本发明涉及建筑物建模的技术领域，特别是涉及一种基于惯导定位设备生成建筑模型的系统。
背景技术
建筑物的三维模型是建设数字城市的重要基础数据之一，对城市规划、智能交通、导航、环境监测和防灾应急等都有重要的应用价值。目前常用的建模方式有两类，一种是利用现有的cad工程图纸获取建筑物的详细尺寸信息，然后利用3dmax、maya等建模工具进行三维建模；另一种方式是通过摄影测量技术恢复或者激光雷达扫描仪扫描等技术采集三维点云数据，在三维点云数据的基础上进行表面几何建模。第一种方式虽然建立的三维模型信息详细，但只有少量建筑物具有详细的工程图纸且这种建模方式时间本比较大，第二种建模方式虽然可以做到实时数据采集，然而此种方法容易造成数据缺失和噪声等现象，导致重建的模型表面往往存在不规整和噪点引起的突兀。如何快速在救援现场构建建筑物三维模型，提供给救援人员室内实时定位的功能，成为急需解决的关键问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于惯导定位设备生成建筑模型的系统和方法。能够快速搭建建筑物的三维模型，从而为消防救援等特殊情况提供即时的信息支撑。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于惯导定位设备生成建筑模型的系统，包括惯性导航模块、信息处理与传输终端、数据采集与处理模块和建筑物三维模型重建模块；
所述惯性导航模块能够实时测量巡防人员的三维空间坐标，连续的三维空间坐标构成巡防人员的巡防轨迹；
所述信息处理与传输终端为数据采集与处理模块、建筑物三维模型重建模块和巡防记录数据提供用于存储数据的数据库；
所述数据采集与处理模块用于获得所巡防的建筑物外轮廓数据、楼层高度、楼层层数、建筑物内的重点设施(消防设施、楼梯、电梯等设施)的位置坐标和巡防轨迹数据并存储于信息处理与传输终端的数据库中；
数据采集与处理模块依据楼层高度和楼层层数，将重点设施的位置坐标和巡防轨迹坐标添加属于对应楼层(即属于哪一层楼)的标识；
所述建筑物三维模型重建模块依据建筑物外轮廓数据、楼层高度、楼层层数、建筑物内的重点设施的位置坐标和巡防轨迹数据进行三维模型重建，三维模型中包含楼层底面轮廓、楼层墙体、内部重点设施以及巡防轨迹信息。
所述系统执行如下步骤生成建筑物三维模型：
步骤1，惯性导航模块通过无线网络与信息处理与传输终端建立通信连接；
步骤2，巡防人员在进行巡防任务时通过数据采集与处理模块将能够表示建筑物外轮廓的关键点坐标进行特殊标记，并将结果存储于信息处理与传输终端的数据库中；
步骤3，巡防人员按楼层依次进行巡防，期间通过数据采集与处理模块对内部重点设施的位置坐标进行特殊标记直至巡防结束，并将结果存储于信息处理与传输终端的数据库中；
步骤4，建筑物三维模型重建模块依据数据库中的数据获得所巡防的建筑物外轮廓数据、楼层高度、楼层层数、建筑物内的重点设施的位置坐标和巡防轨迹数据进行三维模型重建；
步骤5，巡防任务结束后，信息处理与传输终端将三维模型数据上传到远程服务器端进行存储，当对巡防过的建筑物进行救援任务时能够向远程服务器端下载三维模型数据，运用软件建模系统实时建立建筑物的三维模型，依据重建的三维模型结合惯性导航模块，当救援人员进行救援任务时能够实时掌握消防员在建筑物中的三维空间坐标。
步骤4包括如下步骤：
步骤4-1，建筑物外轮廓数据构成一个多边形，多边形的顶点有序集合为a＝{p0,p1,p2,...,pn}，pn表示第n个顶点，n为顶点数量，计算集合为b＝a+{pn+1,pn+2}，其中pn+1＝p0，pn+2＝p1，，通过公式
步骤4-2，当多边形为凸多边形时，利用如下关系式求得多边形任意三个点pi、pj、pk构成的三角形的权值w(pi,pk,pj)：
其中，xi为顶点pi的横坐标值，yi为顶点pi的纵坐标值，xk为顶点pk的横坐标值，yk为顶点pk的纵坐标值，xj为顶点pj的横坐标值，yj为顶点pj的纵坐标值；
