基于多源數據的鐵路選線與模型快速構建方法探討

胥海燕

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

傳統的鐵路選線設計主要基于二維的1：2 000、1：10 000、1：50 000 地形圖，地形數據單一、數據量小，存儲及管理方便，但卻無法滿足鐵路選線對地形、地理、地質信息數據的需求。隨著信息技術的不斷發展，測繪地理信息相關技術也得到了快速發展，其獲取手段、數據量格式、內容都發生了變化。在這種背景下，為發揮地形、地理、地質信息數據的作用，應盡快開展地形、地理、地質信息的全面整合，加快建設多源地理信息數據生產體系，統籌各種地形、地理、地質信息的生產、管理［1］。基于此，實現多源數據融合建模，生成精細化三維模型，研究多源異構空間數據庫構建方法，對多源數據成果統一存儲、管理和應用研究，進一步開展多源數據的鐵路選線與模型快速構建方法的技術路線研究［2］，并應用于鐵路選線規劃設計是十分必要的。

1 主要技術路線

1.1 多源測繪調查數據

通過梳理鐵路選線設計的影響因素，測繪調查數據呈多樣性，主要包括：數字地形數據、地質信息數據、環評信息數據、交通信息數據、城市規劃信息數據、園林信息數據、重大建筑物拆遷信息、地質信息數據等［3］。通過對該多源數據的融合，形成鐵路選線設計的基礎數據。基于多源數據的鐵路選線與模型快速構建方法的主要技術路線如圖1所示。

圖1 主要技術路線框架圖

1.2 數據庫管理

搭建多源異構空間數據庫管理系統，負責管理海量的多源異構測繪調查數據，進行數據格式轉換、投影轉換、數據拼接、數據入庫更新、成果輸出等操作，輸出功能選擇網絡發布的三維地形，可按項目和區域檢索查詢［4］。

1.3 鐵路選線設計基礎數據

針對測繪數據中地理信息數據融合建模周期長、工程模型可視化表達不流暢等問題，本文研究了多源異構數據時空一致性自動融合建模方法，以實現航空攝影數據、遙感影像、激光點云等多源數據融合精細化三維建模［5］；對數字地形圖、三維激光點云、正射影像、傾斜模型、各類數字化調查數據、地質信息數據等成果統一存儲管理；疊加地質、環保等多專業數據，進行空間查詢、緩沖區分析等，并與三維地形融合生成鐵路選線設計所需的基礎地理場景數據。

1.4 數據應用

（1）可判識地理細節和標繪，用于室內踏勘選線等，用于設計過程，可做填挖、空間查詢分析統計等。

將高分辨率的局部實景三維模型與常規DOM 與DEM 生成的大范圍地形模型融合，結合地形圖比例尺進行模型層級抽稀簡化處理，能夠快速全面多角度反映線路周邊大范圍地理環境，方便判釋不良地質等對線路方案有重大影響的地理地質因素，結合局部高清實景三維模型，能夠達到室內全方位綜合研判的目的，比室外現場信息量更全面準確。

融合的綜合地理場景還具備可量測的特點，可勾繪滑坡體、量測線位與重要繞避地物的距離等，可通過填挖高度設置，進行土方量的計算，在選線設計應用方面可發揮較大實用價值。

（2）在三維實景地形平臺上，搭載實景三維鐵路選線設計軟件，進行空間線形設計、橫斷面空間設計、工程模型裝配、設計數據輸出等。

在多源多尺度的實景三維地形上進行鐵路選線設計，將線位的平面設計和縱斷面設計有機結合，在交互式平面線位設計的同時，自動根據線位平面位置進行地面線高程采樣，依據縱斷面地面線進行線路設計，得到鐵路空間線形，以此為基礎進行快速鐵路工程模型構建以及設計成果輸出，形成完整的實景三維鐵路選線設計應用閉環。

