土石方工程三維模擬系統(tǒng)V0

1、1-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0說明書2-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0目錄1軟件概述3.1.1 軟件運(yùn)行3.1.2 系統(tǒng)配置3.1.3 主要功能特點(diǎn)3.1.4 后期規(guī)劃3.2軟件結(jié)構(gòu)4.3軟件操作說明4.3.1 軟件主菜單4.3.2 項(xiàng)目文件管理5.3.3 項(xiàng)目編輯5.4應(yīng)用實(shí)例124.1 應(yīng)用一124.2 應(yīng)用二144.3 應(yīng)用三153-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.01軟件概述本軟件為免費(fèi)共享軟件，處于開發(fā)測(cè)試階段，僅用于學(xué)習(xí)交流。土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0,通過導(dǎo)入實(shí)際測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)和抽樣鉆孔數(shù)據(jù)信息，采用DTM

2、三角網(wǎng)三維建模技術(shù)和像素沙盒三維建模技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體積自動(dòng)建模計(jì)算，模型內(nèi)部任意位置層次結(jié)構(gòu)信息查看與修改，可作為地形地貌查看工具，山體地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、物體內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)分析工具，道路、廠址、場(chǎng)地布置初步設(shè)計(jì)分析工具。1.1 軟件運(yùn)行本軟件運(yùn)行在PC及其兼容機(jī)上，使用Windows位操作系統(tǒng)，免安裝運(yùn)行,解壓后直接雙擊“tsf_v1.exe”圖標(biāo)，確認(rèn)圖形運(yùn)行參數(shù)后，就可以進(jìn)入軟件主界面，進(jìn)行需要的軟作電作。1.2 系統(tǒng)配置軟件配置：Win7、Win8、Win10等Windows操作系統(tǒng)；硬件配置：PC機(jī)及其兼容機(jī)上運(yùn)行，要求Pentium4,4GB內(nèi)存，10GB硬盤及以上。建議使用高配置

3、PC機(jī)運(yùn)行本程序。1.3 主要功能特點(diǎn)目前主要開發(fā)了兩個(gè)功能：一、導(dǎo)入原始測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行三維模型建模。主要特點(diǎn)：1）可創(chuàng)建DTM模型，建模精度取決于測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)云，用于精確體積計(jì)算；2）可創(chuàng)建像素沙盒模型，建模精度為1m,前期實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的修改編輯功能，添加、刪除米方塊，后期擴(kuò)展開發(fā)可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜操作，提供更多模擬功能；3）提供必要的材質(zhì)、渲染處理，像素地質(zhì)貼圖可來源于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圖像；4）以第一人稱視角進(jìn)行地形瀏覽，可以更加沉浸于場(chǎng)景之中，了解地形地貌特征。5）導(dǎo)入勘察階段抽樣鉆孔數(shù)據(jù)，生成地質(zhì)層次結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意位置層次結(jié)構(gòu)剖面查看，前期開發(fā)主要分為5種地質(zhì)層次結(jié)構(gòu)：耕植土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層、長(zhǎng)

4、石斑巖層、花崗巖石層、閃長(zhǎng)斑巖層。二、土方開挖施工層、施工段劃分功能，主要特點(diǎn)可查看劃分的指定區(qū)段總土石方量，各地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成估算比例。前期主要估算耕植土、強(qiáng)風(fēng)化巖、規(guī)格料比例。1.4 后期規(guī)劃以后該軟件暫考慮兩個(gè)方向發(fā)展：1）附加更多功能，如主要施工機(jī)械需求量計(jì)算及模擬，施工道路設(shè)計(jì)、自動(dòng)最短路徑優(yōu)化，導(dǎo)入工程機(jī)械、車輛模型，進(jìn)行施工模擬，道路交通模擬，堆場(chǎng)、生活區(qū)、辦公區(qū)等場(chǎng)平布置模擬優(yōu)化，4D4-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0進(jìn)度計(jì)劃模擬優(yōu)化等；2）提高局部像素模型精度，達(dá)到cm級(jí)甚至mm級(jí)，滿足建筑工程施工精度要求，拓寬至更多領(lǐng)域應(yīng)用。2軟件結(jié)構(gòu)主要包括六個(gè)模塊：UI操作菜單模塊，數(shù)

