專利名稱：一種基于基元組合與多層次語(yǔ)義約束的高速鐵路場(chǎng)景快速建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地理信息系統(tǒng)、虛擬地理環(huán)境研究領(lǐng)域，特別涉及到虛擬高速鐵路場(chǎng)景建模技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前中國(guó)已經(jīng)是世界上高速鐵路里程最長(zhǎng)、規(guī)模最大的國(guó)家，我國(guó)的高速鐵路時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。高速鐵路及其環(huán)境本身是一種復(fù)雜的“人、機(jī)、環(huán)境”系統(tǒng)，各子系統(tǒng)內(nèi)部與各子系統(tǒng)之間有著十分復(fù)雜的聯(lián)系，而構(gòu)建虛擬高速鐵路場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)高速鐵路各對(duì)象數(shù)據(jù)的分析、重組與表示，支持復(fù)雜性大系統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和工程管理分析，具有重要意義。然而，由于高速鐵路呈長(zhǎng)距離帶狀分布，構(gòu)造物紛繁復(fù)雜，不同階段對(duì)三維場(chǎng)景的需求不同，導(dǎo)致了種類眾多的三維場(chǎng)景建模手段。而在現(xiàn)有鐵路領(lǐng)域的三維建模研究中，主要存在以下一些問(wèn)題1)大多側(cè)重于單一領(lǐng)域場(chǎng)景的幾何描述，各專業(yè)對(duì)象模型關(guān)系的定義不清晰，缺乏智能引導(dǎo)與控制，建模操作需要較強(qiáng)的綜合專業(yè)知識(shí)，場(chǎng)景建模達(dá)不到專業(yè)領(lǐng)域的規(guī)范要求；2)現(xiàn)有建模方法中人工參與較多，模型的可重用性差，建模自動(dòng)化程度低，不僅三維建模操作復(fù)雜，而且生產(chǎn)效率低。

發(fā)明內(nèi)容
顧及聞速鐵路環(huán)境的獨(dú)特空間特征與關(guān)系屬性，針對(duì)現(xiàn)有聞速鐵路二維場(chǎng)景建豐旲方法存在的問(wèn)題，本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一種基于基元組合與多層次語(yǔ)義約束的高速鐵路場(chǎng)景快速建模方法。其目的在于對(duì)高速鐵路環(huán)境對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，描述其幾何特征和屬性特征，注重基元的通用性和重用性，建設(shè)高速鐵路基元模型庫(kù)，并厘清地形環(huán)境、線路和模型之間的空間特征和關(guān)系屬性，設(shè)計(jì)多層次約束語(yǔ)義規(guī)則，準(zhǔn)確描述虛擬高速鐵路場(chǎng)景對(duì)象及各個(gè)對(duì)象之間關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)基元組合實(shí)現(xiàn)虛擬高速鐵路場(chǎng)景的快速建模。為高速鐵路的設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理、仿真分析等提供一個(gè)可視化管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本發(fā)明所涉及的基于基元組合與多層次語(yǔ)義約束的高速鐵路場(chǎng)景快速建模方法，技術(shù)步驟包括高速鐵路基元模型庫(kù)的建立；多層次約束語(yǔ)義規(guī)則的建立；虛擬高速鐵路場(chǎng)景的快速生成。聞速鐵路基兀|旲型庫(kù)的建立首先分析聞速鐵路線路場(chǎng)景中各對(duì)象|旲型的幾何特征和屬性信息，顧及計(jì)算機(jī)可視化表達(dá)約束，自上而下對(duì)高速鐵路線路場(chǎng)景進(jìn)行基元?jiǎng)澐?