基于Blender的三维仿真融合技术在河道生态治理中的应用

基于Blender的三维仿真融合技术在河道生态治理中的应用

张文博1,2,3  赵臻真1,2,3

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003；3.河南省城市水资源环境工程技术研究中心，河南 郑州 450003）

【摘  要】

在河道生态治理工作中，工程项目如何将设计方案充分与场地现状条件相结合是一项非常重要的内容，直接影响方案建成实施后的使用效果，目前大多设计项目仅依靠二维测量地形图作为设计依据，在场地环境研究及成果展示上效果不佳，方案的合理性未得到充分验证，造成大量的工程实施问题。

本次研究通过无人机倾斜摄影拍摄场地采样照片，基于Meshroom建立现状三维可视化模型，同时利用Blender创建设计方案模型并与现状模型进行叠加优化处理，真实展示设计方案与现状场地关系，解决了设计阶段与现状脱节的问题，基于三维数据，实现了场地环境对景观设计的精确指导，既减少了现场踏勘的繁琐，又大大提高了设计工作的效率。该技术的应用不仅带来了更为直观的展示效果，也提高了设计师与业主的沟通效率，降低建设成本。

1研究内容及关键技术

研究通过DJI PILOT无人机倾斜摄影对现状场地进行照片采样，基于ContextCapture建立滩地三维可视化模型，通过手机拍照采样并运用MeshRoom实现对林下空间及场地细部的3D扫描重建。继而利用Blender创建设计方案模型并与现状模型进行融合，运用Instant Mesh进行模型轻量化处理，同时对模型转换中丢失的材质贴图重新烘焙并进行可视化渲染。最终实现了在现状三维仿真模型的基础上进行二次方案改造提升，真实展示设计方案与现状场地关系，实现了实景模型与设计方案融合创作的新模式。

2三维仿真融合技术研究

2.1 场地现状模型生成

首先通过无人机及DJI PILOT软件对现状河道进行照片采样，选择航线飞行模式，根据项目设计范围规划航线路径设置航高、航速、航向以及旁向重叠率等，设置完成后无人机将自动飞行对河道进行航线飞行及拍照，同时每张照片都将记录该场地的经度、维度及高度信息，最终形成完整的场地三维采样数据。

2.2局部物体3D扫描重建

对于河道内林下空间以及局部小型构筑物，无人机通常由于遮挡或分辨率限制等原因无法进行拍摄建模，从而造成大部分细节信息的丢失。本次研究通过设计人员现场手机拍摄照片利用MeshRoom进行3D扫描重建，并通过Context Capture进行经纬坐标对齐，首次实现了对林下空间及场地细部模型的补充完善。

2.3.模型轻量化处理

由于场地现状模型与设计模型具备大量的数据，因此如何对模型进行轻量化处理是三维仿真融合技术中非常重要的一环，本次研究基于Blender与Instant Mesh实现三维模型的轻量优化。

在Instant Mesh中导入场地现状模型文件，设置“重拓扑为”四边面格式，点击“定向场”和“位置场”中的处理，选择“对齐到边界”以保证模型边缘不会破面，最后通过“目标顶点数”控制重新拓扑后模型面的数量和精度实现复杂模型的轻量化处理。

2.4材质烘焙

模型在轻量化重新拓扑后会存在材质破碎杂乱的情况，因此需要重新对模型贴图进行重构及烘焙。在Blender中导入优化后的轻量化模型文件及原始文件并对齐，在“UV Editing”模式中对模型UV贴图进行智能展开，进入“LayOut”模式在参数化材质节点中添加“图像纹理节点”并新建材质，设置“烘焙”为“所选物体到活动物体”，即可将原始材质贴图烘焙至轻量化模型表面。

2.5 模型融合与环境营造

完成现状场地与设计方案的三维模型创建后即可进行融合处理。在Blender中导入两者的obj文件并进行坐标对齐，调整设计模型高度以适应场地地形。进入“Modeling”模式对模型细节进行调整，删除多余线面，平滑局部突起尖角点。

在模型整合的基础上结合规划设计方案进行植被绿化及场景丰富，在广场周边种植乔木树丛，道路两侧种植行道树，水池内种植水生植物，同时布置路灯、垃圾桶、指示牌等市政设施并放置人物模型，营造真实的场地环境氛围，模拟方案实施后建成效果。

2.6可视化渲染

在Blender中选择渲染器Cycles，设置采样率及输出分辨率，调整相机选择合适的角度及焦距，最终即可得到在现状场地模型基础上进行优化设计的方案效果，同时可根据规划设计需求导出动画漫游及全景VR展示。

3技术创新性

（1）创新性地提出现实模型与设计方案融合创作的新模式，既方便设计人员对场地情况有更为清晰的了解，也给方案的合理性论证提供良好支撑，同时也为业主带来更为直观的建成前后设计效果对比，减少项目沟通障碍。

（2）在传统倾斜摄影三维建模的基础上进行技术创新拓展，通过手机摄像采样辅助，解决了林下空间及建筑内部细节丢失的痛点问题，使该项技术更为成熟全面。

（3）实现了对实景模型以及设计模型的轻量化处理，在最大程度保证模型效果的基础上有效减少模型面片数量，缩小文件体积，大大提高可操作性。

（4）基于材质烘焙技术解决了轻量化处理高低质量模型转换所带来的贴图破碎及丢失问题，精确保留采样照片材质信息。

4结语

基于Blender的三维仿真融合技术创新性地采用三维手段对工程现状与设计方案进行无缝融合，通过设计方案模型并与现状模型进行叠加优化处理，以三维场地数据模型精确指导规划设计方案的论证，真实展示设计方案与现状场地关系，解决了设计阶段与现状脱节的问题，大大减少施工阶段变更及建成后使用问题。该研究项目理念创新，应用方法得当，成果精确合理，计算效率高，普适性强，能够取得较好的应用效果，具有在工程规划设计中广泛推广的价值。

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[10]王天乐. 地质景观三维重建关键技术研究[D]北京：中国地质大学（北京）.2019.05

作者简介：

张文博，1991年生，汉族，籍贯郑州，工程师，风景园林专业，黄河勘测规划设计研究院有限公司，450003

    赵臻真，1992年生，汉族，籍贯郑州，工程师，水利水电工程专业，黄河勘测规划设计研究院有限公司，450003