2011年12月铁道工程学报Dec 2012第12期（总159）JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETYN0.12(Ser.159)文章编号：1006-2106(2011)12-0004-07面向铁路行业三维场景快速构建一体化技术研究朱颖·闵世平代强玲(中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031)摘要：研究目的：三维GS技术已在数字城市等领域取得成功应用，铁路行业对其应用需求也日益强烈，相关科研工作也取得了一定的突破，但仍未实现广泛和成功的应用，其主要原因之一是：如何快速、精确构建面向铁路行业呈长距离带状分布的精细三维场景，为其提供一个开展三维应用的数据支撑平台。研究结论：(1)提出了一套面向铁路行业的三维场景快速构建一体化技术；(2)研发了一套三维GS平台和一系列软件工具：(3)通过在中老铁路三维设计工作中的成功应用，险证了技术体系的可行性，为铁路行业三维GS应用探索了一条可供选择的解决方案。关键词：三维GS;铁路行业；三维场景快速构建；分段投影：自动匹配中图分类号：P285.43文献标识码：AResearch on 3D Scene Quickly Reproduce Facing Railway IndustryZHU Ying,MIN Shi-ping,DAI Qiang-ling(China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd,Chengdu,Sichuan 610031,China)Abstract:Research purposes:With the successful application of 3D GIS technology on Digital City area,the demandfrom railway industry is increasingly strong.Related researches have made some breakthroughs,but not yet achievedwidely and successfully application.The main reason is how to quickly and precisely build a long 3D scene,to providea data support platform for 3D application.Research conclusions:(1)A practical integrated technology is put forward in this paper to quickly build a 3D railwayscene.(2)a series of three-dimensional GIS software platforms and tools appropriate are independently developed.Theintegrated technology and software platforms have been applied in China-Laos railway projects successfully.It verifiesthe feasibility of the technical system in this paper.So a solution for 3D GIS applications on the railway has beenexplored.Key words:3D GIS;Railway industry;quickly building 3D scene;sub-projection;automatic matching1概述路设计任务，在竞争日益激烈的市场中，不断提升我国铁路勘察设计技术的核心竞争力，成为当前最重要的根据我国铁路建设中长期发展规划，未来相当长任务之一。一段时间，铁路建设仍是国家投资重点，是解决我国运从手工图板到计算机二维空间辅助设计模式的转力不足、推动经济发展的最重要的手段之一。同时，随变，标志着铁路勘察设计手段的第一次革命，设计能力着我国高铁成套技术的飞速发展，海外铁路项目也呈得到大幅提高。随着科技的发展，特别是计算机软硬上升之势。如何在短时间内，保质保量完成繁重的铁件技术的飞速发展，基于三维空间的铁路勘察设计条◆收稿日期：2011-09-13第12期朱颖闵世平代强玲：面向铁路行业三维场景快速构建一体化技术研究5件日趋成熟，以GoogleEarth为代表的三维技术得到蓬定的标准，这使得铁路三维模型批量化和自动化构建，勃发展和广泛应用，取得了良好的社会和经济效益，铁以及铁路三维场景的快速构建成为可能。路勘察设计从二维平面符号化向三维虚拟空间转化的2.4精度要求高二次革命呼之欲出。在铁路勘察设计阶段，铁路三维场景不仅仅只用近年来，科研人员在数字化三维铁路设计领域进于铁路设计成果的汇报展示，更重要的是基于三维场行了诸多有益的探索和尝试，在三维虚拟显示和漫游景进行信息提取、三维分析等，为“数字化三维铁路辅等技术方面取得一定的进展，但仍未达到如AutoCAD助设计”提供设计的数据依据，这就要求三维场景必等二维设计软件的实用度和认可度。究其原因，最主须满足精度要求，确保铁路设计成果的科学性和合理要的因素之一是：无法为铁路勘察设计全过程、各专业性。