（道路与铁道工程专业论文）路线三维可视化设计理论与方法研究.pdf

摘要 摘要 计算机辅助设计作为2 0 世纪公认的重大技术成果之一，深刻地影响着道路设 计的理念和方法。目前，各种路线计算机辅助设计系统得到了广泛应用，但很少 具有实时三维可视化设计功能，这就限制了路线辅助设计系统的进一步完善和应 用，进而在一定程度上影响了公路建设事业的迅速发展。为此，有必要对路线三 维可视化设计进行理论和方法上的研究，促进路线三维可视化设计的发展，实现 路线三维设计。 本文首先对数字地面模型进行了系统的研究。数字地面模型作为路线三维可 视化设计系统的重要组成部分，除了具有强大的地形数据处理功能以外，还要能 够很好地支持路线三维设计。为此，论文对地形数据的采集，数据格式的转化， 地形数据的排序，“点一三角形一格网”索引机制的构建，改进的逐点插入法，使 用搜索路径的点定位，任意多边形的三角剖分等进行了详细论述，实现了优化的 三角网构网技术。 其次，论文辩路线兰维哥援纯设计进嚣7 龌究分褥。真正意义上静三缭设诗 成该是数字地面摸型和道路三维模型之间的甄操作，设计的过程就是对这两个模 淤涟纾缭妒瓣避程。谂文懿路线孛线三维坐髹秘标猴横瑟瑟来定义遘路摸囊， ；乏 约束d e l a u n a y 三角网表示道路模型，最后通过道路模型和地面模型的互操作来实 瑗嚣令接受貔交线诗箕，蚨实矮上嚣瑗7 三缎设诗戆理念。蠲时，游了瀵足竣诗 过程中实时显示的要求，提出了可行的模型管理方案，即在设计阶段，对道路模 裂和地露模型这鼹个模燮进嚣肇独处疆，傻锝设诗达裂实霹熬效果；在设诗竞残 以后，再实现两个模型的拼接，形成藏体模型，进一步用于其他方面。 最藏，论文镑对三维露形瓣表现和真实感绘制逃孳亍了分砉蓐硬究。先是附图形 举理论谶行了简单扼要的论述，然后给出了o p e n g l 中相应的函数说明。该部分 爨然对于路线设计没有嶷接的必系，憾是对予设计避程的实对显示露着举怒轻重 的作用，也是实现路线三维可视化设计的关键技术。 为了验证论文中理论积方法的正确性、可行性和实用性，结台实际项腿进行 了路线三维可视亿设计系统琢激的开发。实践证明，论文中的理论鞠方法照切实 可行的，将会改变传统的二维设计理念，将互维设计的思想邂渐带入道路设计领 域。 关键词：d e l a u n a y 三角网；数字地面模型；道路表面模型；o p e n g l 技术。 兰塞垄三奎窆鬟兰兰垒鎏苎 a b s t r a c t a so n eo ft h eg e n e r a l l ya c k n o w l e d g e da n dg r e a tt e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n ti nt h e 2 0 t hc e n t u r y , c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) i si n f l u e n c i n gt h ei d e aa n d m e t h o d so f t h ed e s i g no fr o a dd e e p l y a tp r e s e n t ，v a r i o u sk i n d so fr o u t ec o m p u t e ra i d e d d e s i g n i n g ( r c a d ) s y s t e m s a r eu s e dw i d e l y ，b u tt h e ys e l d o mh a v er e a l t i m e t h r e e d i m e n s i o nd e s i g n i n gf u n c t i o n t h i sr e s t r a i n st h er c a df r o mf u r t h e rp e r f e c t i o n a n da p p l i c a t i o n ，a n dt h e nh a si n f l u e n c e dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o nc a u s e o ft h eh i g h w a yt oac e r t a i ne x t e n t a tf i r s t ，t h et h e s i sh a sc a r r i e do ns y s t e m a t i cr e s e a r c ht ot h ed i g i t a lt e r r a i nm o d e l ( d t m ) a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h r e e - d i m e n s i o nr o u ta i d e dd e s i g n ( 3 dr c a d ) s y s t e m ，d t mh a saf u n c t i o no ft o p o g r a p h i c a ld a t ap r o c e s s i n g ，a n di tc a nw e l ls u p p o r t t h er o u t et h r e e - d i m e n s i o nd e s i g n s t h e r e f o r e ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h ef o l l o w i n g si n d e