面向實體選線設計的鐵路線路BIM與地理環(huán)境建模方法與應用.pdf

1、鐵路選線設計的本質是在對鐵路線路經(jīng)行區(qū)域的自然條件、資源分布等進行分析的基礎上，擬定主要技術標準，布置出線路構造物三維空間位置的一個決策過程。傳統(tǒng)的二維環(huán)境下的中心線選線設計并不能很好的詮釋這個過程。如果能利用先進的空間信息技術、現(xiàn)代測繪技術、虛擬現(xiàn)實技術以及計算機仿真技術，基于航測影像信息、網(wǎng)絡地理信息等，建立虛擬地理環(huán)境模型，選線工程師在該虛擬地理環(huán)境中，通過概略分析線路經(jīng)行地區(qū)的地形地貌、既有設施、大型不良地質等地理信息，結合選線

2、專業(yè)知識，采用實時布設線路三維構造物的方式進行實體選線，實現(xiàn)“所選即所見”，將會是一種理想的選線設計模式。本文正是在此思想的指導下，針對“面向實體選線設計的鐵路線路BIM與地理環(huán)境建模方法與應用”開展了深入細致的研究。論文主要研究內(nèi)容與研究成果如下:
　　(1)從選線地理信息獲取、識別、處理、表達顯示為一體的信息建模與利用技術的研究出發(fā)，將虛擬現(xiàn)實技術、多源空間信息技術、計算機仿真技術、三維立體顯示技術相結合，構建了一個鐵路數(shù)字化

3、選線系統(tǒng)虛擬地理環(huán)境建模平臺。實現(xiàn)了選線系統(tǒng)與數(shù)字攝影測量系統(tǒng)、微機平臺立體顯示系統(tǒng)、大屏幕立體投影系統(tǒng)，交互式電子白板系統(tǒng)的集成，為選線地理信息一體化處理提供硬件平臺解決方案。研究了從多源空間信息集成、信息融合建模、建模景觀生成、景觀的實時繪制、繪制場景的三維立體顯示整套建模支撐技術，為構建基于信息利用的數(shù)字化選線系統(tǒng)提供技術支持。制定了開展鐵路數(shù)字化選線采用的虛擬環(huán)境工作模式。在鐵路數(shù)字化選線設計系統(tǒng)中，引入了觸摸交互式技術，為開展

4、基于交互式觸摸屏幕的三維數(shù)字化選線提供研究基礎。
　　(2)提出了一種基于網(wǎng)絡地理信息服務的選線數(shù)字地形信息獲取方法。在綜合分析當前開放網(wǎng)絡地理信息資源的基礎上，提出利用SRTM數(shù)據(jù)和Google Maps影像獲取數(shù)字化選線系統(tǒng)虛擬地理環(huán)境建模所需的DEM和DOM的方法，并進行了算法實現(xiàn)。通過自動計算瓦片URL地址，采用libcurl庫函數(shù)和多線程下載技術，實現(xiàn)了GoogleMaps影像瓦片快速下載，并基于分治法的思想，提出了一種

5、全局非線性、局部線性的Google Maps影像變換算法，實現(xiàn)與SRTM數(shù)據(jù)的快速配準。從而使得網(wǎng)絡地理信息直接服務于基于客戶端朋艮務器工作模式的數(shù)字化選線系統(tǒng)，解決了在線路前期規(guī)劃階段航測資料缺乏的情況下難以開展數(shù)字化選線設計的難題。
　　(3)針對鐵路數(shù)字化選線設計系統(tǒng)的特點，提出了一種面向GPU的鐵路長大帶狀三維地形環(huán)境建模方法。該方法基于金字塔模型和四叉樹分割，針對呈強帶狀分布的海量離散點云地形數(shù)據(jù)設計了分層分塊方案，并進

6、行分層分塊構TIN，解決了海量離散點云地形數(shù)據(jù)的構網(wǎng)問題?；贕DAL技術，實現(xiàn)海量影像快速處理，集成分塊TIN模型和數(shù)字正射影像，實現(xiàn)了基于海量影像信息的真實感地形環(huán)境建模。該算法綜合采用了金字塔模型、四叉樹分割、多分辨率細節(jié)層次模型(LOD)、多級紋理(MipMap)技術以及Oracle數(shù)據(jù)庫技術，對地形數(shù)據(jù)進行預處理，將海量DEM和DOM數(shù)據(jù)處理成分塊分區(qū)多層次多細節(jié)LOD三角網(wǎng)數(shù)據(jù)塊，建立了高效率地形分頁數(shù)據(jù)庫。基于Oracle

7、 OCI技術解決大規(guī)模地形數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲和調(diào)度問題，采用四叉樹組織不同細節(jié)層次的地形塊，利用數(shù)據(jù)預取與多線程調(diào)度，根據(jù)視點位置動態(tài)調(diào)度數(shù)據(jù)塊，實現(xiàn)了鐵路長大帶狀三維地形環(huán)境建模與快速漫游。
　　(4)提出了一種多源空間信息集成的選線系統(tǒng)虛擬地理環(huán)境建模方法。通過對地質不良區(qū)域對象與三維地形表面融合建模方法的研究，將不良地質對象信息以矢量邊界識別、柵格圖像融合和動態(tài)屬性提示的方式進行建模，實現(xiàn)了鐵路選線系統(tǒng)中不良地質信息的動態(tài)交互

8、式三維影像表達，有助于輔助選線工程師開展環(huán)境選線、地質選線。針對樹木、道路、水系、房屋等多種地物模型進行分類建模研究，集成邊界模型、實體模型建立了鐵路虛擬環(huán)境地物建模方法，分別研究了與地形弱關聯(lián)的地物和與地形強關聯(lián)的帶狀、面狀地物與三維地形環(huán)境的融合建模方法，實現(xiàn)了真實感數(shù)字地物建模及其在鐵路三維地理環(huán)境中的快速表達。研究了幾種增強場景真實感的自然現(xiàn)象模擬方法，提高了選線系統(tǒng)虛擬環(huán)境場景的逼真度。最后集成數(shù)字地形，數(shù)字地質，數(shù)字地物，數(shù)

9、字自然現(xiàn)象等信息，建立了一個多源空間信息集成的選線系統(tǒng)虛擬地理環(huán)境。
　　(5)研究了面向實體選線設計的鐵路線路構造物信息建模(RLBIM)技術。通過對構成鐵路線路結構物與設備的基本結構單元進行劃分形成基元，分類建模，建立了鐵路標準構造物與軌道部件基元模型庫。研究了鐵路基元模型的數(shù)字化建模與模型處理技術，針對基元模型幾何造型、渲染、模型標準化、LOD簡化、模型存儲及應用給出了一整套解決流程，為實現(xiàn)基于虛擬環(huán)境的三維實體選線設計提供

10、基元模型服務。采用面向對象的實體-關系模型描述鐵路線路BIM的實體對象、屬性信息和關聯(lián)關系。通過對鐵路線路BIM模型結構分析、模型信息自動統(tǒng)計計算，基于基元模型庫和鐵路線路構造物面向對象的實體-關系模型，實現(xiàn)了鐵路線路BIM模型快速建模。通過對鐵路線路構造物實體模型與地形模型的動態(tài)融合建模的研究，實現(xiàn)了鐵路構造物三維實體實時動態(tài)建模。RLBIM技術的研究為開展鐵路三維實體選線設計提供了技術支持。
　　(6)基于本文研究的內(nèi)容與方法