2 三維地形模型的快速構建方法

2.1 實景三維模型數據抽稀簡化方法

通過加權實景三維模型及算法，實現實景三維模型的層級簡化抽稀，同時考慮比例尺的過渡，與測圖比例尺接近，解決實景三維模型抽稀應用的關鍵問題，為實景模型用于一定比例地形制圖提供技術支撐，實景三維模型抽稀技術流程如圖2所示。

圖2 實景三維模型抽稀技術流程圖

2.1.1 獲取原始傾斜攝影三維模型數據，遍歷所述三維實景模型數據中的所有節點，根據節點間的層級關系形成第一層級樹。

通過構建節點訪問器，將遍歷模式設置為子節點全部遍歷，構造模型樹結構體，用于存儲層級樹，包含父節點ID 和子節點ID 幾何以及幾何對象ID 的結構體TreeNode；在節點訪問器中針對PagedLOD、LOD、ProxyNode 3 種類型讀取子節點或幾何對象信息，并將這些信息存儲于模型樹結構體T1。

2.1.2 抽取第一層級樹上的中間節點，利用中間節點的子節點替換所述中間節點，形成第二層級樹。

（1）讀取Ti 對象的子節點信息Children，里面包含n 個TreeNode 對象，每個對象記為Child，判斷每個Child 的子節點個數，如果子節點個數為1，則用該子節點對象替換Child。

（2）再次讀取Child 對象，進行邏輯判斷，如果子節點個數不為1，遍歷所有子節點，進行遞歸判斷和替換處理，無子節點的情況下，則結束遞歸遍歷，形成無單一子節點的模型樹結構體T2。

2.1.3 概略比例尺的推算

（1）研究中通過讀取模型樹結構體T2，遞歸遍歷找到最末級葉節點N；構建了Geode 節點訪問器，讀取葉節點的Drawable 個數，遍歷每個Drawable 對象，得到頂點的三維坐標幾何［X，Y，Z］；在XOY 平面將頂點三維坐標幾何投影為二維點集合［X，Y］，采用凹多邊形算法計算得到二維點集合的邊界范圍B；計算邊界范圍B 的面積，并且初步計算XOY 平面的概略頂點密度：

式中：P——XOY 平面的概略頂點密度；

S——邊界范圍B 的面積。

計算邊界范圍B 的矩形格網邊界最大值MaxPt、最小值MinPt、寬度和高度，根據概略密度初步劃分格網，計算格網寬度和高度，表達為：

式中：ew——格網寬度；

eh——格網高度；

W、H——邊界范圍B 的矩形格網邊界寬度和高度。

（2）按XOY 平面的最小值逐格網計算每個格網的頂點密度分布，表達為：

式中：Pi——每個格網的頂點密度。

（3）判斷格網是否需要細分，對每個格網進行2×2 劃分，分別計算4 個單元格的頂點密度P1～P4，計算4 個密度值的平均密度，采用式（4）、式（5）計算最大、最小密度差，。

式中：PA——4 個密度值的平均密度；

DPmax——最大密度；

DPmin——最小密度。

如果DPmax-DPmin＞PA，則繼續對密度最大的格網進行劃分，直到滿足停止條件；求所有格網及細分格網的密度均值，得到確切的頂點密度，將該密度值與比例尺密度區間進行比較，得到確切的概略比例尺，并推算上層比例樹的頂點密度。

2.1.4 模型的簡化抽稀

對于比例小于某一數字的層級，采取頂點垂直采樣的方式進行簡化處理，形成該層級節點的幾何對象，具體為：

（1）根據當前層級邊界范圍及格網細分尺度，確定每個細分格網內頂點的最大高程點Pt，得到點集合［Pt］，以及紋理坐標集合［u，v］。

（2）根據點集合和紋理坐標構建規則格網的表面模型，形成模型幾何對象，完成當前層級的抽稀簡化，逐層向上遞歸推算簡化，完成整顆多維度樹結構的模型簡化抽稀。

通過對各層級樹進行分層級簡化，得到簡化后的三維模型數據，實現各層級比例關系對三維實景模型數據的分層級輕量化處理，便于數據快速加載和網絡發布。

2.2 工程獨立坐標系下多源實景三維模型的協調融合處理方法

針對將傾斜攝影的實景三維模型和DEM、DOM生成的三維地形一起進行工程應用的難點，提供了一種適應特定工程獨立坐標系的實景三維模型和三維地形的融合方法，將分開的三維瓦片根據層級結構進行表面三角網融合重構，解決了現有三維軟件無法統一對實景三維模型和三維地形進行求交、運算的問題，為實景三維模型與傳統手段測繪數據的融合應用提供了技術支撐。

