鐵路三維地形及仿真場景快速建立技術研究

■ 趙亮亮 盧文淵

鐵路三維地形及仿真場景快速建立技術研究

■ 趙亮亮 盧文淵

通過四叉樹空間索引原理計算地形和影像金字塔，實現三維地形的快速建立和瀏覽，同時根據既有鐵路三維線位，提出鐵路中線分段投影、三維模型自動匹配等方法，可快速搭建鐵路沿線三維仿真場景。

金字塔；三維地形；分段投影；自動匹配；仿真

當前鐵路勘察設計、施工建設、后期運營均通過二維圖紙的方式進行，不能全面參考各方因素，如地形（地物、地貌）、水文、地質、交通量、工程投資、運營費用及環境和社會等，難以滿足鐵路建設需求。三維仿真系統直觀性強，具有海量數量的管理能力，能夠以逼真方式查看鐵路沿線地形地貌和設施設備狀況，可有效解決上述問題。通過三維方式資料利用率高，參考信息全，因此建設可用于鐵路規劃、設計、施工和運營管理全生命周期的鐵路信息可視化仿真場景是發展所需、時代所趨。

1 三維地形建立

地形數據包括DEM和DOM數據，即數字高程模型和正射影像。在客戶端展示時，若將海量地形數據同時展現，客戶端無法同時承受如此大數據量的壓力。因此需要對地形數據進行特殊處理，主要采用基于四叉樹空間索引的方式建立層次格網（金字塔）［1］。高程數據和影像數據切片方式一樣，此處介紹影像數據的切片建立方法。

1.1 基本概念

四叉樹索引基本思想是將地理空間遞歸劃分為不同層次樹結構。將已知范圍空間等分成4個相等子空間，如此遞歸下去，直至樹的層次達到一定深度或滿足某種要求后停止分割。此方法在空間數據對象分布較均勻時，具有較高的空間數據插入和查詢效率。

1.2 建立影像數據金字塔

影像金字塔指在同一空間參照下，根據用戶需要，以不同分辨率進行存儲與顯示，形成分辨率由粗到細、數據量由小到大的金字塔結構。影像金字塔結構用于圖像編碼和漸進式圖像傳輸，是一種基于四叉樹空間索引的分層數據結構形式，適合于柵格數據和影像數據的多分辨率組織（見圖1）。

圖1 金字塔結構及數據切片

金字塔建立完成后，為改善客戶端瀏覽效果，需將各層金字塔進行切片，大小為256×256。

在鐵路三維地形建立過程中，經常需要將鐵路沿線高分辨率航測數據和低分辨率衛星遙感數據進行展示。因此在進行切片時需要特別注意多分辨率影像結合展示及接邊問題，處理方法如下：

（1）針對多分辨率影像建立統一切片網格。在影像切片過程中，若多分辨率影像分開切片，則可能造成在同一分辨率切片級別下格網錯位或同一級別切片數據的分辨率不同（見圖2）。

圖2 切片錯位

因此，為了保證調度時后期每層數據統一規范，需要對多分辨率數據進行統一切片，流程如下：

①切片范圍計算，一般為所有影像的最大外包范圍。

②根據最大分辨率影像進行切片級數計算最大分辨率影像切片級數Lmax。一般來說，影像分辨率越高級數切得越多，其對應關系見表1。但在一般計算過程中，其影像分辨率可能不一定正好為相應級數的分辨率，如分辨率為0.35 m，在表格中找不到相應級數，則其切片級數為大于該分辨率的最近級數，計算公式如下：

式中：δmax為最高影像的分辨率；L為切片級數；min為的最小差值。

表1 切片級別與分辨率對應關系

③按照式（1）的算法，分別計算每張影像的切片級數。

④根據Lmax和各影像相應影像切片級數Ln計算各影像區域的切片格網。當相應切片級數還沒有達到其切片范圍內最高分辨率級數時，則繼續劃分切片。

（2）切片數據計算。計算切片數據時，需要顧及高低分辨率結合展示和接邊問題。處理方法如下：當Tn（n表示金字塔層級，Tn為第n層的切片）只位于A影像內時，其像素值取A影像；當Tn位于A和B影像內時，取較大影像分辨率的像素；當Tn位于A、B影像交匯處時，相應位置像素值取較高分辨率影像像素值（見圖3、圖4）。