提供一种实时动态的三维虚拟数据支撑平台，也就无3面向铁路行业三维场景快速构建一法完成铁路选线等各项后续三维设计工作，而对于铁路勘察设计工作，滞后三维框架已基本失去实际意义。体化技术本文以此为背景，在深入调研和分析的基础上，对与三维数字城市相比，由于区域的不固定，如何快如何快速、精确地构建面向铁路行业呈长距离带状分速构建和重现精确的铁路三维场景，是数字化三维铁布三维场景的技术体系，进行了系统的研究，并结合路设计工作的基础和决定因素，针对铁路勘察设计三“中老铁路”项目，以实例验证了技术体系的可行性和维场景建设的特殊要求，本文提出了面向铁路行业三实用性。维场景快速构建一体化技术的解决方案，以实现快速、2铁路勘察设计行业三维场景建设要求精确构建面向铁路行业三维场景的目的。本文提出的面向铁路行业三维场景快速构建一体与传统数字区域、数字城市等三维场景的构建相化解决方案包括三部分：第一部分是铁路带状三维地比，面向铁路行业三维场景的构建，在区域分布、设计形的快速构建，本文利用哈希算法改进椭球四叉树法要求的实时性、场景表达内容和精度要求各方面都有理论和LOD技术，实现海量地形数据的高效组织、管其特殊性。理和显示；第二部分是长距离带状分布的铁路线路实2.1三维场景呈带状分布体模型的快速构建，本文提出铁路中线分段投影、三维铁路线路呈长距离带状分布，同一条铁路往往分模型自动匹配的解决方案；第三部分是地形三维与实布在多个投影带，因此，在构建铁路三维场景时需考虑体三维模型的有机溶合，本文采用了逼近算法的理论跨带问题，在保证设计成果精度的前提下，要解决带状基础，实现整个铁路三维基础框架的整合与统一。铁路整体三维展示和快速构建问题。本文提出的面向铁路行业三维场景快速构建一体2.2三维场景构建时效性化解决方案，既减少系统数据承载量，降低建模工作与数字城市不同，铁路三维场景的重复使用率不量，提高工作效率，缩短铁路三维场景的构建时间，又高，特别是规划设计阶段，为配合铁路勘察设计工作快解决了椭球体上长距离带状三维模型无缝拼接和确保速推进，需要根据不同设计阶段、不同专业和不同线路精度的问题，流程图如图1所示。方案等需求，快速构建相应三维场景，以满足“三维铁3,1铁路沿线三维地形的生成与显示路辅助设计”的不同需求，失去时效性，其三维场景也从技术层面讲，构建基于标准椭球体的铁路沿线就没有太大的实际意义。地形三维场景，需要解决两个关键问题：一是如何实现2,3三维场景表达内容的特殊性海量三维地形数据的有效组织和管理；二是如何实现数字城市着重关注现状建（构）筑物，不同的区海量数据的快速流畅显示。因此本文提出了“基于哈域，虽然外形各不相同，但构建完成的城市三维地理框希格网的改进椭球四叉树法”结合“LOD细节层次模架相对稳定，在此基础上开展的城市规划等各类城市型技术”的解决方案。基于哈希格网的改进椭球四叉管理应用也相对稳定和长远。而铁路勘察设计工作所树法修订了传统椭球四叉树索引方法中切片的剖分方关注的是不断修改变化的三维场景，与数字城市的建法，采用了等边长（度为单位）的切片剖分方式，使切(构)筑物不同，铁路设施的外观、尺寸基本都遵循一片的索引可以通过简单的hash函数计算得到。6铁道工程学报2011年12月三维基础框架要求研究内容关键技术实现流程DEM、DOM快速展现铁路沿线精细海量数据长距离铁路沿线三维地三维地形压缩技术形地貌模型快速搭建统一投影哈希算法输出三入三维矢量陕路中线快速生成及分段处自主开发维离铁理出仿线铁路设计数据真快速展现侠路沿线各类高斯投影实设施三维精细模型而向快路行业的模型库和纹理库建设处理件型可模快视化建长距离三维模型自动匹配与高精度处理教韩二次开发投影系统和三推地形输入实现各类设施模型与三通近算法三维铁路实体模型与三维地形准确匹配维地形模型的有机溶合出图1面向铁路行业的三维快速构建一体化技术流程图从应用层面讲，根据铁路行业不同的应用需求，需本文提出铁路中线分段投影、三维模型自动匹配要构建两类地形三维场景：基于标准椭球体的地形三的解决思路：通过铁路中线横、纵断面二维设计成果，维场景和基于工程独立投影坐标的地形三维场景。基基于严密算法，快速生成铁路三维矢量中线，通过分类于标准椭球体的地形三维场景主要为长距离铁路成果处理（如路基、隧道等）和等间距分段处理（如5m每整体展示的应用需求而研制和服务，例如铁路规划选段)后，再提取每段中线的空间定位属性和类别属性线、成果集成展示、铁路安全运营等应用：基于工程独信息，并与提前构建的铁路分段三维模型部件进行自立投影坐标的地形三维场景主要为铁路辅助设计的便动匹配，实现呈带状分布的铁路三维模型沿铁路中线捷性考虑，分带构建与工程独立坐标系统一致的三维快速集成，其中，类别属性信息决定加载的模型类别，场景，在该三维空间上可直接获取各种设计成果，以减空间定位属性决定加载的模型的摆放位置和姿态。少中间转换环节，提高工作效率。3.2.1铁路三维中线的快速生成3,2长距离铁路带状三维实体模型的快速搭建铁路三维中线是构建和集成铁路沿线三维模型的铁路沿线建（构）筑物的快速构建和集成，主要包基础和依据，本文通过自主研发的CAD插件，直接读括三个部分：一是沿铁路中线呈带状分布的模型，例如取铁路中线设计数据库中的曲线表、坡度表、断链表、路基、隧道等；二是沿铁路中线呈点状和面状分布的模路基、隧道、桥梁等设计成果表，按照设置的整桩里程型，例如接触网杆、站场等；三是沿铁路中线两侧分布(拟合线段)，遵照严密的算法，自动计算每个整桩里的现状模型，例如房屋等。下面主要介绍呈带状分布程的三维坐标，拟合铁路三维中线，其生成流程如图2的设计成果三维模型快速构建和集成方案。所示。对于生成的三维中线，来用不同的颜色以区分