；其次?duì)高速鐵路環(huán)境對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，描述其幾何特征和屬性特征，注重基元的通用性和重用性；最后提取模型的主要特征，適當(dāng)簡(jiǎn)化后進(jìn)行建模渲染，并根據(jù)模型的專業(yè)類別和結(jié)構(gòu)特性對(duì)模型進(jìn)行分類，構(gòu)建基元模型庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和描述。多層次約束語(yǔ)義規(guī)則的建立首先根據(jù)場(chǎng)景建模需求和基元模型的幾何結(jié)構(gòu)和特性，確定場(chǎng)景建設(shè)順序和基元模型的組合順序；其次根據(jù)線路數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的空間和里程關(guān)系建立基元模型的空間語(yǔ)義規(guī)則，并使用絕對(duì)位置、相對(duì)位置和線性參照對(duì)其進(jìn)行描述；然后根據(jù)地理空間坐標(biāo)和線路的幾何特性建立基元模型的空間姿態(tài)規(guī)則，使用水平角度、豎直角度和側(cè)方位角對(duì)其進(jìn)行描述；最后建立基本語(yǔ)義用于實(shí)現(xiàn)對(duì)基元模型的行為控制。虛擬高速鐵路場(chǎng)景的快速生成首先基于線路設(shè)計(jì)資料，系統(tǒng)解析基元組合和多層次語(yǔ)義約束規(guī)則，確定線路所對(duì)應(yīng)的基元模型和組合方式；其次按照順序語(yǔ)義獲取基元模型，使用空間位置語(yǔ)義和姿態(tài)語(yǔ)義約束基元模型的組合行為，加入地形和影像數(shù)據(jù)，并采用細(xì)節(jié)層次模型優(yōu)化場(chǎng)景；最后利用三維渲染引擎進(jìn)行場(chǎng)景解析和實(shí)例化，得到虛擬高速鐵路場(chǎng)景。本發(fā)明在對(duì)高速鐵路各專業(yè)領(lǐng)域的構(gòu)造物進(jìn)行分析建模的基礎(chǔ)上，使用多層次語(yǔ)義對(duì)模型的組合關(guān)系進(jìn)行約束，通過(guò)基元模型快速組合構(gòu)建虛擬高速鐵路場(chǎng)景。該方法降低了高速鐵路場(chǎng)景建模的難度，減少了建模過(guò)程中的人工參與程度，提高了高速鐵路三維建模的自動(dòng)化水平。本發(fā)明可為高速鐵路的選線設(shè)計(jì)、施工建造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、耦合仿真等提供了有效的三維場(chǎng)景建模手段。


圖1基元模型多層次語(yǔ)義約束結(jié)構(gòu)2空間位置和姿態(tài)計(jì)算流程3虛擬高速鐵路場(chǎng)景建設(shè)總體流程圖
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。I)基元模型庫(kù)的建立首先，分析高速鐵路線路場(chǎng)景中各對(duì)象模型的幾何特征和屬性信息，顧及計(jì)算機(jī)可視化表達(dá)約束，自上而下對(duì)高速鐵路線路場(chǎng)景進(jìn)行基元?jiǎng)澐郑_定各專業(yè)建模對(duì)象和建模順序。其次，對(duì)高速鐵路環(huán)境對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，描述其幾何特征和屬性特征，對(duì)專業(yè)對(duì)象進(jìn)行基元模型劃分。其中，按照對(duì)象組成特征，可分為基本基元和組合基元?；净遣豢稍俜值膯卧?，如扣件上的螺母；組合基元由基本基元構(gòu)成，如扣件由彈條、錨固螺栓、螺母和軌下墊板等基元組成。然后，提取基元模型的主要特征，適當(dāng)簡(jiǎn)化后進(jìn)行建模渲染，并根據(jù)模型的專業(yè)類別和結(jié)構(gòu)特性對(duì)建設(shè)的基元模型進(jìn)行分類。