專利名稱：虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法
技術領域：
本發明涉及鐵路設計建模技術，特別是涉及高速鐵路路基三維參數化建模技術。
背景技術：
高速鐵路路基的穩定性、路基與相鄰橋梁和隧道的銜接質量乃至與周邊環境的協調性直接影響鐵路線路安全。目前路基設計、復核、審查主要借助平面圖、路基橫斷面圖等二維資料，信息不全，不直觀，表達效果差。利用虛擬現實技術，根據設計圖建立路基的真實三維模型，并將其放置于三維虛擬地理環境中，使設計、復核、審查者能夠在設計階段全面、系統、直觀地預演鐵路建成后的工程效果，可顯著提高路基設計質量。目前路基三維建模的方法為手工建模，過程繁瑣、效率低，模型隨機性大，且模型編輯和修改困難，難以適應高速鐵路路基設計和建設的需要。

發明內容
針對現有鐵路路基三維建模技術存在的問題，本發明推出一種虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法，其目的在于，利用體現鐵路設計中路基特征的參數構建參數化模型，快捷、準確地建立路基三維模型，并提供便捷的模型編輯與修改方法，為提升高速鐵路路基設計水平提供有力的技術支持。本發明所涉及的虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法，技術步驟包括si-路基本體三維參數化建模、S2-路基防護三維參數化建模、S3-路基本體與防護組合成為完整的路基模型、S4-導出路基模型外表面地形數據、S5-路基模型導入虛擬現實環
^Ml OSl-路基本體三維參數化建模包括路基鐵軌三維參數化建模；路基軌枕三維參數化建模；根據鐵軌與軌枕的相對位置關系，實現鐵軌與軌枕的自動停靠，并將鐵軌與軌枕組合成為單個鐵路軌道模型；根據鐵路軌道數目和鐵路軌道間距參數將單個鐵路軌道模型組合成為完整的鐵路軌道模型；路基墊層三維參數化建模；根據鐵路軌道與墊層的相對位置關系，實現鐵路軌道與墊層的自動停靠，并將鐵路軌道模型與墊層模型組合成為完整的路基本體模型。S2-路基防護三維參數化建模包括分組件構造路基本體的多級防護；設置每種防護組件在不同朝向下的定位點和插入點；設置防護組件之間的停靠關系；設置防護組件與路基本體之間的相對位置關系；根據防護組件的定位點、插入點、組件之間的停靠關系，實現多級防護之間的自動停靠；根據防護組件與路基本體之間的相對位置關系，將防護組件組合成為左側防護與右側防護。S3-路基本體與防護組合成為完整的路基模型根據左側防護、右側防護與路基本體之間的相對位置關系，將路基本體與防護組合成為完整的路基模型。S4-導出路基模型外表面地形數據包括輸出路基本體外表面范圍線的世界坐標；輸出左右兩側各級路基防護組件外表面范圍線的世界坐標；對路基本體外表面范圍線
4的世界坐標和左右兩側各級路基防護組件外表面范圍線的世界坐標進行一致性檢查與坐標合并，得到路基模型外表面范圍線的世界坐標；根據用戶指定的采樣間隔和路基模型外表面范圍線的世界坐標，通過插值運算獲得路基模型外表面的規則格網地形數據；將路基模型外表面的規則格網地形數據由世界坐標轉換為局部球體切平面直角坐標。S5-路基模型導入虛擬現實環境包括將鐵路沿線真實的三維地形數據導入三維顯示平臺，構造虛擬現實環境；將路基模型外表面地形數據導入三維顯示平臺，替換同位置的地形數據，并與周圍原地形數據進行平滑和連接；將路基三維模型的數據格式轉換為三維顯示平臺可識別的數據格式；將路基模型、對應的紋理圖片、模型的屬性信息導入三維顯示平臺進行顯示、瀏覽和查詢。本發明在對高速鐵路路基要素進行深入分析之后，對其類型和組件進行歸納總結，用參數化模型予以描述。用戶可通過導入參數文件的方式建立路基，并通過修改參數對已建立模型快速編輯，減少了路基三維建模的人工作業量，提高了路基三維建模的自動化程度，同時能夠有效避免人工建模的隨機誤差，提高模型的準確度。本發明提高了高速鐵路路基設計結果的可視化程度，為高速鐵路選線和設計提供了有效輔助。


圖1為虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法技術流程圖。圖中標記說明
51、路基本體三維參數化建模
52、路基防護三維參數化建模
53、路基本體與防護組合成為完整的路基模型