t a i l t h e ya r et h eo r i g i n a lg e o g r a p h yd a t ac o l l e c t i n g ，t h ec o n v e r s i o no ft h ed a t a f o r m a t ，t h ec o m p o s i t o ro fp o i n t s d a t a ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h e “p o i n t s - t r i a n g l e - n e t ” i n d e xm e c h a n i s m ，t h ei m p r o v e di t e r a t i o nw h i c hb eu s e dt oc r e a t ed e l a u n a yt r i a n g l e ， t h ej u d g m e n to fp o i n ti nw h i c ht r i a n g l eu s i n gas e a r c hp a t h ，t h et r i a n g u l a t i o no f a r b i t r a r i l yp o l y g o n ，a n de t c t h e s es e tu pao p t i m i z et r i a n g u l a t i o nt e c h n o l o g y s e c o n d ，t h et h e s i sh a sc a r r i e do nt h er e s e a r c ht ot h r e ed i m e n s i o nd e s i g n s r e a l t h r e e d i m e n s i o n d e s i g n sa r et h ei n t e r o d e r a t i o n o ft h ed t ma n dr o a dm o d e l d e s i g n i n gi st h em a i n t e n a n c eo ft w om o d e l s t h et h e s i sd e f i n e st h er o a dm o d e lw i t h t h ec e n t e rl i n e sc 0 0 r d i n a t i o na n dc r o s sm o d e l c r e a t e st h er o a dm o d e lu s ec o n s t r a i n e d d e l a u n a yt r i a n g l e ，u s e st h eo p e r a t i o no ft w om o d e l st og e tt h ei n t e r s e c t i n gl i n e t h i s i st h ee m b o d i m e n to fr e a lt h r e e d i m e n s i o nd e s i g n s i no r d e rt om e e tt h ed e m a n do f r e a l t i m ed i s p l a yd u r i n gt h ed e s i g n i n g ，t h et h e s i sp u tf o r w a r dav i a b l em o d e lm a n a g e s c h e m e i th a n d l e st h em o d e l sa l o n ed u r i n gt h ep e r i o do fd e s i g n i n gi no r d e rt oa c h i e v e t h er e a l t i m ep u r p o s e ，a n di n t e g r a t e st h e mw h e nf i n i s ht h ed e s i g ni no r d e rt ou s et h e w h o l e m o d e li no t h e ra s p e c t s f i n a l l y ，t h et h e s i sh a sc a r r i e do nt h er e s e a r c ht ot h ep e r f o r m a n c eo ft h et h r e e d i m e n s i o n sa n dt r u ef e e l i n g so fg r a p h i c s i tc a r r i e s0 1 1t h ec o n c i s ea n a l y s i st ot h e a b s t r a c t g r a p h i ca c a d e m i ct h e o r i e s ，a n dt h e nt ot h er e a l i z a t i o nu s e do p e n g l i th a sn o d i r e c t o r yr e l a t i o n sw i t hr o u t ed e s i g n ，b u th a sa ni m p o r t a n tr o l e i nr e a l - t i m ed i s p l a y d u r i n gt h ep e r i o do fd e s i g n i n g a ts a m et i m e ，i