圖3 切片劃分計算示意圖

圖4 像素取值

1.3 鐵路沿線三維地形實時分級顯示

每層的影像和高程金字塔都有其分辨率，計算出進行放大（無論是拉框放大、還是固定比例放大）、縮小、漫游（此操作不涉及分辨率的改變）等操作后所需的影像分辨率及在當前視圖范圍內會顯示的地理坐標范圍，然后根據該分辨率和已經建好的影像金字塔分辨率匹配，搜索出最接近的影像金字塔層和地形金字塔層進行顯示，并根據操作后當前視圖應該顯示的范圍求取在該層影像和高程金字塔上對應的切片，然后取出進行繪制［2］（見圖5）。

圖5 三維地形繪制

2 鐵路中線分段投影與三維模型自動匹配

2.1 鐵路三維線位恢復

鐵路是一個空間三維的工程結構物。它的中線是一條空間曲線，其中線在水平面的投影就是平面線形。在線路方向發生改變的轉折處，為了滿足行車要求，需要用適當的曲線把前、后直線連接起來，這種曲線稱為平曲線［3］。平曲線包括圓曲線和緩和曲線。道路平面線形是由直線、圓曲線、緩和曲線三要素組成。圓曲線是具有一定曲率半徑的圓弧。緩和曲線是在直線與圓曲線之間或兩個不同半徑的圓曲線之間設置的曲率連續變化的曲線。在鐵路的縱坡變換處，為了行車平穩、改善行車視距，一般采用圓曲線將兩段直線進行連接，這種在豎直面內設置的圓曲線稱為豎曲線［4］。豎曲線又有凹形和凸形兩種形式，頂點在曲線之上的為凸形豎曲線，頂點在曲線之下的為凹形豎曲線，其計算方法如下（其中，JD、ZH、HZ、HY、YH為交點、直緩點、緩直點、緩圓點、圓緩點）：

（1）從線路數據中依次讀取線路起始里程、起點、交點、終點的E坐標和N坐標、圓曲線半徑、前緩和曲線長、后緩和曲線長，以及變坡點里程和設計高程、豎曲線半徑和長度；

（2）從起點后的第一個JD開始；

（3）計算ZH、HY、YH、HZ的里程、轉角、轉角符號（正負）、方位角；

（4）計算JD的曲線長、前切線長、后切線長、外距、切曲，若前后緩和曲線相等則用對稱緩和曲線坐標公式計算，不等則用非對稱緩和曲線公式計算；

（5）計算JD的主點HY、YH、HZ的x坐標、y坐標、z坐標，里程、切線方位角；

（6）若沒有到達終點，則從下一個交點開始跳至第（3）步。

2.2 鐵路線路坐標轉換

由于鐵路線路數據可能涉及不同坐標系，為了在三維系統中正確顯示，需要將這些不同坐標系轉換到統一坐標系下。根據數據情況，有兩種解決方式：

（1）如果原橢球和目標橢球都是WGS84橢球，則用高斯反算實現轉換［5］。

（2）如果原橢球不是WGS84橢球，目標橢球是WGS84橢球，首先將獨立坐標轉換為標準分帶，再轉換為WGS84標準分帶，然后按（1）中同樣方法進行高斯反算即可［6］。

2.3 三維模型自動匹配

鐵路沿線部分構筑物和設施設備的模型大都一樣（道砟、軌道板、信號機、扣件等），因此可針對此類型數據建立鐵路模型數據庫［7］，然后通過其設計坐標快速匹配到三維場景中進行展示。其中也存在一些不可復用的模型，此類模型可將相關專業的三維設計成果導出為統一三維仿真平臺格式，然后再融入三維場景中［8］，思路如下：