54、導出路基模型外表面地形數據
55、路基模型導入虛擬現實環境。
具體實施例方式結合附圖對本發明的技術方案作進一步說明。圖1顯示虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法的基本流程。如圖所示，本發明涉及的虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法包括如下步驟路基本體三維參數化建模Si、路基防護三維參數化建模S2、將路基本體與防護組合成為完整的路基模型S3、導出路基模型外表面地形數據S4、路基模型導入虛擬現實環境S5。
Sl-路基本體三維參數化建模包括路基鐵軌三維參數化建模；路基軌枕三維參數化建模；根據鐵軌與軌枕的相對位置關系，實現鐵軌與軌枕的自動停靠，并將鐵軌與軌枕組合成為單個鐵路軌道模型；根據鐵路軌道數目和鐵路軌道間距參數將單個鐵路軌道模型組合成為完整的鐵路軌道模型；路基墊層三維參數化建模；根據鐵路軌道與墊層的相對位置關系，實現鐵路軌道與墊層的自動停靠，并將鐵路軌道模型與墊層模型組合成為完整的路基本體模型。參數化建模步驟為構建對象的橫截面二維模型；沿線路中線，對橫截面二維模型進行放樣，得到初始的三維結構體；若存在描述對象排布狀況的參數，則根據該參數對三維結構體各內部元素進行位置移動和重新排布；若存在描述對象埋深狀況的參數，則根據該參數對三維結構體進行整體沉降，得到對象的三維結構體；對三維結構體進行紋理貼圖。構建對象的橫截面二維模型，根據提供參數類型不同分為兩種方式，即幾何參數建模與模型坐標串建模。幾何參數建模指根據描述對象幾何形狀的參數構造對象的橫截面二維模型。模型坐標串建模指根據模型坐標系下的三維坐標串構造對象的橫截面二維模型。對三維結構體進行紋理貼圖，包括兩種紋理貼圖方式，即行列貼圖方式和長度貼圖方式。行列貼圖方式指輸入貼圖的行數與列數，根據行、列數將紋理貼圖均勻平鋪于待貼圖面內。長度貼圖方式指根據模型的世界坐標計算待貼圖面實際大小，根據紋理貼圖的分辨率計算待貼圖面內應平鋪紋理貼圖的行、列數，根據行、列數將紋理貼圖均勻平鋪于待貼圖面內。路基鐵軌三維參數化建模在構建對象的橫截面二維模型過程中采用模型坐標串建模，在對三維結構體進行紋理貼圖過程中采用長度貼圖方式。路基軌枕三維參數化建模在構建對象的橫截面二維模型過程中采用幾何參數建模，用層數、長、寬描述軌枕的幾何形狀，在對三維結構體進行紋理貼圖過程中采用長度貼圖方式，表現軌枕的建筑材料和內部結構。路基墊層建模首先實現各層墊層參數化建模，然后根據各墊層的模型坐標確定其相對位置關系，將各墊層模型組合成為完整的墊層模型。各層墊層參數化建模在構建對象的橫截面二維模型過程中采用模型坐標串建模，在對三維結構體進行紋理貼圖過程中采用長度貼圖方式。 S2-路基防護三維參數化建模包括分組件構造路基本體的多級防護；設置每種防護組件在不同朝向下的定位點和插入點；設置防護組件之間的停靠關系；設置防護組件與路基本體之間的相對位置關系；根據防護組件的定位點、插入點、組件之間的停靠關系，實現多級防護之間的自動停靠；根據防護組件與路基本體之間的相對位置關系，將防護組件組合成為左側防護與右側防護。在分組件構造路基本體的多級防護過程中，將防護組件分為排水、護坡、板墻、擋土墻、樁、樁板墻和附屬部件七種模型，構建路基設計圖紙中出現的防護組件，進行參數化建模。排水參數化建模過程中，將排水分為水溝和盲溝模型，設計圖中水溝較常見的形狀為矩形和梯形，在構建對象的橫截面二維模型過程中采用幾何參數建模，采用兩個寬度參數予以描述，固定坡度為2%，在對三維結構體進行紋理貼圖過程中采用長度貼圖方式；盲溝幾何形狀一致性較高，在構建對象的橫截面二維模型過程中采用幾何參數建模，除平臺寬度外，其余幾何參數均為固定值，在對三維結構體進行紋理貼圖過程中采用長度貼圖方式。護坡參數化建模過程中，對護坡結構進行提煉和簡化，將護坡分為不帶帽石護坡和帶帽石護坡模型，不帶帽石護坡參數化建模在構建對象的橫截面二維模型過程中采用幾何參數建模，采用斜率、坡面寬度、厚度描述其幾何形狀，略去錨桿等部件；帶帽石護坡參數化建模在構建對象的橫截面二維模型過程中采用幾何參數建模，沿用不帶帽石護坡坡面參數，并增添帽石的寬度、高度參數；在對三維結構體進行紋理貼圖過程中采用長度貼圖方式表現坡面構造、挖空和噴播植草狀況，提供8種紋理貼圖，基本涵蓋高速鐵路設計中常見的多種坡面，并支持紋理貼圖擴充。