ti sak e yt e c h n o l o g yi nt h er e a l i z a t i o n o fr o u tt h r e e d i m e n s i o nd e s i g n s id e v e l o pa na r c h e t y p a ls y s t e mt ov e r i f yt h ea c c u r a c y ，t h e p o s s i b i l i t ya n dt h ef u n c t i o n s o ft h et h e o r i e sa n dm e t h o d sp u tf o r w a r db yt h e s i s t h ef a c tp r o v e st h a t ，t h et h e o r i e s a n dm e t h o d sa r ev i a b l e ，a n dt h e yw i l l c h a n g et h et r a d i t i o n a ld e s i g ni d e a ，t h u s i n t r o d u c et h en e wi d e a ，t h r e ed i m e n s i o nd e s i g n s ，i n t ot h ef i e l d so f d e s i g n k e y w o r d s ：d e l a u n a yt r i a n g u l a rn e t w o r k ；d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ；r o a ds u r f a c em o d e l ； o p e n g lt e c h n o l o g y i l l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声唆：所娶交的论文是本人攘导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标淀引用的内容外， 本论文不包含珏 霹其德个人或集俸已经发表或撰骂鲍成果终燕。 对本文的研究做出重要贩献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标裙。本人完全意识弼本声胡酶法律后采由本人承撵。 作者签名： 互参旱 舀期：哆年，月l 尹日 学位论文版权使用授权书 本学像论文作者完全了解学校脊关保懿、使用学位论文的规 定，同意学校保鼹并向阑家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全郗或部分蠹签壤入有关数撰痒进褥捡索，可戬采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保寮叠，在年解密后适瓣本授权书。 本学位论文属于 不傺密耐。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：互莎孚 导师签名： 嚣絮：哆年e 秀p # - 墨 日期：垮年石月，妒尽 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，我国的公路建设取得了举世瞩目的成就。建国初期，全国( 港、澳、 台地区除外) 公路通车里程仅为8 万公里，技术等级十分低下。经过几十年的努 力，到2 0 0 4 年末，全国公路通车里程达1 8 5 6 万公里，其中高速公路3 4 2 万公里。 “十五”期间，根据公路交通的发展现状以及发展需求，交通部制定了一系 列的发展战略和规划，主要包括公路水路交通发展战略、公路水路交通科技 发展战略、国家高速公路网规划、农村公路发展规划和道路运输业发展 纲要等。随后启动了区域交通发展规划，如长三角、珠三角、京津冀、东北地 区交通发展规划。这些发展战略和规划的制定，为“十一五”期间甚至更长时间 内公路交通的健康、持续发展指出了方向和目标。特别是适时推出的国家高速 公路网规划和农村公路发展规划对公路建设全行业普遍关注的两个重要方 向具有科学的引导作用，明确提出了今后高速公路和农村公路建设的任务、重点 和分地区的建设目标，并就资金筹措和管理体制等政策措施给出了初步设想，为 公路建设保持持续快速发展的势头提供了有力支持。 在大规模地进行公路建设中，道路勘测设计是这一庞大系统工程的灵魂。公 路建设质量的好坏、投资的多少、效益的高低往往取决于设计方案的优劣，取决 于勘测设计工作的质量。交通部在公路交通科技发展“九五”计划和到2 0 1 0 年长期规划中曾提出：“为进一步提高规划、设计的效率、质量与科学性，迫切 需要利用计算机技术、电子信息技术和光电技术等高新技术改造规划、设计的传 统技术构成，实现公路勘测设计自动化”，并将新一代数字地面模型与c a d 系统 的开发与应用作为研究的重点之一。 经过3 0 多年的发展，道路c a d 技术在我国得到了大范围的普及和应用。但 是，随着公路建设的迅速发展，人们对公路建设的要求越来越高：强调道路的“安 全、和谐、环保、舒适”，强调公路建设的可持续发展。道路勘测设计的要求也因 此提高：越来越重视线形协调、道路景观、线形安全性等问题。而现有的基于二 维平面设计的道路c a d 系统并不能很好地满足这些要求。 因此，在原有数字地面模型和道路c a d 系统的基础上，研发新一代的基于 数模的路线c a d 系统是完全必要的，这是进一步提高我国道路设计中计算机应 用水平，提高道路勘测设计能力，提高设计质量的切实可行的重要途径。 