实现监测元件202在监控对象三维模型中的3d对位标定，解决监测元件202在3d可视化监控系统201的3d位置自动录入的问题，这是本发明的另一重要发明点。

在一个实施例中，所述3d定位网关204与监测元件202上的所述3d定位模块203进行实时通讯，将监测元件202位置信息进行实时上传，实时更新3d可视化监控系统201中监测元件202的位置，所述3d定位网关与所述3d可视化监控系统的通信方式可以是有线或无线的方式。从而实现了在3d可视化监控平台中监测元件3d位置的实时更新，大幅提升监控系统3d可视化效果及监测元件的位置状态实时更新，这是本发明的另一个重要发明点。

当然，为了完成监测元件的定位，本发明的系统可以对类似地下空间结构中多个监测元件进行定位，这样会使用多个3d定位网关组网构成3d定位网络。本发明中的3d可视化监控系统可以是一台安装有数据库的计算机或者服务器等等，其连接有显示器，用于可视化的显示。

本发明与现有技术相比，基于3d定位技术及建筑信息模型技术，实现监测元件在监控对象三维模型中的3d对位标定，解决了现有技术中心监测元件在3d可视化监控系统中的3d位置信息、通过手动输入进入监控平台的3d可视化监控系统中、测量及录入过程工作量较大、容易出现监测元件位置信息错误及遗漏且无法实现监测元件3d位置的实时更新的问题。实现了监测元件在3d可视化监控系统的3d位置自动录入及在3d可视化监控平台中监测元件3d位置实施更新问题，大幅提升监控系统3d可视化及监测元件位置实时监控效果，还提出了具体的定位策略，减少了定位基点数目，提高了定位计算效率及精度。降低了人工信息录入的监测元件位置信息的工作量，提高监测元件的布设速度和质量。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。