在設計中，板墻與護坡的功能、構造等方面都具有較大差異，但從三維建模角度來看，板墻與不帶帽石的護坡結構類似，可通過對不帶帽石的護坡參數進行修改，建立模型。擋土墻參數化建模在構建對象的橫截面二維模型過程中采用幾何參數建模，采用寬度、高度、厚度、斜率參數描述擋土墻幾何形狀，在對三維結構體進行紋理貼圖過程中采用長度貼圖方式表現擋土墻的建筑材料(如混凝土)和結構(如泄水孔)。樁參數化建模在構建對象的橫截面二維模型過程中采用幾何參數建模，采用長、寬、高描述樁的幾何形狀，采用樁間距描述樁的排布狀況，采用樁的地下長度描述樁的埋深狀況，在對三維結構體進行紋理貼圖過程中采用長度貼圖方式表現樁的建筑材料。樁板墻參數化建模過程中，將樁板墻分為樁和樁之間的土板，建模步驟包括樁參數化建模、土板參數化建模、土板與樁自動停靠，并組合成為完整的樁板墻模型。樁參數化建模同前。土板按照類型分為預置土板和現澆土板模型。土板參數化建模在構建對象的橫截面二維模型過程中采用幾何參數建模，采用長、寬、厚度、帽石長度參數描述土板的幾何形狀，在對三維結構體進行紋理貼圖過程中，采用長度貼圖方式表現現澆土板的建筑材料和結構，采用行列貼圖方式表現預置土板的建筑材料和結構。采用土板縮進參數描述土板與樁的相對位置關系，實現土板與樁的自動停靠，并將土板與樁組合成為完整的樁板墻模型。為增加建模靈活性，創建附屬部件，該部件能連接任意兩個防護部件，且通過修改該部件的幾何和紋理參數，可構造帽石、水平臺、樁等多種部件。附屬部件參數化建模在構建對象的橫截面二維模型過程中采用幾何參數建模，采用長、寬、高描述附屬部件的幾何形狀，在對三維結構體進行紋理貼圖過程中采用長度貼圖方式表現附屬部件的建筑材料。在設置每種防護組件在不同朝向下的定位點和插入點過程中，防護組件的朝向包括左右朝向和上下朝向，左右朝向指組件朝向路基本體或背向路基本體，上下朝向專指護坡防護的坡面朝向，若防護坡底面高于防護坡頂面，則定義坡面朝向向上，否則坡面朝向向下。設置防護組件之間的停靠關系過程具體包括兩個步驟，即為每個防護組件設置組件編碼，組件編碼為正整數，且不可重復；為每個防護組件設置停靠編碼，該編碼為防護組件的停靠對象的組件編碼。設置防護組件與路基本體之間的相對位置關系，以線路中線走向為正方向，設置每個防護組件在路基本體左側或者右側。S3-路基本體與防護組合成為完整的路基模型根據左側防護、右側防護與路基本體之間的相對位置關系，將路基本體與防護組合成為完整的路基模型。S4-導出路基模型外表面地形數據包括輸出路基本體外表面范圍線的世界坐標；輸出左右兩側各級路基防護組件外表面范圍線的世界坐標；對路基本體外表面范圍線的世界坐標和左右兩側各級路基防護組件外表面范圍線的世界坐標進行一致性檢查與坐標合并，得到路基模型外表面范圍線的世界坐標；根據用戶指定的采樣間隔和路基模型外表面范圍線的世界坐標，通過插值運算獲得路基模型外表面的規則格網地形數據；將路基模型外表面的規則格網地形數據由世界坐標轉換為局部球體切平面直角坐標。S5-路基模型導入虛擬現實環境包括將鐵路沿線真實的三維地形數據導入三維顯示平臺，構造虛擬現實環境；將路基模型外表面地形數據導入三維顯示平臺，替換同位置的地形數據，并與周圍原地形數據進行平滑和連接；將路基三維模型的數據格式轉換為三維顯示平臺可識別的數據格式；將路基模型、對應的紋理圖片、模型的屬性信息導入三維顯示平臺進行顯示、瀏覽和查詢。
權利要求
1.一種虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法，其特征在于，包括以下步驟路基本體三維參數化建模(Si)、路基防護三維參數化建模(S2)、路基本體與防護組合成為完整的路基模型(S3)、導出路基模型外表面地形數據(S4)、路基模型導入虛擬現實環境(S5)；所述路基本體三維參數化建模(Si)包括路基鐵軌三維參數化建模，路基軌枕三維參數化建模，將鐵軌與軌枕組合成為單個鐵路軌道模型，將單個鐵路軌道模型組合成為完整的鐵路軌道模型，路基墊層三維參數化建模，將鐵路軌道模型與墊層模型組合成為完整的路基本體模型；所述路基防護三維參數化建模(S》包括分組件構造路基本體的多級防護，設置每種防護組件在不同朝向下的定位點和插入點，設置防