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(luò)密集、總里程長、涉及領(lǐng)域眾多，所以構(gòu)建高速鐵路三維場景，將多領(lǐng)域數(shù)據(jù)整合至同一時空基準(zhǔn)下進(jìn)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(shè)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(qiáng)的專業(yè)知識，增加了建模的難度，難以保證復(fù)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(dá)方法與存儲機(jī)制，不能實(shí)現(xiàn)建模知識與建模操作的有效重用，難以適應(yīng)多類型鐵路場景的構(gòu)建;在場景繪制方面，建模輸出與圖

2、形引擎固化集成，導(dǎo)致三維場景的應(yīng)用受限。因此，如何針對高速鐵路領(lǐng)域涵蓋面廣、應(yīng)用面寬、對象形態(tài)多樣的復(fù)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(yīng)多場景類型特征和不同的應(yīng)用情景，便成為亟待解決的難點(diǎn)問題。
　　面向領(lǐng)域眾多、場景對象空間關(guān)系復(fù)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(dǎo)

3、下的復(fù)雜場景三維建模方法，解決傳統(tǒng)建模操作復(fù)雜、繁瑣、規(guī)范性差等問題;提出知識模板構(gòu)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(shí)例化方法，實(shí)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(gòu)建了高速鐵路基元模型庫及其關(guān)系表達(dá)圖，實(shí)現(xiàn)了基元模型的準(zhǔn)確定義和清晰描述，可更好地支持標(biāo)準(zhǔn)化建模操作和高效管理分析。首先，分析了各領(lǐng)域?qū)ο笤诘乩憝h(huán)境中的空間

4、特征和關(guān)系屬性，并顧及計(jì)算機(jī)可視化表達(dá)約束，自上而下進(jìn)行高速鐵路場景對象模型基元劃分，構(gòu)建基元模型庫;其次，設(shè)計(jì)了基元模型的存儲方法與調(diào)度機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了基元模型的數(shù)據(jù)庫存儲與管理;最后，進(jìn)一步厘清了基元模型之間空間語義關(guān)系，構(gòu)建了基元模型本體，實(shí)現(xiàn)對高速鐵路場景對象及各個對象之間關(guān)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(lǐng)域知識和建模操作分離，實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜建模過程的自動引導(dǎo)和約束，降低了建模的難度與復(fù)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(jìn)行抽象和表達(dá)，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(guān)系以及運(yùn)動關(guān)系;進(jìn)而提出了多層次空間語義約束建模方法，通過限制和引導(dǎo)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(kuò)展性弱等問題，本文提出了知識模板構(gòu)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(dá)方式，設(shè)計(jì)了建模知識模板結(jié)構(gòu)，并從語義、幾何、拓?fù)浜蛥⒄障到y(tǒng)幾方面詳細(xì)地闡述了建模知識模板的內(nèi)容，提出了建模知識模板的實(shí)例化方法，實(shí)現(xiàn)了建模知識與建模操作的參數(shù)化表達(dá)與存儲;然后，對建模知識模板和場景對象進(jìn)行分類與組織，采用柔性樹狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了場景配置模板，實(shí)現(xiàn)了建模知識模板的動態(tài)調(diào)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?fù)潢P(guān)系、語義描述信息幾方面，對場景模板進(jìn)

7、行解析，實(shí)現(xiàn)對概念場景的準(zhǔn)確理解與清晰描述。
　　(4)提出高速鐵路場景映射與實(shí)例化方法，將建模輸出與繪制引擎分離，實(shí)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(kuò)展了場景的應(yīng)用范圍。從概念場景、場景映射和場景生成三個層次相互關(guān)系進(jìn)行剖析，建立了從概念場景到三維場景的映射關(guān)系，所有在三維場景中相關(guān)線對象類型被自動分解成一系列空間離散點(diǎn)，每一個點(diǎn)能被看作與基元模型關(guān)聯(lián)的三維符號，實(shí)現(xiàn)從概念場景到場景映射關(guān)系的建立;進(jìn)而

8、將高速鐵路場景映射解析結(jié)果輸出，借助不同的三維圖形引擎進(jìn)行實(shí)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(shí)驗(yàn)與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文方法能夠?qū)崿F(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(jìn)行建模知識模板化存儲與共享，不僅可降低復(fù)雜場景的建模難度，保證場景規(guī)范