面向?qū)嶓w選線設(shè)計(jì)的鐵路線路BIM與地理環(huán)境建模方法與應(yīng)用.pdf

1、鐵路選線設(shè)計(jì)的本質(zhì)是在對(duì)鐵路線路經(jīng)行區(qū)域的自然條件、資源分布等進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，擬定主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，布置出線路構(gòu)造物三維空間位置的一個(gè)決策過程。傳統(tǒng)的二維環(huán)境下的中心線選線設(shè)計(jì)并不能很好的詮釋這個(gè)過程。如果能利用先進(jìn)的空間信息技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，基于航測(cè)影像信息、網(wǎng)絡(luò)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(shè)施、大型不良地質(zhì)等地理信息，結(jié)合選線

2、專業(yè)知識(shí)，采用實(shí)時(shí)布設(shè)線路三維構(gòu)造物的方式進(jìn)行實(shí)體選線，實(shí)現(xiàn)“所選即所見”，將會(huì)是一種理想的選線設(shè)計(jì)模式。本文正是在此思想的指導(dǎo)下，針對(duì)“面向?qū)嶓w選線設(shè)計(jì)的鐵路線路BIM與地理環(huán)境建模方法與應(yīng)用”開展了深入細(xì)致的研究。論文主要研究?jī)?nèi)容與研究成果如下:
　　(1)從選線地理信息獲取、識(shí)別、處理、表達(dá)顯示為一體的信息建模與利用技術(shù)的研究出發(fā)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多源空間信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、三維立體顯示技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)鐵路數(shù)字化

3、選線系統(tǒng)虛擬地理環(huán)境建模平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了選線系統(tǒng)與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)、微機(jī)平臺(tái)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(tái)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(shí)時(shí)繪制、繪制場(chǎng)景的三維立體顯示整套建模支撐技術(shù)，為構(gòu)建基于信息利用的數(shù)字化選線系統(tǒng)提供技術(shù)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(shè)計(jì)系統(tǒng)中，引入了觸摸交互式技術(shù)，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(chǔ)。
　　(2)提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)的選線數(shù)字地形信息獲取方法。在綜合分析當(dāng)前開放網(wǎng)絡(luò)地理信息資源的基礎(chǔ)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(jìn)行了算法實(shí)現(xiàn)。通過自動(dòng)計(jì)算瓦片URL地址，采用libcurl庫函數(shù)和多線程下載技術(shù)，實(shí)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(shí)現(xiàn)與SRTM數(shù)據(jù)的快速配準(zhǔn)。從而使得網(wǎng)絡(luò)地理信息直接服務(wù)于基于客戶端朋艮務(wù)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(cè)資料缺乏的情況下難以開展數(shù)字化選線設(shè)計(jì)的難題。
　　(3)針對(duì)鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種面向GPU的鐵路長(zhǎng)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(duì)呈強(qiáng)帶狀分布的海量離散點(diǎn)云地形數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了分層分塊方案，并進(jìn)

6、行分層分塊構(gòu)TIN，解決了海量離散點(diǎn)云地形數(shù)據(jù)的構(gòu)網(wǎng)問題?；贕DAL技術(shù)，實(shí)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(shí)現(xiàn)了基于海量影像信息的真實(shí)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(xì)節(jié)層次模型(LOD)、多級(jí)紋理(MipMap)技術(shù)以及Oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)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(xì)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?；贠racle

7、 OCI技術(shù)解決大規(guī)模地形數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和調(diào)度問題，采用四叉樹組織不同細(xì)節(jié)層次的地形塊，利用數(shù)據(jù)預(yù)取與多線程調(diào)度，根據(jù)視點(diǎn)位置動(dòng)態(tài)調(diào)度數(shù)據(jù)塊，實(shí)現(xiàn)了鐵路長(zhǎng)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(duì)地質(zhì)不良區(qū)域?qū)ο笈c三維地形表面融合建模方法的研究，將不良地質(zhì)對(duì)象信息以矢量邊界識(shí)別、柵格圖像融合和動(dòng)態(tài)屬性提示的方式進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)了鐵路選線系統(tǒng)中不良地質(zhì)信息的動(dòng)態(tài)交互

8、式三維影像表達(dá)，有助于輔助選線工程師開展環(huán)境選線、地質(zhì)選線。針對(duì)樹木、道路、水系、房屋等多種地物模型進(jìn)行分類建模研究，集成邊界模型、實(shí)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(guān)聯(lián)的地物和與地形強(qiáng)關(guān)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(shí)現(xiàn)了真實(shí)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(dá)。研究了幾種增強(qiáng)場(chǎng)景真實(shí)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(chǎng)景的逼真度。最后集成數(shù)字地形，數(shù)字地質(zhì)，數(shù)字地物，數(shù)

9、字自然現(xiàn)象等信息，建立了一個(gè)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?qū)嶓w選線設(shè)計(jì)的鐵路線路構(gòu)造物信息建模(RLBIM)技術(shù)。通過對(duì)構(gòu)成鐵路線路結(jié)構(gòu)物與設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行劃分形成基元，分類建模，建立了鐵路標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)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(shù)，針對(duì)基元模型幾何造型、渲染、模型標(biāo)準(zhǔn)化、LOD簡(jiǎn)化、模型存儲(chǔ)及應(yīng)用給出了一整套解決流程，為實(shí)現(xiàn)基于虛擬環(huán)境的三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)提供

10、基元模型服務(wù)。采用面向?qū)ο蟮膶?shí)體-關(guān)系模型描述鐵路線路BIM的實(shí)體對(duì)象、屬性信息和關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過對(duì)鐵路線路BIM模型結(jié)構(gòu)分析、模型信息自動(dòng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，基于基元模型庫和鐵路線路構(gòu)造物面向?qū)ο蟮膶?shí)體-關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了鐵路線路BIM模型快速建模。通過對(duì)鐵路線路構(gòu)造物實(shí)體模型與地形模型的動(dòng)態(tài)融合建模的研究，實(shí)現(xiàn)了鐵路構(gòu)造物三維實(shí)體實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)建模。RLBIM技術(shù)的研究為開展鐵路三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。
　　(6)基于本文研究的內(nèi)容與方法