護組件之間的停靠關系，設置防護組件與路基本體之間的相對位置關系，將防護組件組合成為左側防護與右側防護；所述路基本體與防護組合成為完整的路基模型(S； )包括根據左側防護、右側防護與路基本體之間的相對位置關系，將路基本體與防護組合成為完整的路基模型；所述導出路基模型外表面地形數據(S4)包括輸出路基本體外表面范圍線的世界坐標，輸出左右兩側各級路基防護組件外表面范圍線的世界坐標，對路基本體外表面范圍線的世界坐標和左右兩側各級路基防護組件外表面范圍線的世界坐標進行一致性檢查與坐標合并，得到路基模型外表面范圍線的世界坐標；根據用戶指定的采樣間隔和路基模型外表面范圍線的世界坐標，通過插值運算獲得路基模型外表面的規則格網地形數據；將路基模型外表面的規則格網地形數據由世界坐標轉換為局部球體切平面直角坐標；所述路基模型導入虛擬現實環境(SO包括將鐵路沿線真實的三維地形數據導入三維顯示平臺，構造虛擬現實環境；將路基模型外表面地形數據導入三維顯示平臺，替換同位置的地形數據，并與周圍原地形數據進行平滑和連接；將路基三維模型的數據格式轉換為三維顯示平臺可識別的數據格式；將路基模型、對應的紋理圖片、模型的屬性信息導入三維顯示平臺進行顯示、瀏覽和查詢。
2.根據權利1要求所述的虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法，其特征在于所述路基本體三維參數化建模(Si)的路基鐵軌三維參數化建模過程中，在構建對象的橫截面二維模型過程中采用模型坐標串建模；所述路基本體三維參數化建模(Si)的路基軌枕三維參數化建模過程中，首先實現各層墊層參數化建模，然后根據各墊層的模型坐標確定其相對位置關系，將各墊層模型組合成為完整的墊層模型，各層墊層參數化建模在構建對象的橫截面二維模型過程中采用模型坐標串建模。
3.根據權利1要求所述的虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法，其特征在于所述路基防護三維參數化建模(S2)，在分組件構造路基本體的多級防護過程中，將防護組件分為排水、護坡、板墻、擋土墻、樁、樁板墻和附屬部件七種模型，排水參數化建模過程中，將排水分為水溝和盲溝模型，護坡參數化建模過程中，將護坡分為不帶帽石護坡和帶帽石護坡模型，樁板墻參數化建模過程中，將樁板墻分為樁和樁之間的土板，建模步驟包括樁參數化建模、土板參數化建模、土板與樁自動停靠，并組合成為完整的樁板墻模型。
4.根據權利1要求所述的虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法，其特征在于所述路基防護三維參數化建模(S2)，在分組件構造路基本體的多級防護過程中，土板參數化建模在對三維結構體進行紋理貼圖過程中，采用長度貼圖方式表現現澆土板的建筑材料和結構，采用行列貼圖方式表現預置土板的建筑材料和結構。
5.根據權利1要求所述的虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法，其特征在于所述路基防護三維參數化建模(S2)，設置防護組件之間的停靠關系過程具體包括兩個步驟，即為每個防護組件設置組件編碼、為每個防護組件設置停靠編碼；設置防護組件與路基本體之間的相對位置關系過程中，以線路中線走向為正方向，設置每個防護組件在路基本體左側或者右側。
全文摘要
本發明公開了一種虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法，利用體現鐵路設計中路基特征的參數構建參數化模型，快捷、準確地建立路基三維模型，并提供便捷的模型編輯與修改方法，為提升高速鐵路路基設計水平提供有力的技術支持。本發明所涉及的虛擬現實環境下高速鐵路路基三維參數化建模方法的技術步驟包括S1-路基本體三維參數化建模、S2-路基防護三維參數化建模、S3-路基本體與防護組合成為完整的路基模型、S4-導出路基模型外表面地形數據、S5-路基模型導入虛擬現實環境。
文檔編號G06T19/00GK102385657SQ201110366719
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者劉小龍, 王 華, 趙文, 韓祖杰 申請人:鐵道第三勘察設計院集團有限公司