分享一款Unity3d软件设计开发实例

1 概述

软件制作过程中感觉有些像在做游戏，本软件为个人兴趣，还在测试制作阶段，仅用于学习交流。通过导入实际测量点云数据和抽样钻孔数据信息，采用DTM三角网三维建模技术和像素沙盒三维建模技术相结合，实现了地质体积自动建模计算，模型内部任意位置层次结构信息查看与修改，可作为地形地貌查看工具，山体地质结构分析、物体内部层次结构分析工具，道路、厂址、场地布置初步设计分析工具。

1.1运行

运行在PC及其兼容机上，使用Windows位操作系统，免安装运行，解压后直接双击“tsf_v1.exe”图标，确认图形运行参数后，就可以进入软件主界面，进行需要的软件操作。

1.2 主要功能特点

目前主要开发了两个功能：
一、导入原始测量点云数据自动进行三维模型建模。主要特点：1）可创建DTM模型，建模精度取决于测量数据点云，用于精确体积计算；2）可创建像素沙盒模型，建模精度为1m，前期实现简单的修改编辑功能，添加、删除方块，后期扩展开发可实现更加复杂操作，提供更多模拟功能；3）提供必要的材质、渲染处理，像素地质贴图可来源于现场实际图像；4）以第一人称视角进行地形浏览，可以更加沉浸于场景之中，了解地形地貌特征。5）导入勘察阶段抽样钻孔数据，生成地质层次结构，可实现对任意位置层次结构剖面查看，前期开发主要分为5种地质层次结构：耕植土层、强风化岩层、长石斑岩层、花岗岩石层、闪长斑岩层。
二、土方开挖施工层、施工段划分功能，主要特点可查看划分的指定区段总土石方量，各地质结构构成估算比例。前期主要估算耕植土、强风化岩、规格料比例。

1.3后期规划

以后该软件暂考虑两个方向发展：1）附加更多功能，如主要施工机械需求量计算及模拟，施工道路设计、自动最短路径优化，导入工程机械、车辆模型，进行施工模拟，道路交通模拟，堆场、生活区、办公区等场平布置模拟优化，4D进度计划模拟优化等；2）提高局部像素模型精度，达到cm级甚至mm级，满足建筑工程施工精度要求，拓宽至更多领域应用。

2 软件结构

主要包括六个模块：UI操作菜单模块，数据输入模块，数据处理模块，显示输出模块，环境模拟模块，浏览操作模块。
1）UI操作菜单包含：主菜单窗口、项目文件编辑窗口、项目操作窗口等。
2）数据输入模块包含：测量数据点云读入、抽样钻孔数据读入、外部（OBJ格式）模型读入等功能；
3）数据处理模块包含：DTM建模、布尔差运算、体积计算、钻孔数据插值运算、像素模型建模与编辑等功能；
4）显示输出模块包含：综合信息显示、运算进度显示、数据本地存储（像素模型本地存储尚未完善）等功能；
5）环境模拟模块包含：水域环境模拟、陆地环境模拟、天候变化模拟等功能；
6）浏览操作模块包含：第一人称视角显示与操作、重力/飞行模拟、碰撞检测等功能；

3 软件操作说明

3.1 软件主菜单

软件主界面见图1，主界面主要包括两个功能：1）点击“继续”或“项目文件”按钮进入项目文件管理界面；2）点击简介可显示本软件相关介绍，见图2。

图1 软件主界面

图2 软件简介

3.2 项目文件管理

在软件主界面，点击“项目文件”或“继续”按钮进入项目文件管理界面，见图3。在软件界面左侧文本输入框输入名称，然后点击“新建项目”按钮，可在右侧项目列表新建项目，鼠标移动到项目列表相应项目文件上可进行项目文件操作，包括打开进入项目、删除指定项目。

图3 项目文件管理界面

3.3 项目编辑

在项目文件管理界面选择相应项目文件，点击“打开”按钮，读取指定项目数据，进入该项目界面，见图4。项目界面左上角为综合信息显示窗口，显示必要的数据与操作状态。左侧为折叠菜单面板。
3.3.1 导入数据面板
本软件附示例文件以供参考，包括测量点云数据、钻孔数据、设计面文件，试验运行请选择“project01.csv”，“project02.csv”数据量较大，若电脑配置较低可能会卡顿死机。
折叠菜单面板第一级为导入数据面板，该面板主要进行场景选择与测量数据导入操作，新建项目初始化场景为水域环境见图4，选择陆地选项效果见图5。电脑配置较低建议选择陆地环境，水域环境更适合高配置电脑。

图4 项目界面

图5 陆地环境
导入地表数据，可选取两种模式：1）选择“导入点云”，是指选择原始地形测量数据文件，数据文件格式是后缀为*.csv的电子表格，电子表格数据格式见图6；2）选择“导入模型”，是指选择导入其它软件生成的三维立体图形，文件格式为OBJ文件。

图6 测量数据格式
抽样钻孔数据文件是用于创建像素模型时，生成层次结构模型。钻孔数据文件格式是后缀名为*.csv的电子表格格式，数据内容格式见图7，第1列为钻孔点点号，第2~4列为钻孔点坐标，第5列为钻孔点孔口高程取整，第6列之后为相应钻孔深度地质类型，地质类型代号见图8。

图7 钻孔数据格式

图8 地质类型代号
选择地表数据文件、地质钻孔数据文件完成后，需要进行设计开挖面设置。开挖面设置包括两种形式：1）导入模型，仅支持obj格式三维模型，对于复杂开挖面，应使用其它软件，例CAD、3dsmax、犀牛等软件进行设计开挖面建模，导出为obj格式模型文件，在建立转换模型过程中，注意设置基准点为本软件综合信息显示窗口的基准点坐标，才能导入至准确位置；2）对于设计开挖面为平面的项目，选择“输入高程（m）”选项，输入相应的设计开挖面高程。水平面高程设置用于陆地或水域平面高程设置。导入数据面板设置完成状态见图9。

