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面向实体选线设计的铁路线路BIM与地理环境建模方法与应用

聂良涛  
【摘要】:铁路选线设计的本质是在对铁路线路经行区域的自然条件、资源分布等进行分析的基础上,拟定主要技术标准,布置出线路构造物三维空间位置的一个决策过程。传统的二维环境下的中心线选线设计并不能很好的诠释这个过程。如果能利用先进的空间信息技术、现代测绘技术、虚拟现实技术以及计算机仿真技术,基于航测影像信息、网络地理信息等,建立虚拟地理环境模型,选线工程师在该虚拟地理环境中,通过概略分析线路经行地区的地形地貌、既有设施、大型不良地质等地理信息,结合选线专业知识,采用实时布设线路三维构造物的方式进行实体选线,实现“所选即所见”,将会是一种理想的选线设计模式。本文正是在此思想的指导下,针对“面向实体选线设计的铁路线路BIM与地理环境建模方法与应用”开展了深入细致的研究。论文主要研究内容与研究成果如下:(1)从选线地理信息获取、识别、处理、表达显示为一体的信息建模与利用技术的研究出发,将虚拟现实技术、多源空间信息技术、计算机仿真技术、三维立体显示技术相结合,构建了一个铁路数字化选线系统虚拟地理环境建模平台。实现了选线系统与数字摄影测量系统、微机平台立体显示系统、大屏幕立体投影系统,交互式电子白板系统的集成,为选线地理信息一体化处理提供硬件平台解决方案。研究了从多源空间信息集成、信息融合建模、建模景观生成、景观的实时绘制、绘制场景的三维立体显示整套建模支撑技术,为构建基于信息利用的数字化选线系统提供技术支持。制定了开展铁路数字化选线采用的虚拟环境工作模式。在铁路数字化选线设计系统中,引入了触摸交互式技术,为开展基于交互式触摸屏幕的三维数字化选线提供研究基础。(2)提出了一种基于网络地理信息服务的选线数字地形信息获取方法。在综合分析当前开放网络地理信息资源的基础上,提出利用SRTM数据和Google Maps影像获取数字化选线系统虚拟地理环境建模所需的DEM和DOM的方法,并进行了算法实现。通过自动计算瓦片URL地址,采用libcurl库函数和多线程下载技术,实现了Google Maps影像瓦片快速下载,并基于分治法的思想,提出了一种全局非线性、局部线性的Google Maps影像变换算法,实现与SRTM数据的快速配准。从而使得网络地理信息直接服务于基于客户端/服务器工作模式的数字化选线系统,解决了在线路前期规划阶段航测资料缺乏的情况下难以开展数字化选线设计的难题。(3)针对铁路数字化选线设计系统的特点,提出了一种面向GPU的铁路长大带状三维地形环境建模方法。该方法基于金字塔模型和四叉树分割,针对呈强带状分布的海量离散点云地形数据设计了分层分块方案,并进行分层分块构TIN,解决了海量离散点云地形数据的构网问题。基于GDAL技术,实现海量影像快速处理,集成分块TIN模型和数字正射影像,实现了基于海量影像信息的真实感地形环境建模。该算法综合采用了金字塔模型、四叉树分割、多分辨率细节层次模型(LOD)、多级纹理(MipMap)技术以及Oracle数据库技术,对地形数据进行预处理,将海量DEM和DOM数据处理成分块分区多层次多细节LOD三角网数据块,建立了高效率地形分页数据库。基于Oracle OCI技术解决大规模地形数据的数据库存储和调度问题,采用四叉树组织不同细节层次的地形块,利用数据预取与多线程调度,根据视点位置动态调度数据块,实现了铁路长大带状三维地形环境建模与快速漫游。(4)提出了一种多源空间信息集成的选线系统虚拟地理环境建模方法。通过对地质不良区域对象与三维地形表面融合建模方法的研究,将不良地质对象信息以矢量边界识别、栅格图像融合和动态属性提示的方式进行建模,实现了铁路选线系统中不良地质信息的动态交互式三维影像表达,有助于辅助选线工程师开展环境选线、地质选线。针对树木、道路、水系、房屋等多种地物模型进行分类建模研究,集成边界模型、实体模型建立了铁路虚拟环境地物建模方法,分别研究了与地形弱关联的地物和与地形强关联的带状、面状地物与三维地形环境的融合建模方法,实现了真实感数字地物建模及其在铁路三维地理环境中的快速表达。研究了几种增强场景真实感的自然现象模拟方法,提高了选线系统虚拟环境场景的逼真度。最后集成数字地形,数字地质,数字地物,数字自然现象等信息,建立了一个多源空间信息集成的选线系统虚拟地理环境。(5)研究了面向实体选线设计的铁路线路构造物信息建模(RLBIM)技术。通过对构成铁路线路结构物与设备的基本结构单元进行划分形成基元,分类建模,建立了铁路标准构造物与轨道部件基元模型库。研究了铁路基元模型的数字化建模与模型处理技术,针对基元模型几何造型、渲染、模型标准化、LOD简化、模型存储及应用给出了一整套解决流程,为实现基于虚拟环境的三维实体选线设计提供基元模型服务。采用面向对象的实体-关系模型描述铁路线路BIM的实体对象、属性信息和关联关系。通过对铁路线路BIM模型结构分析、模型信息自动统计计算,基于基元模型库和铁路线路构造物面向对象的实体-关系模型,实现了铁路线路BIM模型快速建模。通过对铁路线路构造物实体模型与地形模型的动态融合建模的研究,实现了铁路构造物三维实体实时动态建模。RLBIM技术的研究为开展铁路三维实体选线设计提供了技术支持。(6)基于本文研究的内容与方法,集成铁路虚拟地理环境建模平台和铁路标准构造物及轨道部件的基元模型库,与项目组成员共同开发完善了“铁路数字化选线设计系统”,系统采用实时布设线路构造物的方式,实现了基于真实感地理环境下的三维实体选线技术。


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