如軌道板結(jié)構(gòu)根據(jù)劃分為CRTS I型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)、CRTS II型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)、CRTS III型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)、CRTS I型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)、CRTS II型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。最后，構(gòu)建基元模型庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和描述。2)多層次語(yǔ)義約束規(guī)則的建立根據(jù)高速鐵路專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)確定地形環(huán)境與線路、線路與模型和模型與模型之間的約束關(guān)系，包括組合順序、空間位置和空間姿態(tài)的約束關(guān)系。第I步，建立組合順序語(yǔ)義約束規(guī)則，根據(jù)場(chǎng)景建模需求和高速鐵路的構(gòu)造對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行層次劃分，并按照從上到下的次序確定各層次場(chǎng)景的建設(shè)順序；然后根據(jù)基元模型的幾何結(jié)構(gòu)和特性，按照由總到分、由繁到簡(jiǎn)的順序確定各層次基元模型的組合順序。第2步，建立空間位置語(yǔ)義約束規(guī)則，首先利用線路和基元模型的空間關(guān)系計(jì)算基元模型的空間位置，使用絕對(duì)坐標(biāo)對(duì)平面位置和高程進(jìn)行描述；接著利用基元模型的幾何結(jié)構(gòu)特性計(jì)算基元模型的空間位置，并使用相對(duì)坐標(biāo)對(duì)其進(jìn)行描述；最后利用線性參照對(duì)線路數(shù)據(jù)和基元模型的里程關(guān)系進(jìn)行描述。第3步，建立空間姿態(tài)語(yǔ)義約束規(guī)則，根據(jù)模型的地理空間坐標(biāo)和線路的幾何特性計(jì)算線路的空間姿態(tài)，表現(xiàn)為沿X、Y、Z三個(gè)軸線方向的旋轉(zhuǎn)角，并使用豎直角度、側(cè)方位角和水平角度對(duì)其進(jìn)行描述。建立姿態(tài)語(yǔ)義約束規(guī)則時(shí)，需要利用線路的坡度計(jì)算模型的豎直方位角，然后根據(jù)線路的超高計(jì)算模型的側(cè)方位角，并利用模型的地理空間坐標(biāo)和線路的曲線數(shù)據(jù)計(jì)算模型的水平方位角。各層次語(yǔ)義約束都提供一些基本語(yǔ)義，包括旋轉(zhuǎn)、平移、變換、添加、刪除、修改等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型對(duì)象行為的控制，從而建立起約束模型對(duì)象行為的多層次語(yǔ)義規(guī)則。3)空間位置和姿態(tài)計(jì)算流程在高速鐵路場(chǎng)景快速建模過(guò)程中，空間位置和姿態(tài)調(diào)整參數(shù)是關(guān)鍵，其基本計(jì)算流程如圖2所示，主要包括4個(gè)步驟。第I步，讀取線路與基元模型之間的約束關(guān)系，并根據(jù)建模里程和模型屬性計(jì)算基元模型的起點(diǎn)里程；第2步，首先使用線路曲線數(shù)據(jù)計(jì)算起點(diǎn)里程的空間平面位置，并根據(jù)線路與基元模型的位置約束關(guān)系計(jì)算模型的空間平面位置，接著使用線路坡度數(shù)據(jù)計(jì)算起點(diǎn)里程的高程，最后根據(jù)線路與基元模型的高程約束關(guān)系計(jì)算基元模型的高程；第3步，根據(jù)坡度數(shù)據(jù)計(jì)算基元模型的豎直角度，超高數(shù)據(jù)計(jì)算模型的側(cè)方位角，曲線數(shù)據(jù)計(jì)算模型的平面方位角；第4步，根據(jù)模型屬性計(jì)算模型下一里程，重復(fù)步驟2、3、4直至終止里程，并計(jì)算模型的縮放比例。4)基于基元組合與多層次語(yǔ)義約束的高速鐵路場(chǎng)景快速建模圖3顯示基于基元組合與多層次語(yǔ)義約束的高速鐵路場(chǎng)景快速建模流程。