（1）根據鐵路三維線位生成可復用模型（道砟、軌道板、信號機、扣件）的數據索引，包括位置、姿態和比例尺。

（2）對于不可復用模型，根據各專業三維設計成果，將其轉換為三維仿真場景數據格式，并生成坐標索引文件［9］（見表2）。

表2 索引文件

鐵路各種設施設備是設計人員根據相應地形、地貌、地質條件等其他相關影響因素綜合考慮進行設計的，因此鐵路三維仿真場景的搭建僅根據模型庫進行建設并不符合實際。需要集合各專業三維設計成果來實現，但各設計軟件中的模型并不能直接導入仿真系統，需要相應的二次開發才能完成。

圖6 Revit模型集成到仿真系統模型示意圖

以Revit軟件為例，分析Revit模型轉換為仿真系統格式的思路（其他軟件設計成果導出可參照此方法進行）。RVT格式為Revit系列軟件的存儲格式。RVT格式并不開源，不能直接讀取RVT文件，需要通過對Revit進行二次開發。二次開發可通過C#、VB.NET、Managed C++語言進行，并要引用RevitAPI.DLL和RevitAPIUI.dll［10］。Revit所有類型對象都是從Elememt類派生而來，主要包括模型元素（Model Elements）、基準元素（Datum Elements）、查看的具體元素（View-specific Elements）三大類。將RVT數據轉換為三維仿真場景的數據格式，由幾何信息轉換、材質信息轉換兩步組成，轉換流程如下：

①幾何信息轉換。首先，在Revit中遍歷出所有Revit模型構件，通過ElementCollector針對每類進行過濾；其次，遍歷所有模型，若其Solid不為空，則通過Triangulate函數進行三角分割，可直接獲得頂點坐標和三角面片，若為空，則判斷GeometryInstance是否為空，如果不為空則將其變量SymbolGeometry作為GeometryElement重復上面循環；最后，將幾何信息提取出備用。

②材質信息讀取：通過Material類，構件相應過濾器，得到相應材質元素。

Revit模型集成到仿真系統模型示意見圖6。

（3）根據索引文件，將各類設施設備三維模型導入三維軟件平臺并自動定位。

（4）在三維軟件平臺中對模型微調，完成設計成果的集成展示（見圖7）。

3 模型與三維地形融合

模型集成到三維場景后，部分涵洞模型或隧道模型可能出現地形淹沒模型的情況，因此需要將地形與模型進行融合，完成三維仿真場景的最終建立，實現流程如下：

第一步：地形三角網建立。

在三維仿真場景中，可采集任意區域的高程點數據，根據該高程點數據可建立該區域的地形三角網模型（TIN）。TIN是一個典型矢量數據結構，主要通過節點（地表采樣點）、三角形邊和三角形面間的關系來顯式或隱式表達底細功能散點的拓撲關系。

第二步：地形三角網與模型三維網求交。

地形三角網與模型三角網求交的目的是將交線求出，并在三維GIS平臺中對地形進行開挖。主要通過布爾運算進行，布爾運算是數字符號化的邏輯推演法，包括聯合、相交、相減。在圖形處理操作中引用這種邏輯運算方法使簡單基本圖形組合產生新的形體（主要采用第三方開源庫（OpenCascad）通過求交實現）。

圖7 模型在3D GIS平臺中展示

模型與地形融合效果示意見圖8。

圖8 模型與地形融合效果示意圖

4 結束語

首先提出一種基于四叉樹空間索引原理，實現了基于多尺度、多分辨率影像和高程數據的三維地形自動生成方法，同時有效避免了切面數據錯位和分辨率不統一的問題。其次通過建立鐵路設施設備模型庫，根據鐵路三維線位和相應三維設計軟件的二次開發，生成鐵路模型三維索引文件，將設計成果快速批量集成到仿真場景。最后通過建立地形三角網和模型三角網并進行求交，完成鐵路三維仿真場景的快速搭建。將上述方法應用到成昆鐵路、海南東環高鐵、滬昆鐵路等線路的三維仿真場景建立，結果表明，采用的研究思路和技術方案先進易用、切實可行，為鐵路信息化和科學化管理開辟了新途徑，同時有助于推動鐵路的建設發展。

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趙亮亮：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，工程師，四川 成都，610031
盧文淵：四川省第二測繪地理信息工程院，助理工程師，四川 成都，610031

責任編輯 高紅義

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1672-061X（2016）03-0065-05