多層次空間語義約束的高速鐵路場景自動建模方法.pdf

1、由于中國高速鐵路網(wǎng)絡密集、總里程長、涉及領域眾多，所以構建高速鐵路三維場景，將多領域數(shù)據(jù)整合至同一時空基準下進行可視化展示與管理分析，有助于提升高速鐵路信息化建設能力和綜合化管理水平。而現(xiàn)有高速鐵路場景建模方法在建模過程方面需要較強的專業(yè)知識，增加了建模的難度，難以保證復雜場景的規(guī)范性;在建模知識與建模操作方面，缺乏統(tǒng)一的表達方法與存儲機制，不能實現(xiàn)建模知識與建模操作的有效重用，難以適應多類型鐵路場景的構建;在場景繪制方面，建模輸出與圖

2、形引擎固化集成，導致三維場景的應用受限。因此，如何針對高速鐵路領域涵蓋面廣、應用面寬、對象形態(tài)多樣的復雜性，提出一種高速鐵路場景自動建模方法，既能夠保證建模過程的規(guī)范性、建模操作的簡易性、建模知識的可重用性，又能適應多場景類型特征和不同的應用情景，便成為亟待解決的難點問題。
　　面向領域眾多、場景對象空間關系復雜的高速鐵路環(huán)境，本文提出了一種多層次空間語義約束的高速鐵路場景自動建模方法。通過建立多層次空間語義約束規(guī)則，提出規(guī)則引導

3、下的復雜場景三維建模方法，解決傳統(tǒng)建模操作復雜、繁瑣、規(guī)范性差等問題;提出知識模板構建及其重用方法，解決多類型場景建模知識不能有效重用的問題;提出場景映射與實例化方法，實現(xiàn)建模輸出與場景渲染解耦，解決三維場景的繪制引擎單一固化問題。本論文的主要研究工作如下:
　　(1)本論文構建了高速鐵路基元模型庫及其關系表達圖，實現(xiàn)了基元模型的準確定義和清晰描述，可更好地支持標準化建模操作和高效管理分析。首先，分析了各領域對象在地理環(huán)境中的空間

4、特征和關系屬性，并顧及計算機可視化表達約束，自上而下進行高速鐵路場景對象模型基元劃分，構建基元模型庫;其次，設計了基元模型的存儲方法與調度機制，實現(xiàn)了基元模型的數(shù)據(jù)庫存儲與管理;最后，進一步厘清了基元模型之間空間語義關系，構建了基元模型本體，實現(xiàn)對高速鐵路場景對象及各個對象之間關系的清晰描述。
　　(2)本文提出了多層次空間語義約束建模方法，將專業(yè)領域知識和建模操作分離，實現(xiàn)了對復雜建模過程的自動引導和約束，降低了建模的難度與復雜

5、度，保證了場景的規(guī)范性。通過剖析基元模型組合過程中的交互操作特征，對空間布局語義、組合建模語義和空間姿態(tài)語義進行抽象和表達，提取了多層次空間語義約束規(guī)則，從而描述了三維場景生成過程中基元模型之間的邏輯關系以及運動關系;進而提出了多層次空間語義約束建模方法，通過限制和引導基元組合的邏輯判斷、定位和聯(lián)接操作，生成高速鐵路概念場景。
　　(3)針對建模知識可重用性差、場景配置靈活度低、場景對象擴展性弱等問題，本文提出了知識模板構建及其重

6、用方法。首先，通過剖析建模操作特征并分析建模知識表達方式，設計了建模知識模板結構，并從語義、幾何、拓撲和參照系統(tǒng)幾方面詳細地闡述了建模知識模板的內容，提出了建模知識模板的實例化方法，實現(xiàn)了建模知識與建模操作的參數(shù)化表達與存儲;然后，對建模知識模板和場景對象進行分類與組織，采用柔性樹狀結構設計了場景配置模板，實現(xiàn)了建模知識模板的動態(tài)調用和高速鐵路場景的靈活配置;最后，從場景組織邏輯、線性參照、幾何拓撲關系、語義描述信息幾方面，對場景模板進

7、行解析，實現(xiàn)對概念場景的準確理解與清晰描述。
　　(4)提出高速鐵路場景映射與實例化方法，將建模輸出與繪制引擎分離，實現(xiàn)從多樣化場景建模需求的自動解析到高速鐵路場景的自動生成，擴展了場景的應用范圍。從概念場景、場景映射和場景生成三個層次相互關系進行剖析，建立了從概念場景到三維場景的映射關系，所有在三維場景中相關線對象類型被自動分解成一系列空間離散點，每一個點能被看作與基元模型關聯(lián)的三維符號，實現(xiàn)從概念場景到場景映射關系的建立;進而

8、將高速鐵路場景映射解析結果輸出，借助不同的三維圖形引擎進行實例化，完成場景映射到三維場景的生成。
　　(5)集成上述研究成果，研發(fā)了高速鐵路場景自動建模原型系統(tǒng)，并選擇典型案例區(qū)域，從場景建模效果與規(guī)范性、建模知識共享與重用性、多圖形引擎下場景展示等方面，開展場景建模實驗與分析。實驗結果表明:本文方法能夠實現(xiàn)高速鐵路場景的自動建模，可將專業(yè)知識與建模操作解耦，進行建模知識模板化存儲與共享，不僅可降低復雜場景的建模難度，保證場景規(guī)范