第I步，確定場(chǎng)景建模對(duì)象和范圍，首先讀取線路的設(shè)計(jì)資料，包括曲線、坡度、超高、橋梁、隧道等設(shè)計(jì)資料；然后根據(jù)建模的對(duì)象需求和范圍，獲取需要建模的對(duì)象，并計(jì)算各對(duì)象的建模范圍。第2步，建立多層次語(yǔ)義約束規(guī)則，根據(jù)場(chǎng)景的建設(shè)需求和基元模型對(duì)象之間的約束關(guān)系，包括模型對(duì)象的組合順序約束、位置關(guān)系約束和姿態(tài)調(diào)整約束，計(jì)算各基元模型對(duì)象的多層次語(yǔ)義約束規(guī)則，包括模型對(duì)象的組合順序、位置約束和姿態(tài)約束語(yǔ)義。第3步，生成虛擬高速鐵路場(chǎng)景，首先基于線路設(shè)計(jì)資料，解析基元組合和多層次語(yǔ)義約束規(guī)則，確定線路所對(duì)應(yīng)的基元模型和組合方式；然后，研發(fā)虛擬高速鐵路建模系統(tǒng)，將高速鐵路場(chǎng)景映射解析結(jié)果實(shí)例化，加入地形和影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)虛擬高速鐵路場(chǎng)景的快速構(gòu)建與展示。實(shí)施例選擇某高速鐵路的一段110公里路線，該線路場(chǎng)景涵蓋了車站、橋梁、路基、隧道等一系列典型高速鐵路場(chǎng)景特征，全路段為上下雙行線路，其具有空間三維坐標(biāo)，反映了線路的走向、起伏等空間特征，其高程為軌頂標(biāo)高。在實(shí)現(xiàn)基元模型庫(kù)構(gòu)建和組合映射的語(yǔ)義關(guān)系準(zhǔn)確描述基礎(chǔ)上，利用本小組研發(fā)的虛擬高速鐵路建模系統(tǒng)，讀取相關(guān)曲線、坡度、橋梁、隧道等設(shè)計(jì)資料，確定需要建模的對(duì)象和建模范圍，并依據(jù)路基、橋梁、隧道等不同類對(duì)整個(gè)路段進(jìn)行分區(qū)，采用不同的空間線路表示；接著根據(jù)線路和各個(gè)模型對(duì)象之間的幾何特性，對(duì)沿線各類型場(chǎng)景地物進(jìn)行點(diǎn)位信息提取、空間關(guān)系的計(jì)算和賦值，得到多層次約束語(yǔ)義；然后系統(tǒng)將解析約束語(yǔ)義，實(shí)現(xiàn)基元模型的替換加載和姿態(tài)控制，從而實(shí)現(xiàn)虛擬高速鐵路鐵路場(chǎng)景模型的映射與實(shí)例化，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)從實(shí)際線路數(shù)據(jù)到高速鐵路場(chǎng)景的快速構(gòu)建，整條線路建模在2分鐘內(nèi)完成，在滿足逼真效果的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)高速鐵路場(chǎng)景的快速、自動(dòng)化建模。最后添加地形場(chǎng)景模型，并對(duì)高速鐵路環(huán)境進(jìn)行效率優(yōu)化(I小時(shí)內(nèi)完成)后得到最終的場(chǎng)景。
權(quán)利要求
1.一種基于基元組合與多層次語(yǔ)義約束的高速鐵路場(chǎng)景快速建模方法，用于根據(jù)設(shè)計(jì)資料快速生成虛擬高速鐵路場(chǎng)景，其特征在于:建立了高速鐵路基元模型庫(kù)和多層次語(yǔ)義約束規(guī)則，并且能夠快速生成虛擬高速鐵路場(chǎng)景； 所述聞速鐵路基兀|旲型庫(kù)建立包括:厘清聞速鐵路各構(gòu)造物的領(lǐng)域范圍和相互關(guān)系，依據(jù)高速鐵路各對(duì)象規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)構(gòu)造物進(jìn)行精細(xì)化建模和逼真性渲染，并構(gòu)建對(duì)應(yīng)的多層次細(xì)節(jié)模型，使用統(tǒng)一的方式對(duì)基元模型進(jìn)行描述和管理； 所述多層次約束語(yǔ)義規(guī)則建立包括:根據(jù)地形環(huán)境與線路、線路與模型、模型與模型之間的空間特征和關(guān)系屬性，建立多個(gè)層次的語(yǔ)義約束規(guī)則，以支持場(chǎng)景組合描述； 所述虛擬高速鐵路場(chǎng)景快速生成包括:根據(jù)高速鐵路線路設(shè)計(jì)資料，基于基元模型庫(kù)和多層次語(yǔ)義約束規(guī)則，組合相關(guān)構(gòu)造物并處理對(duì)應(yīng)的地形，生成虛擬高速鐵路場(chǎng)景。
