一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法及系统技术领域
本发明属于水电工程建设管理技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实的水工建筑
物实测性态多维度分析方法及系统。
背景技术
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、多媒体
技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合。虚拟现实技术在水电行业的应用较少，基本
为工程形象、面貌展示，在专业分析应用领域基本处于空白。随着BIM、3S技术等新技术手段
在水电工程中的应用不断深化，为虚拟现实技术在水电工程中的深层次应用提供了有利条
件，如能借助虚拟现实技术直观可视的优点，实现丰富专业分析的层次，提升专业分析成果
的直观性，对于指导水电工程的安全决策具有重要意义。
近年来我国水电发展尤为迅速，以三峡大坝(坝高181m)、金沙江溪洛渡拱坝(坝高
285.5m)、澜沧江小湾拱坝(坝高294.5m)等为代表的一批的高坝大库陆续修建，随着坝高和
库容的不断增加，工程安全监控越来越受到政府、业主等各方关注。随着众多水利水电工程
运行期不断增长，工程安全监控及管理手段也面临越来越多的挑战。在安全监测专业，工程
安全监测自动化系统已逐渐成为水电工程监测专业发展新趋势，通过自动化采集手段实时
掌握大坝等水工建筑物工作性态，是水电工程安全决策的重要基础和保证。传统的监测数
据分析只限于二维层面，信息表达能力有限，非专业人员难以快速理解和获取有效信息，不
利于进行水工建筑物基于实测资料的快速安全评判，难以对工程安全决策进行有效支撑。
安全监测数据借助虚拟现实技术进行三维可视化展示，并结合环境量等相关成果进行多维
度分析，快速进行水工建筑物的空间维度安全分析评判，相关研究内容在国内尚属空白，对
指导水电工程的安全决策具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于虚拟现实的水工建筑物
实测性态多维度分析方法及系统，解决水工建筑物实测资料在虚拟现实中的三维展示与分
析中的难题，结合相关成果进行多维度综合评判，动态模拟 水工建筑物实测工作性态随环
境因素的时空演化，并建立空间监控评判模型，快速诊断水工建筑物健康状况。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法，包括如下步骤：
步骤1，根据水工建筑物结构特点，设计布置自动化监测系统，自动采集水工建筑
物的监测数据和环境量数据；所述的监测数据包括变形、应力应变、温度、渗流四项监测项
目的数据；
步骤2，将自动化监测系统采集数据先同步到服务器中的监测专业数据库，后调用
监测数据库中各监测点的整编计算公式，进行监测资料整编；
步骤3，建立建筑物BIM模型和地理信息GIS模型，在同一平台中加载集成两者模型
信息；BIM建筑模型与GIS地理信息模型按照经纬坐标集成，构建水电工程虚拟现实三维场
景；
步骤4，经整编后的监测数据为数据源，采用空间插值算法计算建筑物监测状态的
三维分布结果，并在BIM模型中以等值云图方式展示；
步骤5，在GIS地理信息模型中，加载环境量数据，上下游水位在GIS场景中采用实
际高程的水面展示，降雨和流量采用粒子系统模型模拟效果展示，得到环境量模型；
步骤6，加载相同时刻的GIS场景中的环境量模型与BIM模型中表示实测性态的三
维等值云图，在水电工程虚拟现实三维场景中模拟两者随同一时间轴的同步动态展示；
步骤7，采用逐步回归方法建立各单测点的监控统计模型，根据各单测点监控统计
模型计算各单测点评判预测值，根据各单测点评判预测值对其实测值进行判断，判断其是
否在监控模型的允许范围，以识别实测值是否正常、基本正常、异常；根据各单测点评价结
果评判结果和三维空间坐标，采用空间插值算法构建水工建筑物各监测项目的空间监测预
测评判模型，在BIM模型中进行三维展示，以辅助电站管理人员管理决策。
进一步，优选的是步骤1中，自动化监测系统自动采集的监测数据为正垂线、倒垂
线、渗压计、测斜管、测压管、多向应变计组、温度计和量水堰所测得的数据；所述的环境量
数据包括上下游水位、降雨和流量。
进一步，优选的是步骤4中，建筑物监测状态的三维分布计算方法为：变形、应力应
变、温度监测项目以监测点的三维坐标作为插值点，监测点实测整 编数据为数据源，以BIM
模型为边界约束，通过空间插值方法，形成水工建筑物不同工作性态空间分布场，在BIM模
型进行可视化展示；渗流监测项目以测压管三维坐标为基准点，以监测点的实测整编数据
为数据源，在BIM模型中形成测压管测值三维柱状分布模型，直观了解掌握渗压空间分布情