2.2.1 基于工程獨立坐標系的瓦片格網金字塔構建

（1）通過計算工程獨立坐標系的坐標范圍，取中央子午線兩側3°或6°作為經度范圍，計算最大坐標，最大坐標對應的BL 值為［6，90］，最小坐標對應的BL 值為［-6，-90］。根據工程獨立投影坐標范圍計算地形瓦片格網金字塔首級的數量和范圍，級數從1開始，對應東西方向瓦片個數為2，南北方向按規則正形格網劃分個數為：

式中：n——北（南）半球南北方向瓦片數量；

ymax——前獨立坐標系的最大緯度值；

xmax——當前獨立坐標系的最大經度；

xmin——當前獨立坐標系的最小經度。

瓦片格網南北方向最大值、最小值分別為：

（2）根據瓦片格網的首級數量和范圍，在XOY 平面構建四叉樹層級結構樹，得到指定工程獨立坐標系下的整體場景結構圖，傾斜模型三角網如圖3所示。

圖3 傾斜模型三角網圖

2.2.2 格網金字塔DEM、DOM層級瓦片的構建

（1）通過讀取DEM 和DOM 并構建影像金字塔，從初始層級開始自定向下遍歷，按瓦片的坐標區域分別讀取影像和高程數據，瓦片像素大小按256×256，存儲為內存對象，記為Img 和Ele，計算工程坐標系下的每個格網像素分辨率Dx=（xmax-xmin）／256，Dy=（ymax-ymin）／256，得到規則格網的XOY 平面頂點坐標，逐行遍歷DEM 瓦片數據Ele 內存對象，賦予頂點坐標的高程。

（2）將陣列式三維坐標構成規格三角網或四邊形網，將Img 創建為紋理對象，計算出紋理坐標。

（3）通過創建幾何對象，賦予頂點坐標、三角網片元組合索引、紋理坐標、法線。

2.2.3 傾斜模型的坐標轉換

（1）研究中通過讀取權限模型的坐標系信息，構建權限模型坐標系和當前工程獨立坐標系的仿射變換矩陣。

（2）構建遍歷器，傳入仿射變換矩陣，并應用仿射變換矩陣計算新坐標。

2.2.4 層級瓦片的格網融合重構

（1）通過讀取傾斜模型，計算在XOY 平面的矩形邊界AABB 和根節點對應的凹包記為CH，計算傾斜模型對應的初始層級數n 和瓦片序號，記為［n，i，j］。

（2）找到索引為［n，i，j］的DEM、DOM 地形瓦片，應用凹包CH 進行頂點疊置分析并去掉凹包里的頂點。

（3）對初始層級的傾斜模型頂點邊緣采用三角網生長算法，應用過濾后的頂點，進行傾斜模型的瓦片補齊，實現三角面的統一，將三維地形的紋理坐標以二重紋理方式賦予融合三角面后的傾斜模型，并設置渲染紋理狀態，實現紋理的統一。

通過采用逐層級傾斜模型和三維地形的格網級融合，能夠直接利用傾斜模型層級數據，減少構面的運算量，避免三角網的割裂以及因重構傾斜模型導致的幾何形狀及紋理精度損失和單獨求交，降低了傾斜模型的利用難度，且方法與工程應用結合緊密、易實現自動化處理，提高了融合效率和成果質量。

