基于增强现实的心墙堆石坝施工进度可视化仿真研究

摘要

目前心墙堆石坝施工可视化仿真多是基于仿真结果来构建虚拟三维场景的仿真，三维场景主要包括主体模型（大坝等）和环境模型（地形等）。由于环境模型多是根据前期勘测设计资料建立，所以，为提高展示效果，需要投入大量资源进行三维建模及渲染；同时，随着工程进行现场环境会逐渐发生变化，然而环境模型难以频繁修改、更新，降低了可视化仿真的真实性与直观性。针对以上问题，本文提出了基于增强现实（Augmented Reality，AR）的心墙堆石坝施工进度可视化仿真方法。主要研究成果如下： （1）提出了基于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）+RTK-GPS（Real-Time Kinematic difference-Global Positioning System，RTK-GPS）的相机注册方法。 针对现有的基于增强现实的施工进度三维可视化研究不具备实时性的问题，通过对心墙堆石坝工程施工现场特点和各种相机注册方式的分析，提出了基于IMU+RTK-GPS的相机注册方法，以工程现场建设的RTK-GPS获取相机的精确坐标，以IMU获取相机的三维姿态，在充分利用了工程现场的基础设施的情况下，实现了相机的实时注册。 （2）提出了基于增强现实的心墙堆石坝施工进度可视化仿真方法。 针对现有的心墙堆石坝施工可视化仿真研究中构建的三维可视化场景和真实施工场景不处于同一空间问题，以及构建和渲染大量环境模型占用过多资源问题，提出了基于增强现实的心墙堆石坝施工进度可视化仿真方法，以增强现实为手段对心墙堆石坝施工可视化仿真进行了研究，实现了在真实的工程现场环境中展示了施工仿真进度模型，并提高了可视化仿真效率。 （3）针对心墙堆石工程特点开发了基于增强现实的心墙堆石坝施工进度可视化仿真系统，并对结果进行了分析。 首先，结合工程实例建立仿真模型并进行仿真计算，获得了仿真成果数据；其次，利用增强现实技术在无需建立环境模型的情况下直接在真实环境中展示了施工进度三维可视化场景，实现了施工仿真和施工现场的紧密结合；再者，采用基于Web Service的数据交换技术和基于VTK（visualization toolkit）的大坝模型处理方法实现了仿真成果的交互式查询及三维动态展示；最后，对传统的心墙堆石坝施工可视化仿真和基于增强现实的心墙堆石坝施工可视化仿真进行对比分析，结果表明基于增强现实可视化仿真方法以更少的资源消耗实现了更真实直观的可视化仿真。

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