况。
进一步，优选的是根据单测点评判预测值对其实测值进行判断的方法为：
1)若评判预测值与实测值y0i满足时，则实测值正常；
2)若实测值满足时，并重复测2～3次，仍在之
间，则实测值基本正常，但应进行进一步观测分析成因；
3)若实测值满足时，则实测值异常，应当预警；
其中，为该单测点的评判预测值；y0i为该单测点的实测值；S为该单测点监控统
计模型的标准差。
一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析系统，包括数据采集层、数
据汇集层、数据服务层、模型渲染层和应用服务层；
数据采集层、数据汇集层、数据服务层、模型渲染层和应用服务层顺序相连；
数据采集层用于获取水工建筑物的变形、渗流、应力应变、温度以及环境量的原始
数据信息；
数据采集层中包括用于监测水工建筑物的变形监测仪器、渗流监测仪器、应力应
变监测仪器、温度监测仪器和环境量监测仪器；
数据汇集层，包括监测专业数据库、地理空间数据库和BIM模型信息数据库；
将数据采集层得到的原始数据通过数据汇集接口进入数据汇集层中，并依据各监
测点的整编公式进行计算，并将整编计算结果存储至监测专业数据库中；
地理空间数据库用于存储地理信息模型中的数字高程信息和正射影像信息；
BIM模型信息数据库是用于存储各种监测仪器的BIM模型及水工建筑物的BIM模
型；
数据服务层用于获取监测专业数据库中的整编数据，采用空间插值算法计算建筑
物实测形态三维分布；
数据服务层包括监测建筑物变形空间评判模型、地理信息模型构建模块和BIM模
型构建模块；
建筑物变形空间评判模型用于采用逐步回归方法建立监测单测点的监控统计模
型，并将单测点的监控统计模型进行空间插值，构建空间监测预测评判模型；
地理信息模型构建模块用于从地理空间数据库加载水工建筑物所在处的数字高
程信息和正射影像信息，然后构建成地理信息三维场景模型；
BIM模型构建模块用于从BIM模型信息数据库中加载该水工建筑物的BIM模型及各
监测仪器的BIM模型，形成BIM三维模型；
模型渲染层用于将BIM模型构建模块构建的BIM三维模型、与地理信息模型构建模
块构建的地理信息三维场景模型进行加载，建立该水电工程虚拟现实场景，并渲染展示；
应用服务层，包括数据管理模块、GIS环境管理模块、BIM模型管理模块、BIM等值云
图模块、多维信息展示模块和空间评判模型模块；
数据管理模块，用于对监测专业数据库进行增加、删除、查询和修改；
GIS环境管理模块，用于管理水电工程枢纽区和库区范围的地理信息模型；
BIM模型管理模块，用于对BIM模型显示模式切换、割切、透明度、颜色、视角定制、
显示三维标尺和截图操作进行设置；
BIM等值云图模块，用于调用空间监测预测评判模型计算建筑物工作形态的三维
插值结果，在BIM三维模型中以等值云图形式显示；
多维信息展示模块，用于在该水电工程虚拟现实场景中加载显示环境量与BIM等
值云图模块中得到的等值云图信息，通过时间进度来控制环境量与等值云图信息在虚拟现
实环境中的动态展示；
空间评判模型模块，用于调用单测点的监控统计模型，计算该测点变形评判结果，
调用空间监测预测评判模型计算建筑物变形空间评判结果，在BIM三维模型中以等值云图
形式展示。
进一步，优选的是GIS环境管理模块用于获取监测专业数据库中上下游水位、降雨
量及流量数据，然后在水电工程虚拟现实场景中库区上下游水面高程按照上下游水位实际
高程展示，降雨和流量根据数值设置粒子系统参数模拟效果展示。
进一步，优选的是BIM等值云图模块，包括三维曲面显示单元与BIM显示 单元；
三维曲面显示单元，读取监测专业数据库中监测点实测整编数据为数据源，以监
测点的三维坐标作为插值点，以监测点位置通过Delaunay三角网生成方法形成三维曲面，
作为插值计算的生成范围和边界，计算完成后获得三维曲面监测云图。如监测项目为变形
和应力应变，数据为矢量形式，用户可设置三维曲面在矢量方向上的变形比例，模拟建筑物
实测性态在监测点上的变化影响。
BIM显示单元，读取监测专业数据库中监测点实测整编数据为数据源，以监测点的
三维坐标作为插值点，以BIM模型节点坐标作为插值计算的生成范围和边界，计算完成后获
得三维BIM监测云图。如监测项目为变形和应力应变，数据为矢量形式，用户可设置监测BIM
在矢量方向上的变形比例，模拟建筑物实测性态在建筑物整体上的变化影响。
进一步，优选的是所述的模型渲染层采用三维开源引擎VTK来渲染。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1、将BIM模型及地理信息模型、监测实测资料多源异构信息在虚拟现实环境中集
中展示，克服了多平台运行难题。
2、对接监测自动化系统，创新性的实现水工建筑物实测性态在虚拟现实中的多维