5、據(jù)輸入模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，顯示輸出模塊，環(huán)境模擬模塊，瀏覽操作模塊。1）UI操作菜單包含：主菜單窗口、項(xiàng)目文件編輯窗口、項(xiàng)目操作窗口等。2）數(shù)據(jù)輸入模塊包含：測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)云讀入、抽樣鉆孔數(shù)據(jù)讀入、外部（OBJ格式）模型讀入等功能；3）數(shù)據(jù)處理模塊包含：DTM建模、布爾差運(yùn)算、體積計(jì)算、鉆孔數(shù)據(jù)插值運(yùn)算、像素模型建模與編輯等功能；4）顯示輸出模塊包含：綜合信息顯示、運(yùn)算進(jìn)度顯示、數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)（像素模型本地存儲(chǔ)尚未完善）等功能；5）環(huán)境模擬模塊包含：水域環(huán)境模擬、陸地環(huán)境模擬、天候變化模擬等功能；6）瀏覽操作模塊包含：第一人稱視角顯示與操作、重力/飛行模擬、碰撞檢測(cè)等功能；3軟件操作說明3.1 軟件

6、主菜單軟件主界面見圖1,主界面主要包括兩個(gè)功能：1）點(diǎn)擊“繼續(xù)”或“項(xiàng)目文件”按鈕進(jìn)入項(xiàng)目文件管理界面；2）點(diǎn)擊簡(jiǎn)介可顯示本軟件相關(guān)介紹，見圖2。圖1軟件主界面5-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0圖2軟件簡(jiǎn)介3.2 項(xiàng)目文件管理在軟件主界面，點(diǎn)擊“項(xiàng)目文件”或“繼續(xù)”按鈕進(jìn)入項(xiàng)目文件管理界面，見圖3。在軟件界面左側(cè)文本輸入框輸入名稱，然后點(diǎn)擊“新建項(xiàng)目”按鈕，可在右側(cè)項(xiàng)目列表新建項(xiàng)目，鼠標(biāo)移動(dòng)到項(xiàng)目列表相應(yīng)項(xiàng)目文件上可進(jìn)行項(xiàng)目文件操作，包括打開進(jìn)入項(xiàng)目、刪除指定項(xiàng)目。圖3項(xiàng)目文件管理界面3.3 項(xiàng)目編輯在項(xiàng)目文件管理界面選擇相應(yīng)項(xiàng)目文件，點(diǎn)擊“打開”按鈕，讀取指定項(xiàng)目數(shù)據(jù)，進(jìn)入該項(xiàng)目界面，見

7、圖4。項(xiàng)目界面左上角為綜合信息顯示窗口，顯示必要的數(shù)據(jù)與操作狀態(tài)。左側(cè)為折疊菜單面板。3.3.1 導(dǎo)入數(shù)據(jù)面板本軟件附示例文件以供參考，包括測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)面文件，試驗(yàn)運(yùn)行請(qǐng)選擇“project01.csv"，“project02.csv”數(shù)據(jù)量較大，若電腦配置較低可能會(huì)卡頓死機(jī)。折疊菜單面板第一級(jí)為導(dǎo)入數(shù)據(jù)面板，該面板主要進(jìn)行場(chǎng)景選擇與測(cè)量數(shù)據(jù)6-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0導(dǎo)入操作，新建項(xiàng)目初始化場(chǎng)景為水域環(huán)境見圖4,選擇陸地選項(xiàng)效果見圖5電腦配置較低建議選擇陸地環(huán)境，水域環(huán)境更適合高配置電腦。圖4項(xiàng)目界面圖5陸地環(huán)境導(dǎo)入地表數(shù)據(jù)，可選取兩種模式：1）選擇“導(dǎo)入