设t[i][j](1≤i＜j≤n)为凸多边形{pi-1,pi,...pj}的最优三角剖分所对应的权值函数值，即其最优值，最优剖分包含三角形pi-1pkpj的权，子多边形{pi-1,pi,...pk}的权，子多边形{pk,pk+1,...pj}的权之和，从而得到递推关系式：
利用递推关系式求得凸(n+1)边形p的最优权值t[1][n]如下所示：
t[1][n]＝min{t[1][k]+t[k+1][n]+w(p0,pk,pn)|1≤k≤n}，
利用最优权值构造出凸多边形符合的三角形序列；
步骤4-3，当多边形为凹多边形时，按照顶点顺序进行三角形判断，
步骤4-4，利用生成的三角形序列生成建筑物楼层底面mesh模型并进行纹理贴图；利用当前楼层高度、楼层层数数据和建筑物外轮廓数据构成的多边形进行三角剖分处理形成墙体mesh模型并进行纹理贴图；从建筑物内的重点设施的位置坐标中检索出当前楼层的所有消防设施数据，依据消防设施的位置和类型在当前楼层模型中放置对应的消防设施模型；从巡防轨迹数据中检索出当前楼层的巡防轨迹，并在当前楼层模型中绘制出轨迹，至此单层楼层模型建立完成；
步骤4-5，通过步骤4-4的方法建立出所有楼层的模型，通过对所有单层楼层模型进行拼接处理从而建立出整个建筑物三维模型。
所述系统还包括三维建筑物展示模块，三维建筑物展示模块能够实现模型的放大、缩小、平移、旋转操作、单独楼层的显示、隐藏控制、单独楼层墙体显示、隐藏控制、单独楼层轨迹显示、隐藏控制、单独楼层内部重点设施显示、隐藏控制、内部重点设施分类统计、2d、3d视图切换。
如上所述，本发明提供的这种基于惯导定位设备的快速建筑模型生成方法，具有以下有益效果：
1、巡防人员只需携带本发明的惯性导航和多功能智能信息终端设备即可采集到建模所需要的建筑物外轮廓信息、楼层信息、消防重点设施信息、楼层的内部布局信息。
2、依据巡防任务采集的数据能够快速重建所巡防建筑物的三维模型；
3、依据重建的三维模型结合惯性导航模块当消防员进行火场救援任务时能够实时掌握消防员在建筑物中的三维空间坐标；
4、为现场指挥中心快速、准确的掌握火场内功人员空间态势奠定了信息技术保障。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1显示为本发明的结构示意图。
图2显示为本发明的基于凸凹性判断的三角剖分算法流程图。
图3显示为本发明的单层楼层模型效果图。
图4显示为本发明的建筑物模型效果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的一种基于惯导定位设备生成建筑模型的系统包括惯性导航模块1、信息处理与传输终端2，数据采集与处理模块3、建筑物三维模型重建模块4和三维建筑物展示模块5。本实施例以消防领域执行消防巡防任务为研究对象，具体实施步骤如下：
1、消防人员进行日常巡防任务时携带惯性导航模块1和信息处理与传输终端2(比如安卓手机)，惯性导航模块1集成了蓝牙通信设备。信息处理与传输终端2已经预装软件建模系统软件app，该app基于android和unity3d跨平台开发。android平台主要进行数据采集与处理模块3和数据库的开发，unity3d主要进行建筑物三维模型重建模块4、三维建筑物展示模块5开发。
2、待建模系统软件app与惯性导航模块1建立通信连接之后，巡防人员首先围绕建筑物外轮廓进行巡防，巡防过程中将能够表示建筑物外轮廓数据进行特殊标记，并用顺序id将坐标存储于信息处理与传输终端2的数据库中。
3、建筑物外轮廓标记完成之后，巡防人员即可进入建筑物内部进行巡防任务，巡防过程中信息处理与传输终端2会实时将惯性导航模块1采集的巡防人员三维坐标数据用顺序id将坐标存储于数据库中。
4、消防巡防人员在进行巡防任务时会将建筑物内的重点消防设施的位置坐标进行特殊标记，并用顺序id将坐标以及消防设施类型存储于信息处理与传输终端2的数据库中。
5、消防巡防人员巡防到最顶层时即可结束巡防，至此巡防任务结束。