2.根據(jù)權(quán)利I要求所述的基于基元組合與多層次語(yǔ)義約束的高速鐵路場(chǎng)景快速建模方法，其特征在于:由于所述高速鐵路構(gòu)造物基元模型庫(kù)建立中涉及多個(gè)高速鐵路專業(yè)領(lǐng)域，包括線路設(shè)計(jì)、鐵道工程、列車控制、牽電等，故需根據(jù)各專業(yè)要求和各專業(yè)之間的關(guān)系提取構(gòu)造物主要特征，適當(dāng)簡(jiǎn)化后進(jìn)行建模和渲染，并根據(jù)模型的專業(yè)類別和結(jié)構(gòu)特性對(duì)模型進(jìn)行分類，構(gòu)建基元模型庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和描述；其中，按照對(duì)象組成特征，可分為基本基元和組合基元；基本基元是不可再分的單元，如扣件上的螺母；組合基元由基本基元構(gòu)成，如扣件由彈條、錨固螺栓、螺母和軌下墊板等基元組成。
3.根據(jù)權(quán)利I要求所述的基于基元組合與多層次語(yǔ)義約束的高速鐵路場(chǎng)景快速建模方法，其特征在于:所述多層次約束語(yǔ)義規(guī)則建立過(guò)程中，需要對(duì)地形環(huán)境與線路、線路與模型、模型與模型之間的關(guān)系分別進(jìn)行描述；并根據(jù)所描述的關(guān)系分別計(jì)算模型的空間位置和姿態(tài)，得到模型的組合順序、空間位置和姿態(tài)調(diào)整語(yǔ)義，用于對(duì)模型組合建模行為的控制。
4.根據(jù)權(quán)利I要求所述的基于基元組合與多層次語(yǔ)義約束的高速鐵路場(chǎng)景快速建模方法，其特征在于:所述虛擬高速鐵路場(chǎng)景快速生成，首先基于線路設(shè)計(jì)資料，解析基元組合和多層次語(yǔ)義約束規(guī)則，確定線路所對(duì)應(yīng)的基元模型和組合方式，加入地形和影像數(shù)據(jù)；其次使用三維圖形引擎將高速鐵路場(chǎng)景映射解析結(jié)果實(shí)例化，針對(duì)不同場(chǎng)景對(duì)象進(jìn)行約束填充；最后采用細(xì)節(jié)層次模型優(yōu)化場(chǎng)景，以提高場(chǎng)景繪制效率，實(shí)現(xiàn)虛擬高速鐵路場(chǎng)景的快速構(gòu)建與展示。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于基元組合和多層次語(yǔ)義約束的虛擬高速鐵路場(chǎng)景快速建模方法，利用設(shè)計(jì)資料建設(shè)符合高速鐵路規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)造物基元模型并進(jìn)行統(tǒng)一管理。然后剖析環(huán)境與線路、線路與模型、模型與模型之間的空間特征和關(guān)系屬性，構(gòu)建多層次語(yǔ)義約束規(guī)則，通過(guò)基元組合實(shí)現(xiàn)虛擬高速鐵路場(chǎng)景的快速建模。本發(fā)明具有高速鐵路線路基元模型種類齊全、模型可重復(fù)利用性高、建模自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)?？山档投囝I(lǐng)域協(xié)作建模的復(fù)雜度與難度，能為高速鐵路的選線設(shè)計(jì)、施工建造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、仿真實(shí)驗(yàn)等提供虛擬場(chǎng)景快速建模平臺(tái)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103077282SQ20131001341
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者朱軍, 王金宏, 徐柱, 曹云剛, 胡亞, 張阿麗, 尹靈芝, 秦川 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)