8、點(diǎn)云”，是指選擇原始地形測(cè)量數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件格式是后綴為*.csv的電子表格，電子表格數(shù)據(jù)格式見圖6;2）選擇“導(dǎo)入模型”，是指選擇導(dǎo)入其它軟件生成的三維立體圖形，文件格式為OBJ文件。ABC|DE11點(diǎn)號(hào)描述坐標(biāo)M坐標(biāo)Z坐標(biāo)21513303.2952966062.C453732515325.271296C018.1813743515339.7762965997.94537到4515344.892965939.10337|6_0還356：8292965923.34337圖6測(cè)量數(shù)據(jù)格式抽樣鉆孔數(shù)據(jù)文件是用于創(chuàng)建像素模型時(shí)，生成層次結(jié)構(gòu)模型。鉆孔數(shù)據(jù)文件格式是后綴名為*csv的電子表格格式，數(shù)

9、據(jù)內(nèi)容格式見圖7,第1列為鉆孔點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，第24列為鉆孔點(diǎn)坐標(biāo)，第5列為鉆孔點(diǎn)孔口高程取整，第6列之后為相7-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0應(yīng)鉆孔深度地質(zhì)類型，地質(zhì)類型代號(hào)見圖8ABCDEFGH1rKL1點(diǎn)號(hào)YX1工四舍五入Id2bSm4m5tnEm7n232514921.592965545.9671.第7J122222319S14T26.33二9演了03.15也工;4213333342Q14WJ7,272HE7E298166.4212223335_21515W&騁2965819.世17.6122?33362251216.332065871.B1L&9煙122233724514

10、665.44965550.9879.79加1122222圖7鉆孔數(shù)據(jù)格式ALB1地質(zhì)類型代號(hào)2粉質(zhì)粘土13長(zhǎng)石斑巖強(qiáng)風(fēng)化24長(zhǎng)石斑巖35|花崗巖46閃長(zhǎng)野巖5圖8地質(zhì)類型代號(hào)選擇地表數(shù)據(jù)文件、地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)文件完成后，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)開挖面設(shè)置。開挖面設(shè)置包括兩種形式：1）導(dǎo)入模型，僅支持obj格式三維模型，對(duì)于復(fù)雜開挖面，應(yīng)使用其它軟件，例CAD、3dsmax、犀牛等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開挖面建模，導(dǎo)出為obj格式模型文件，在建立轉(zhuǎn)換模型過程中，注意設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)為本軟件綜合信息顯示窗口的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，才能導(dǎo)入至準(zhǔn)確位置；2）對(duì)于設(shè)計(jì)開挖面為平面的項(xiàng)目，選擇“輸入高程（m）”選項(xiàng)，輸入相應(yīng)的設(shè)計(jì)開挖面高程。水平

11、面高程設(shè)置用于陸地或水域平面高程設(shè)置。導(dǎo)入數(shù)據(jù)面板設(shè)置完成狀態(tài)見圖9。圖9導(dǎo)入數(shù)據(jù)面板設(shè)置3.3.2 三維瀏覽操作本軟件使用第一人稱沉浸式地形瀏覽，更加具有代入感，地形瀏覽效果見圖10、圖11。按下鼠標(biāo)右鍵，移動(dòng)鼠標(biāo)進(jìn)行鏡頭旋轉(zhuǎn)與俯視仰視操作；滑動(dòng)鼠標(biāo)滾輪進(jìn)行鏡頭縮放；鍵盤"W”、"S”、"A”、“D”進(jìn)行前、后、左、右操作，同時(shí)按下“左Shift”鍵進(jìn)行加速；按“左Ctrl”鍵開啟/關(guān)閉重力模式；在開啟重力模式下按Space鍵進(jìn)行跳躍操作，關(guān)閉重力模式下，按Space鍵提升飛行高度。建模水平面高程設(shè)置可更改水面/地面高程，效果見圖12。8-16土石方工程三維模擬