度动态实时分析展示，具有可靠性高，操作方便、直观易懂、实时高效的优点。
3、建立大坝等水工建筑物的工作性态空间评判模型，进行水工建筑物快速安全评
判和诊断，辅助工程决策，保障工程安全，弥补了现有技术的空白。
附图说明
图1基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法流程图；
图2基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析系统结构图；
其中，100、数据采集层；101、变形监测仪器；102、变形监测仪器；103、应力应变监
测仪器；104、温度监测仪器；105、环境量监测仪器；110、数据汇集接口；120、三维建模软件；
200、数据汇集层；201、监测专业数据库；202、地理空间数据库；203、BIM模型信息数据库；
300、数据服务层；301、监测建筑物变形空间评判模型；302、地理信息模型构建模块；303、
BIM模型构建模块；400、模型渲染层；401、三维开源引擎VTK；500、应用服务层；501、数据管
理模块；502、GIS环境管理模块；503、BIM模型管理模块；504、BIM等值云图模块；505、多维信
息展示模块；506空间评判模型模块、；514、三维 曲面显示单元；524、BIM显示单元。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发
明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件
或者按照产品说明书进行。所用材料、仪器或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获
得的常规产品。
本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中涉及到的相关模块及其实现的功能
是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序
或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，
改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特
定功能。因此，可以理解的是，本发明的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连
接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。
本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中提到的相关模块是用于执行本申请
中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可
以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其
他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一
个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措
辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加
一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元
件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在
中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞
“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术
语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该
理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意
义一致的意义，并且除非像这里一样定义， 不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如图1所示，一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析方法，包括如下
步骤：
步骤1，根据水工建筑物结构特点，设计布置自动化监测系统，自动采集水工建筑
物的监测数据和环境量数据，全面监控水工建筑物工作性态；所述的监测数据包括变形、应
