土石方工程三維模擬系統(tǒng)V 1.0

1、土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0 -16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0說(shuō)明書SI三宙西予H二宙西Z予TOC o 1-5 h zII_宙西IfZl酚溝宙西f1欝霸目誼爵易韌兀目匪ZTfrfrfrz痔解聲些f1韓綢瞬壬冨囲呀鑒21馬宴刪11蜩刪I91N崔目0-1A鷺逐冊(cè)渤彫三型工殳生干土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0 -16土石方工程三維模擬系統(tǒng)V1.0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(guò)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

2、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。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_vl.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)行需要的軟件操作。系統(tǒng)配置軟件配置：Win7、Win8、WinlO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，1OGB硬盤及以上。建議使用高配置PC機(jī)運(yùn)行本程序。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

3、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(lái)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)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

4、比例。前期主要估算耕植土、強(qiáng)風(fēng)化巖、規(guī)格料比例。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，4D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。軟件結(jié)構(gòu)主要包括六個(gè)模塊：UI操作菜單模塊，數(shù)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、

5、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；軟件操作說(shuō)明軟件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:r曲-j.NI白AT15

6、三址IS扭系氏WLO胃簾主同平期矣：一*并幾再M(fèi)WJKI&曾直山彷號(hào)曲距戰(zhàn)一電皆眾”rw#5J徒帶號(hào)立璇決+刊甄爲(wèi)R.虹.用于帶涌Tlt計(jì)黨；?I=刪京慷走枉；.!*HJflTllni,琳闿實(shí)境胃單的It珞曙貨功紀(jì).后闿十悽開發(fā)町辛覘更加復(fù)辛操忤.握白史爭(zhēng)欖捽MSU；31搓供敘監(jiān)貫持旨.油第兆理.質(zhì)惡侵耳束揺干班噴呢膜倒：4）型第一人稱攜卻址訐站冊(cè)制奩.可氏更如鞏瀑踰貝立中.*輻亦未g訊站二、z.m人如.宦及*亠】V*=.,-1l-p*CiMt-Nir玉則便冃止孑沛H稍F期至4系驕垃一圖2軟件簡(jiǎn)介項(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

7、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。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)

8、行場(chǎng)景選擇與測(cè)量數(shù)據(jù)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。(CI.D,0.(,OjD)闌力：a(D.Q.0.0,!1Kb站表襯區(qū)文仟ICffy/OtjJ:y5?Aja畀工翳MilA&鉆孔滋據(jù)(c)fflifffffiE:耳入”報(bào)ig.-A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。JABcDEJ1點(diǎn)

9、號(hào)描述Y坐標(biāo)工坐標(biāo)2坐標(biāo)21515303.2952966062.0453732515325.2712966018.1813743515339.7762&65997.945374515344.892965939.10337|6515356.8292965923.34337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)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列之后為相應(yīng)鉆孔深度地質(zhì)類型，地質(zhì)類型代號(hào)見圖8。AcEFGJKLA-rX丄四舍五入In2m3IE4mam6m.

10、7n32514921.汨29655：-.967J,067J122222219c14726.33296570b.la姫27123333S420514907-272965762.98166.4216612223335T515078.262965819.64175.61222333&222965871.811551591222233724514665.442965550.9879.79801122222圖7鉆孔數(shù)據(jù)格式JA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-I-F-b_JLjwIh化岡芒4G閃長(zhǎng)班巖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)

11、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(guò)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)

12、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。跌杏故宿丈陣I：tiaviu&i).ifaS9口曲和鼠:|4T46.g,2M7.0,17.00.0,-1.0,001理力:111B1.T.36.1,113.4)j.tm占也學(xué)lra-=s.i-f丁萍tftd幵招SEL嶺AVtGbf圖10重力地形瀏覽TBIM迥計(jì)幵攝直：*入第理lot卄虛捋坪噴站孔曲JEI

13、C&MJ.所&神1予第標(biāo)疋屆3U吊開棄WrEfSR斷屁皚-(*7-169.253TQ.17.0)傀曲盤Q蝕2：0悶耳閃鼬0鞏地禺魅:劃立ft|esVJDt.jI:r彳人丘.遠(yuǎn)flASifti注二二S=tILrWIS翠事I?y：打開圖11飛行俯視圖12修改水平面標(biāo)高效果建模工具面板“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(guò)程見圖13，建模完成后效果見圖14。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)

14、建過(guò)程及效果見圖15、圖16。圖15像素模型建模過(guò)程療旣總*眾：E；啓窄土：m:3XSmJDTMfefflrn1JB斤耶逹握降域體祁WbIbSWP旺:B點(diǎn)(474*025370,17.&)0.0,0.D,0.0)O：d4硏I島訓(xùn)蝕-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(guò)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)

15、入設(shè)計(jì)面（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(guò)程中不會(huì)計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度；4）點(diǎn)擊“布爾差”按鈕，模型進(jìn)行剖切運(yùn)算。圖17模型剖切圖18剖切過(guò)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。煨素羞體田nP1：-fff1S土W占電鳳址若：3灣石:mDTME燼積：77斗Q訶耐J4746.0.3537.0,170|-汕改

16、亞k0.0)啦力.0jMUZS.G.JZIj骨索廉型斤祜滋區(qū)7圖19DTM模型體積計(jì)算KI廉合信JEIE口14145.6.2537017.0)晶優(yōu)(10|“：陽(yáng)褚.印1引31020麒峑履出trnil*“圖25DTM模型體積步驟4：?jiǎn)螕艚９ぞ呙姘濉跋袼啬Ｐ汀卑粹o，進(jìn)行像素沙盒模型建模，建模結(jié)束后，框選所有像素塊，再點(diǎn)擊“選擇域體積”，運(yùn)算結(jié)果見圖26，原始地貌開挖至設(shè)計(jì)面像素模型總體積為76.0萬(wàn)m3,修正系數(shù)i=DTM模型體積F像素模型總體積=77.4/76=1.018，耕植土、強(qiáng)風(fēng)化巖、巖石像素體積分別乘以修正系數(shù)i,得到最終結(jié)果分別為4.07萬(wàn)m3,12.43萬(wàn)m3,60.86萬(wàn)m3。v嫌JS.il腳?59909m11)辨電土陽(yáng)怦刃風(fēng)毗巖:122111m3)WiJ：陶7陰5用DTTMjfeft:prrJTBJM圖26像素模型體積本軟件也可以拓展用于兩期土方計(jì)算，首先需要兩期測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)云具有相同的邊界，然后分別計(jì)算兩期測(cè)量數(shù)據(jù)至水平面0m的體積，最后兩期體積相減得到兩期土方工程量。在計(jì)算過(guò)程中也可以對(duì)像素模型進(jìn)行編輯修改，刪除超邊界或不需要計(jì)算得像素塊，然后計(jì)算體積。應(yīng)用三指定施工層