12、系統(tǒng)V1.0圖10重力地形瀏覽圖11飛行俯視圖12修改水平面標(biāo)高效果3.3.3 建模工具面板“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”面板設(shè)置完成后進(jìn)入“建模工具”面板，單擊“DTM”按鈕,使用測(cè)量數(shù)據(jù)文件進(jìn)行三維地形建模，建模過程見圖13,建模完成后效果見圖14。9-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0圖13DTM三維地形建模圖14DTM地形模型效果生成像素模型。在DTM三維地形模型創(chuàng)建并檢視確認(rèn)后，按建模工具面板“像素模型”按鈕，轉(zhuǎn)換DTM地形模型為帶地質(zhì)結(jié)構(gòu)的像素模型，創(chuàng)建過程及效果見圖15、圖16。圖15像素模型建模過程10-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0圖16像素模型效果三維模型布爾差運(yùn)算。初步完成剖切算法、剖

13、切后三維體積計(jì)算。例：使用地形測(cè)量數(shù)據(jù)生成三維地形模型見圖17中白色三維地形模型，導(dǎo)入設(shè)計(jì)開挖面模型見圖17中棕色模型。剖切效果見圖17,剖切過程見圖18。布爾運(yùn)算代碼有待優(yōu)化，運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)入的設(shè)計(jì)面必須要大于剖切模型剖切面，且設(shè)計(jì)面法線方向須向上。具體操作步驟為：1）在導(dǎo)入數(shù)據(jù)面板設(shè)計(jì)開挖面選項(xiàng)勾選“導(dǎo)入設(shè)計(jì)面圖17模型剖切（obj）”；2）單擊“打開”按鈕，打開文件瀏覽目錄，類型選擇"（obj）”，導(dǎo)入設(shè)計(jì)面模型；3）在瀏覽窗口確認(rèn)設(shè)計(jì)面是否正確導(dǎo)入，鼠標(biāo)選擇設(shè)計(jì)面模型，在屬性面板可以對(duì)設(shè)計(jì)面位置、縮放進(jìn)行調(diào)整，旋轉(zhuǎn)請(qǐng)勿調(diào)整，調(diào)整后計(jì)算過程中不會(huì)計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度；4）點(diǎn)擊“布爾差

14、”按鈕，模型進(jìn)行剖切運(yùn)算。圖18剖切過程三維體積計(jì)算。選擇布爾差運(yùn)算后的模型或者待計(jì)算的像素三維模型，然后單擊“選擇域體積”，就可以完成體積計(jì)算，計(jì)算結(jié)果在建模工具面板中顯示，見圖19、圖20。11-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0圖19DTM模型體積計(jì)算圖20像素模型選擇域體積3.3.4 屬性面板模型瀏覽窗口中一些模型是允許選擇的，以便進(jìn)行屬性查看、修改的，包括導(dǎo)入的設(shè)計(jì)面模型（obj）,生成的像素模型。當(dāng)選擇單個(gè)對(duì)象時(shí)，屬性面板可以查看、修改選擇的對(duì)象信息，包括位置坐標(biāo)信息，旋轉(zhuǎn)角度信息（旋轉(zhuǎn)角度相對(duì)于基點(diǎn)0,0,0）,縮放信息。在操作過程中，一般請(qǐng)勿修改對(duì)象屬性，修改后易引發(fā)后續(xù)操作、