图9 导入数据面板设置
3.3.2 三维浏览操作
本软件使用第一人称沉浸式地形浏览，更加具有代入感，地形浏览效果见图10、图11。按下鼠标右键，移动鼠标进行镜头旋转与俯视仰视操作；滑动鼠标滚轮进行镜头缩放；键盘“W”、“S”、“A”、“D”进行前、后、左、右操作，同时按下“左Shift”键进行加速；按“左Ctrl”键开启/关闭重力模式；在开启重力模式下按Space键进行跳跃操作，关闭重力模式下，按Space键提升飞行高度。建模水平面高程设置可更改水面/地面高程，效果见图12。

图10 重力地形浏览

图11 飞行俯视

图12 修改水平面标高效果
3.3.3 建模工具面板
“导入数据”面板设置完成后进入“建模工具”面板，单击“DTM”按钮，使用测量数据文件进行三维地形建模，建模过程见图13，建模完成后效果见图14。

图13 DTM三维地形建模

图14 DTM地形模型效果

生成像素模型。在DTM三维地形模型创建并检视确认后，按建模工具面板“像素模型”按钮，转换DTM地形模型为带地质结构的像素模型，创建过程及效果见图15、图16。

图15 像素模型建模过程

图16 像素模型效果
三维模型布尔差运算。初步完成剖切算法、剖切后三维体积计算。例：使用地形测量数据生成三维地形模型见图17中白色三维地形模型，导入设计开挖面模型见图17中棕色模型。剖切效果见图17，剖切过程见图18。布尔运算代码有待优化，运算时间较长，导入的设计面必须要大于剖切模型剖切面，且设计面法线方向须向上。
具体操作步骤为：1）在导入数据面板设计开挖面选项勾选“导入设计面（obj）”；2）单击“打开”按钮，打开文件浏览目录，类型选择“（obj）”，导入设计面模型；3）在浏览窗口确认设计面是否正确导入，鼠标选择设计面模型，在属性面板可以对设计面位置、缩放进行调整，旋转请勿调整，调整后计算过程中不会计算旋转角度；4）点击“布尔差”按钮，模型进行剖切运算。

图17 模型剖切

图18 剖切过程
三维体积计算。选择布尔差运算后的模型或者待计算的像素三维模型，然后单击“选择域体积”，就可以完成体积计算，计算结果在建模工具面板中显示，见图19、图20。

图19 DTM模型体积计算

图20 像素模型选择域体积
3.3.4 属性面板
模型浏览窗口中一些模型是允许选择的，以便进行属性查看、修改的，包括导入的设计面模型（obj），生成的像素模型。当选择单个对象时，属性面板可以查看、修改选择的对象信息，包括位置坐标信息，旋转角度信息（旋转角度相对于基点0,0,0），缩放信息。在操作过程中，一般请勿修改对象属性，修改后易引发后续操作、运算错误。
3.3.5 编辑面板
编辑面板提供像素模型编辑修改功能，包括隐藏选择对象、取消隐藏、删除选择对象、取消选择、增加像素块、删除像素块命令。像素模型修改效果见图21。

图21 像素模型编辑功能

4 应用实例

4.1 应用一

采用示例文件夹中示例文件，进行原始地貌开挖至设计面工程量计算。
步骤1：运行本程序，在项目管理界面新建一项目工程，名称“项目1”，并进入项目；
步骤2：展开“导入数据”面板，场景选择“陆地”，地表数据文件选择示例文件夹中“project01.csv”，地质钻孔数据选择示例文件夹中“zk_data.csv”，设计开挖面选择示例文件中“project01.obj”，建模水平面输入“18”m；
步骤3：展开“建模工具”面板，先点击“DTM”建模，然后单击“布尔差”，等待运算结束，选中新生成的模型，再单击“选择域体积”按钮，计算结果见图25，原始地貌开挖至设计面DTM模型体积为77.4万m3；

图25 DTM模型体积
步骤4：单击建模工具面板“像素模型”按钮，进行像素沙盒模型建模，建模结束后，框选所有像素块，再点击“选择域体积”，运算结果见图26，原始地貌开挖至设计面像素模型总体积为76.0万m3，修正系数i=DTM模型体积÷像素模型总体积=77.4/76=1.018，耕植土、强风化岩、岩石像素体积分别乘以修正系数i，得到最终结果分别为4.07万m3,12.43万m3，60.86万m3。

图26 像素模型体积
本软件也可以拓展用于两期土方计算，首先需要两期测量数据点云具有相同的边界，然后分别计算两期测量数据至水平面0m的体积，最后两期体积相减得到两期土方工程量。
在计算过程中也可以对像素模型进行编辑修改，删除超边界或不需要计算得像素块，然后计算体积。

4.2 应用二

指定施工层段土石方量计算。
以应用一中生成的像素模型为例，施工层划分为20米一层（更改施工层高划分，可在生成像素模型前，修改像素层高参数），施工段亦是20米方格划分，选择需要查询的施工段，边选择边隐藏对象，见图27，待完成查询区域选择工作，单击“全部取消隐藏”按钮，再单击“选择域体积”按键，完成指定施工层段土石方量计算，结果见图28，第一层第一区域土石方量为0.53*1.018（修正系数i）=0.54万m3，其中耕植土、强风化岩、岩石分别估算构成百分比为24.1%，31.7%，44.2%。

图27 隐藏指定层段模型

图28 指定层段体积查询

软件下载地址:https://pan.baidu.com/s/1ATQF3iMOYZrzSauEmvm5jQ
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