力应变、温度、渗流四项监测项目的数据；
自动化监测系统自动采集的监测数据为正垂线、倒垂线、渗压计、测斜管、测压管、
多向应变计组、温度计和量水堰所测得的数据；所述的环境量数据包括上下游水位、降雨和
流量。
步骤2，将自动化监测系统采集数据先同步到服务器中的监测专业数据库，后调用
监测数据库中各监测点的整编计算公式，进行监测资料整编；
自动化监测系统通过有线或者无线的方式将采集数据同步到后方服务器，按照监
测仪器类型分类存储在监测专业数据中，调用监测专业数据库中的监测仪器整编计算公式
计算，将原始测值中的电测值成果转换为分析需要的效应量，如位移、应力、流量等。
步骤3，建立建筑物BIM模型和地理信息GIS模型，在同一平台中加载集成两者模型
信息；BIM建筑模型与GIS地理信息模型按照经纬坐标集成，构建水电工程虚拟现实三维场
景；
采用Revit、、Invertor、3dmax等三维建模软件建立大坝、监测仪器等BIM模型，采
用库区航测影像及DEM建立拱坝枢纽区地理信息模型，BIM模型和GIS模型按照统一坐标系
集成，构建虚拟现实三维场景。
步骤4，经整编后的监测数据为数据源，采用空间插值算法计算建筑物监测状态的
三维分布结果，并在BIM模型中以等值云图方式展示；
建筑物监测状态的三维分布计算方法为：变形、应力应变、温度监测项目以监测点
的三维坐标作为插值点，监测点实测整编数据为数据源，以BIM模型为边界约束，通过空间
插值方法，形成水工建筑物不同工作性态空间分布场，在BIM模型进行可视化展示；渗流监
测项目以测压管三维坐标为基准点，以监测点的实测整编数据为数据源，在BIM模型中形成
测压管测值三维柱状分布模型，直观了解掌握渗压空间分布情况。
步骤5，在GIS地理信息模型中，加载环境量数据，上下游水位在GIS场景中采用实
际高程的水面展示，降雨和流量采用粒子系统模型模拟效果展示， 得到环境量模型；
步骤6，加载相同时刻的GIS场景中的环境量模型与BIM模型中表示实测性态的三
维等值云图，在水电工程虚拟现实三维场景中模拟两者随同一时间轴的同步动态展示；
步骤7，采用逐步回归方法建立各单测点的监控统计模型，根据各单测点监控统计
模型计算各单测点评判预测值，根据各单测点评判预测值对其实测值进行判断，判断其是
否在监控模型的允许范围，以识别实测值是否正常、基本正常、异常；根据各单测点评价结
果评判结果和三维空间坐标，采用空间插值算法构建水工建筑物各监测项目的空间监测预
测评判模型，在BIM模型中进行三维展示，以辅助电站管理人员管理决策。
首先应用逐步回归分析法建立大坝变形单测点的监控模型。大坝位移主要受水
压、温度以及时效等因素的影响。因此，位移由水压分量、温度分量和时效分量组成，即：
δ＝δH+δT+δθ (1)
式中：δ—位移；
δH—水压分量；
δT—温度分量；
δθ—时效分量。
下面简单介绍一下上述各分量的表达式：
1)水压分量(δH)
对于大坝而言，坝段任一点在水压作用下产生的水压分量δH与水深H、H2、H3有关，
即：
式中：H—坝前水深；
H0—坝前始测日水深；
ai—回归系数；
i为i次方。
2)温度分量(δT)
从多年观测资料来看气温基本上呈年周期性变化，因此温度因子可选用周 期的
谐波作为因子，用谐波函数来模拟温度周期变化，由此求得温度分量δT，即：
式中：b1i、b2i—回归系数(i＝1～2)；
t—监测日至始测日的累计天数；
t0—计算时段起测日至始测日之间的累计天数。
3)时效分量(δθ)
大坝产生时效变形的原因极为复杂，它综合反映坝体混凝土和岩基的徐变、塑性
变形以及岩基地质构造的压缩变形等。参照类似工程经验，采用下式来表示位移变化的时
效分量，即：
δθ＝c0(θ-θ0)+c1(lnθ-lnθ0) (4)
式中：c0、c1—拟合的回归系数；
θ—监测日至测点始测日的累计天数除以100；
θ0—建模起始日至始测日的累计天数除以100。
综上所述，并考虑初始值的影响，得到大坝位移的统计模型为：
与单测点模型相比，空间监测模型建立了同一项目不同测点间的联系，空间监测
模型更具概括力，更能反映变形的时空分布。具体来说，空间位移场模型是利用空间多个测
点的测点序列，并引入测点的空间坐标变量而建立空间监测模型，即：
δ＝δ(H,T,θ,x,y,z) (6)
式中：H、T、θ为分别为水压、温度和时间环境影响量；x、y、z为分别为三维直角坐标
中，测点空间位置坐标。
根据评判预测值对实测值进行判断的方法为：
1)若模型的评判预测值与实测值y0i满足时，则实测值正常；
2)若实测值满足时，并重复测2～3次，仍在之
间，则实测值基本正常，但应进行进一步观测分析成因；
3)若实测值满足时，则实测值异常，应当预警；
其中：为监控模型的评判预测值；y0i为实测值；S为该监控模型的标准差。
标准差的计算公式为：
式(7)中：yi为监控模型的拟合值，即该单测点已知数据通过监控统计模型计算得