15、運(yùn)算錯(cuò)誤。3.3.5 編輯面板編輯面板提供像素模型編輯修改功能，包括隱藏選擇對(duì)象、取消隱藏、刪除選擇對(duì)象、取消選擇、增加像素塊、刪除像素塊命令。像素模型修改效果見圖21。12-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0圖21像素模型編輯功能4應(yīng)用實(shí)例4.1應(yīng)用一2020年01月03日，施工單位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)堆料場(chǎng)進(jìn)行地形測(cè)量工作，2020年01月06日，收到施工單位報(bào)送的測(cè)量報(bào)驗(yàn)單*大堆現(xiàn)有石料地形測(cè)量（編號(hào)：*）,經(jīng)組織審查，并利用本軟件將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)生成三維地形模型（見圖22）與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形地貌對(duì)比檢查，發(fā)現(xiàn)具體問題如下：圖22堆料場(chǎng)三維地形模型（1）堆料場(chǎng)西側(cè)局部地形因過于陡峭，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員當(dāng)時(shí)無法安全

16、攀登測(cè)量，此處地形未測(cè)量，見圖23,施工單位報(bào)送的測(cè)量報(bào)告未進(jìn)行標(biāo)注說明。若使用本次測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)行涉及堆料場(chǎng)西側(cè)區(qū)域工程量相關(guān)計(jì)算工作，將造成計(jì)算結(jié)果偏差過大；13-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0特合信息曾口笥二點(diǎn)悌1哪0.口296&4W.0,1?too-1n.oo)自地下霹1122.fi2ki3762fE開|v值入嘉青Fe1|5'事率耳理丁典DTM打開力vBullcxi圖23三維模型與現(xiàn)場(chǎng)地形對(duì)比圖（2）依據(jù)本次測(cè)量數(shù)據(jù)生成的三維模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形地貌對(duì)比（見圖23、圖24,圖24為圖23圖中與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地貌不符部分放大圖），堆料北側(cè)區(qū)域地形圖嚴(yán)重失真，與現(xiàn)場(chǎng)地形地貌

17、不符。針對(duì)上述問題，要求施工單位認(rèn)真分析產(chǎn)生上述問題原因，采取有效措施，杜絕此類問題再次發(fā)生，若再次發(fā)生此類問題，將依據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)安全質(zhì)量處罰管理（編號(hào)：QA-XP-400）第6.2.3條“質(zhì)量紅線：1）弄虛作假（工作過程、工器具材料、質(zhì)量文件記錄、簽名等）?！边M(jìn)行處罰。后施工單位主動(dòng)承認(rèn)錯(cuò)誤，因?yàn)橥谶\(yùn)隊(duì)提前挖運(yùn)，造成通知測(cè)量驗(yàn)收時(shí)地形已改變，在報(bào)驗(yàn)測(cè)量報(bào)告時(shí)將已挖運(yùn)的土石方工程量加入了本次測(cè)量報(bào)告之中，施工單位主動(dòng)承諾將重新組織測(cè)量。土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.014-16圖24地形不符合處對(duì)比放大圖4.2應(yīng)用二采用示例文件夾中示例文件，進(jìn)行原始地貌開挖至設(shè)計(jì)面工程量計(jì)算。步驟1:運(yùn)行本程序，

18、在項(xiàng)目管理界面新建一項(xiàng)目工程，名稱“項(xiàng)目1”，并進(jìn)入項(xiàng)目；步驟2:展開“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”面板，場(chǎng)景選擇“陸地”，地表數(shù)據(jù)文件選擇示例文件夾中“project01.csv"，地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)選擇示例文件夾中“zk_data.cs。,設(shè)計(jì)開挖面選擇示例文件中“project01.obj"，建模水平面輸入“18”m；步驟3:展開“建模工具”面板，先點(diǎn)擊“DTM”建模，然后單擊“布爾差”，等待運(yùn)算結(jié)束，選中新生成的模型，再單擊“選擇域體積”按鈕，計(jì)算結(jié)果見圖25,原始地貌開挖至設(shè)計(jì)面DTM模型體積為77.4萬m3;15-16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0圖25DTM模型體積步驟4:單擊建模工具面板