6、巡防任务结束后，数据采集与处理模块3从数据库中提取出建筑物外轮廓坐标数据，并将数据发送到unity3d建模平台。
7、数据采集与处理模块3从数据库中提取出巡防人员进行巡防任务时的三维坐标数据，通过分析巡防人员三维轨迹数据，利用在同一楼层人物轨迹数据的高度值相等特性，筛选出数据中所有高度值相等并且此类数据数量大于5条的高度值，接着依据筛选出的数据再进行高度差比较，利用楼层高度差通常大于2米过滤掉楼梯拐点等非楼层数据，最后剩下的高度值及高度值数量即为当前建筑物的每层楼高度和楼层数量，并将数据发送到unity3d建模平台。
8、数据采集与处理模块3从数据库中提取出建筑物中重点消防设施的位置坐标数据，遍历每一个消防设施的坐标数据，通过依次比较消防设施和楼层的高度值，得出当前遍历的消防设施属于哪一层，并将数据发送到unity3d建模平台。
9、数据采集与处理模块3从数据库中提取出巡防人员进行巡防任务时的三维坐标数据，遍历每一个三维坐标数据，通过依次比较坐标数据和楼层的高度值，得出当前遍历的坐标数据属于哪一层，并将数据发送到unity3d建模平台。
10、建筑物三维模型重建模块4依据步骤6、7、8、9处理所得的数据进行三维模型重建。在unity世界中建筑物模型由mesh构成，所以创建建筑物模型就是自定义与模型相关的mesh，对于自定义mesh本质就是定义好需要绘制模型的点坐标vertices，然后根据这些点来画三角形trangles，在定义好uv(主要用来显示贴图)的坐标系就可以了。对于该实施例建筑物模型由楼层底面、墙体、消防设施、巡防轨迹构成，建筑物外轮廓数据构成一个多边形，建筑物三维模型重建模块4通过基于凸凹性判断的三角剖分算法进行三角剖分处理形成多个三角形trangles，算法如图2所示，基于凸凹性判断的三角剖分算法包括以下三个部分：
a1，多边形的顶点有序集合为a＝{p0,p1,p2,...,pn}，计算集合为b＝a+{pn+1,pn+2}，其中pn+1＝p0，pn+2＝p1，通过公式
a2，当多边形为凸多边形时，利用关系式：
设t[i][j](1≤i＜j≤n)为凸多边形{pi-1,pi,...pj}的最优三角剖分所对应的权值函数值，即其最优值。最优剖分包含三角形pi-1pkpj的权，子多边形{pi-1,pi,...pk}的权，子多边形{pk,pk+1,...pj}的权之和。
因此，可得递推关系式：
利用关系式可求得凸(n+1)边形p的最优权值为：
t[1][n]＝min{t[1][k]+t[k+1][n]+w(p0,pk,pn)|1≤k≤n}。
遍历所有顶点pi-1、pj，利用关系式t[i][k]+t[k+1][j]+w(pi-1,pk,pj)|1≤i≤k≤j求取权值，其中能够组成最优权值的三角形pi-1pkpj，即为符合的三角形序列。
a3，当多边形为凹多边形时，按照顶点顺序进行三角形判断，
利用生成的三角形序列生成建筑物楼层底面mesh模型并进行纹理贴图；利用当前楼层高度、楼层层数数据和建筑物外轮廓数据构成的多边形进行三角剖分处理形成墙体mesh模型并进行纹理贴图；依据重点设施数据属于哪一层楼的标识从重点设施信息数据中检索出当前楼层的所有消防设施数据，依据消防设施的位置和类型在当前楼层模型中放置对应的消防设施模型；依据轨迹数据属于哪一层楼的标识从巡防轨迹数据中检索出当前楼层的巡防轨迹，并在当前楼层模型中绘制出轨迹。至此单层楼层模型建立完成，效果如图3所示，通过此方式建立出所有楼层的模型，最后通过对所有单层楼层模型进行拼接处理即可建立出整个建筑物完整模型，效果如图4所示。
11、三维模型建立完成后由三维建筑物展示模块5进行展示，展示界面能够实现模型的放大/缩小/平移/旋转操作、单独楼层的显示/隐藏控制、单独楼层墙体显示/隐藏控制、单独楼层轨迹显示/隐藏控制、单独楼层内部重点设施显示/隐藏控制、消防设施分类统计、2d/3d视图切换。
本发明提供了一种基于惯导定位设备生成建筑模型的系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。