出的拟合值；y0i为实测值。
为减小空间模型计算量，实现对水工建筑物健康状况的快速诊断与预警，具体处
理方法为：以单测点的监控统计模型为基础，根据单测点的三维空间坐标，通过空间插值算
法近似获得空间监测预测评判模型。按照实测值是否正常、基本正常、和异常三种状态，对
应划分绿色、黄色与红色三种预警状态区间，并将评判结果在BIM模型中进行三维展示，辅
助电站管理人员管理决策。
如图2，一种基于虚拟现实的水工建筑物实测性态多维度分析系统，包括数据采集
层100、数据汇集层200、数据服务层300、模型渲染层400和应用服务层500；
数据采集层100、数据汇集层200、数据服务层300、模型渲染层400和应用服务层
500顺序相连；
数据采集层100用于获取水工建筑物的变形、渗流、应力应变、温度以及环境量的
原始数据信息；
数据采集层100中包括用于监测水工建筑物的变形监测仪器101、渗流监测仪器
102、应力应变监测仪器103、温度监测仪器104和环境量监测仪器105；
数据汇集层200，包括监测专业数据库201、地理空间数据库202和BIM模型信息数
据库203；
将数据采集层100得到的原始数据通过数据汇集接口110进入数据汇集层200中，
并依据各监测点的整编公式进行计算，并将整编计算结果存储至监测专业数据库201中；
地理空间数据库202用于存储地理信息模型中的数字高程信息和正射影像信息；
BIM模型信息数据库203是用于存储各种监测仪器的BIM模型及水工建筑 物的BIM
模型；
数据服务层300用于获取监测专业数据库201中的整编数据，采用空间插值算法计
算建筑物实测形态三维分布；
数据服务层300包括监测建筑物变形空间评判模型301、地理信息模型构建模块
302和BIM模型构建模块303；
建筑物变形空间评判模型301用于采用逐步回归方法建立监测单测点的监控统计
模型，并将单测点的监控统计模型进行空间插值，构建空间监测预测评判模型；
地理信息模型构建模块302用于从地理空间数据库202加载水工建筑物所在处的
数字高程信息和正射影像信息，然后构建成地理信息三维场景模型；
BIM模型构建模块303用于从BIM模型信息数据库203中加载该水工建筑物的BIM模
型及各监测仪器的BIM模型，形成BIM三维模型；
模型渲染层400用于将BIM模型构建模块303构建的BIM三维模型、与地理信息模型
构建模块302构建的地理信息三维场景模型进行加载，建立该水电工程虚拟现实场景，并渲
染展示；
应用服务层500，包括数据管理模块501、GIS环境管理模块502、BIM模型管理模块
503、BIM等值云图模块504、多维信息展示模块505和空间评判模型模块506；
数据管理模块501，用于对监测专业数据库201进行增加、删除、查询和修改；
GIS环境管理模块502，用于管理水电工程枢纽区和库区范围的地理信息模型；
BIM模型管理模块503，用于对BIM模型显示模式切换、割切、透明度、颜色、视角定
制、显示三维标尺和截图操作进行设置；
BIM等值云图模块504，用于调用空间监测预测评判模型计算建筑物工作形态的三
维插值结果，在BIM三维模型中以等值云图形式显示；
多维信息展示模块505，用于在该水电工程虚拟现实场景中加载显示环境量与BIM
等值云图模块504中得到的等值云图信息，通过时间进度来控制环境量与等值云图信息在
虚拟现实环境中的动态展示；
空间评判模型模块506，用于调用单测点的监控统计模型，计算该测点变形评判结
果，调用空间监测预测评判模型计算建筑物变形空间评判结果，在BIM 三维模型中以等值
云图形式展示。
GIS环境管理模块502用于获取监测专业数据库201中上下游水位、降雨量及流量
数据，然后在水电工程虚拟现实场景中库区上下游水面高程按照上下游水位实际高程展
示，降雨和流量根据数值设置粒子系统参数模拟效果展示。
BIM等值云图模块504，包括三维曲面显示单元514与BIM显示单元524；
三维曲面显示单元514，读取监测专业数据库201中监测点实测整编数据为数据
源，以监测点的三维坐标作为插值点，以监测点位置通过Delaunay三角网生成方法形成三
维曲面，作为插值计算的生成范围和边界，计算完成后获得三维曲面监测云图。
BIM显示单元524，读取监测专业数据库201中监测点实测整编数据为数据源，以监
测点的三维坐标作为插值点，以BIM模型节点坐标作为插值计算的生成范围和边界，计算完
成后获得三维BIM监测云图。
所述的模型渲染层400采用三维开源引擎VTK401来渲染。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术
人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其
等效物界定。