3 數據的融合方法

3.1 多源數據融合

通過添加矢量瓦片數據的方法，實現多源數據的融合處理，如疊加正射影像、DEM 高程、地質、環保、規劃數據等，以實現多源數據的融合。

3.2 地形三維與實景三維的無縫融合

（1）大范圍地形三維構建來自于局域網DEM服務以及本地DEM 文件，通過讀取并解析逐像素高程，結合逐像素解算的地理坐標，根據近臨點構建三角形，組合形成規則格網，以實現大范圍的地形場景構建。

（2）在研究時發現重點區域實景三維模型的地形為不規則三角網，通常存在破洞、懸浮、格網重疊等問題。

為實現實景三維地形與大范圍地形無縫融合，需要構建連續統一的地形網格。研究時采用實景地形高程重采樣的思路，將實景地形按一定比例尺（分辨率）進行不同層級的高程重采樣，得到不同精細度的DEM 數據，并且在破洞的地方設置數據為NoData 值，在部分重疊區域采樣最低點地面高程，極大程度規避懸浮和破洞問題，然后與大范圍地形DEM 數據一起參與地形格網的構建。在構建三維格網地形時，優先調取實景DEM 數據，在遇到NoData 或無該區域實景地形時，才調取大范圍DEM數據。通過逐級逐個構建，形成連續統一的地形表面，實現地形三維與重點區域實景三維的無縫融合。

4 鐵路選線應用

4.1 三維選線設計

4.1.1 三維地形準備

通過對多源地理數據（地理場景包括數字高程模型（DEM）、數字表面模型（DSM）、數字正射影像（DOM）、真正射影像（TDOM）、傾斜攝影三維模型、激光點云、外業調查資料等）的系統處理，形成統一空間時空系統的三維地形，實現在實景三維地形上進行鐵路選線設計工作。

4.1.2 線路中線繪制

根據項目需求，及線路中線需要經過的經濟據點及地方政府需求，整體研究重要越嶺埡口、河流等重要地理要素，結合中線需要經過地區的地質、交通、規劃等要素，在三維地形上繪制平面線位交點、配置曲線半徑及緩長等，并結合鐵路等級對最小半徑、最小夾直線長等設計參數進行判斷，生成一條初步設計線［6］。

4.1.3 縱斷面設計

（1）根據生成的初步設計中線，在三維地形上自動提取中樁高程，生成縱斷面地面線。

（2）根據項目設計技術標準，進行線路中線坡段的設計，生成軌面高程設計線。

（3）根據橋梁、隧道設置、路基設計原則，以數據庫形式生成橋梁、隧道表、填挖高度表。

4.2 平、縱面設計的結合

4.2.1 實景三維地形半透明化處理

通過調節三維地形透明度，實現三維地形透明程度的線性變化，使設計人員在地面以上就可以直接查看并操作地下的模型和矢量數據等；設計人員在漫游到隧道工程時也可以看到地上的物體，為設計人員提供一種更加直觀、方便的決策方式。

4.2.2 參數化建模

在縱斷面設計完成后，首先在縱斷面圖上初步完成橋梁、隧道等工程的插旗，然后在實景三維地形圖上進行參數化建模。

（1）隧道在山體中穿過，展現隧道進出口模型和洞身模型。

（2）橋梁墩臺參數化建模。

（3）路基參數化建模等。

4.2.3 線路平面、縱斷面聯動優化

在三維圖上，可以對橋梁孔跨布置、隧道進出口里程等進行修改和刷新，以完成線路平、縱斷面的聯動修改。

5 結束語

本文研究了基于多源數據的鐵路選線與模型快速構建的方法，該方法在提高計算機運行效率方面效果顯著，得到主要結論如下：

（1）通過采用考慮比例尺的逐層級傾斜模型和三維地形的融合方法，能夠直接利用傾斜模型層級數據，減少傾斜模型的層級數量且不影響數據可用性，還能避免模型重構運算量，實現三維模型數據抽稀簡化及輕量化，從而提高融合效率和成果質量。

（2）實景三維地形應用于鐵路選線設計是必然的發展趨勢，該研究方法為鐵路選線設計提供了豐富的數據源和管理基礎，能有效減少計算量，縮短數據提取刷新所需要的時間，并實現設計數據的實時更新。