华南理工大学硕士学位论文 1 。2 研究目静和意义 目前，国内的道路c a d 系统多是基于传统的道路设计方法，即用平、纵、 横三个二维设计来表达道路的三维空间位置，这种方法对路线设计这一复杂问题 的解决起到了合理简化的作用，使设计者能够在短时间内抓住问题的主要矛盾。 但是设计者并不能够在设计过程中得到道路的三维模型，进而用于判断线形的合 理性和道路与周围景观的协调性。因此，探讨建立路线三维可视化设计系统的总 体架构和核心技术，并在此基础上开发路线三维可视化设计系统原型有着重要的 意义： ( 1 ) 进一步提高了勘测设计的一体化。 使用传统设计方法的道路c a d 系统和数字地面模型系统之间缺乏紧密结合， 数字地面模型系统只是用于道路建模的后期应用，没有很好地支持道路设计。而 路线三维可视化设计系统，则以数字地面模型为基础，整合了数字地面模型系统 和传统的道路c a d 系统，并实现了道路三维设计，提高了勘测设计的一体化。 ( 2 ) 设计过程更加形象直观。 医学、心理学研究表明，人类日常生活中接受的信息8 0 来自视觉，而图形 图像是人类最容易接受的视觉信息。可视化技术充分利用了人类的视觉潜能，把 远远超出人脑分析解释能力的大量数据，用图形、图像来表示，这样可以迅速给 人一个概貌，反映事物错综复杂的关系。因此，作为解释庞大数据有效手段的可 视化技术应用于路线设计，融合了计算机的快速计算功能与三维图形功能，这必 将从根本上改变重复无味的设计工作方式，使设计工作变得趣味盎然。 ( 3 ) 更好地发挥人的智力和计算机的运算能力。 人在三维空间中具有很强的形象思维能力，而计算机虽具有极强的数据处理 能力，但理解和推理能力差。如果用计算机将设计或生成的数据转换成三维可视 化的直接对象，那么就可借助人的智能来快速准确地理解这些数据，以便有效地 决策和设计。这样就得到了人和计算机的最佳结合点。 ( 4 ) 路线设计者与决策者、其他工作者交流的纽带。 路线三维可视化设计系统还有助于专业鸿沟的跨越。选线设计是一项涉及面 很广、政策性很强的综合性工作，是认识自然和改造自然的创造性劳动。选线设 计工作要贯彻群众路线，搞好各专业的配合协作。道路三维可视化的研究与应用 将为决策者提供更加直观的决策依据，为各个专业的配合协作提供了更加方便直 观的工具；同时方案评审者也可以参与到实际线路的设计过程中，凭借直观的三 维图形显示提出自己的见解。 2 第一章绪论 1 3 阑内外道路c a d 发展状况 1 3 1 国外发展概况 国外c a d 技术应用于道路设计，其历史可追溯到上一世纪6 0 年代，并可作 如下归纳m ，l ： 2 0 世纪6 0 年代初期，电子计算机运用到公路设计中，主要针对大量重复的 计算工作，如平面和纵面几何线形的计算、横断面和土石方的计算以及输出数据 表等。由于计算时间的节省，创造了可以进行多个方案比选的条件。世界上许多 国家开发了路线纵断面优化程序，比较成功的是英国的h o p s 程序系统和法国的 e p o s 程序系统。 2 0 世纪7 0 年代，计算机绘图功能的实现以及办公系统的开发，使得设计图 纸的绘制和设计文件的编制可以由计算机来完成。大容量、高速度计算机的出现， 使得数字地面模型系统开始进入实用阶段，进而使得公路设计优化技术拓宽到平 面和空间( 三维) 选线。例如，在平面选线优化方面，有英国的n o a n 程序、美 国的g c a r s 程序和德国的e p o s 1 程序，美国麻省理工大学把道路路线按三维 空间优化开发了o p t l o g 程序。由于平面线形或空间线形的优化涉及到更多复杂 因素，需要大量的计算数据，给研究工作带来较大困难，同时也削弱了程序的实 用性。 到了2 0 世纪8 0 年代，道路c a d 系统逐渐走向系统化、集成化和商品化。 很多国家建立了由航测设备、计算机( 包括绘图机、数字化仪等外部设备) 和专 用软件包形成的集成系统，并作为商品软件推向市场。这些系统往往包含从数据 采集、建立数字地形模型、优化设计以及进行公路设计的全套计算，到绘图和表 格绘制的全部过程。例如，美国路易斯，百杰公司的c a n d i d 系统、德国西门子 公司的s i c a d 土地信息和图形处理系统( 配备有道路c a d 专用软件) 和芬兰的 r o a d c a d 程序系统等。 2 0 世纪9 0 年代以来，c a d 技术已经发展成集数据采集与处理、设计、分析、 优化于一体的集成化、系统化技术。其软件的适应性大大增强，并开始应用人工 智能解决设计中的一些问题。比较典型的道路c a d 系统有：突出道路几何设计 与排水设计的c a r d 1 系统；以数据采集、处理和图像输出为一体的芬兰 r o a d c a d 道路系统；具有先进图象处理、交互设计技术，体现了计算机硬件与 公路设计软件的完美结合的美国i n t e r g r a p h 公司的i n r o a d s 系统；适用于各种 复杂的土木工程设计的英国的m x 系统。 国外这些软件的共同特点是：建立在功能强大的三维数字地面模型及结构物 3 华南瑾王大学颈童= 学位论文 模型蒸礁之上；都注莛可视化技术、用户交互技术，并寻求一定的智能化功能以 及系统集成和设计一体化。但由于这些软件价格昂贵，并慝不适应中国的设计规 范和设计习惯，因此这些软件劳不能直接用于我爨的道路设计，还要经过大量的 二次开发工作才可以使用，并且二次开发也仪仅限于系统的外围，难以涉及内接。 因此我国的公路c a d 系统怒以自主开发为主，引进为辅。 1 3 2 国内发展概况 我国公路c a d 的研究始于上一世纪7 0 年代后期，虽然起步较晚，但发展迅 速i i l ”。 自1 9 7 9 年起，同济大学、西安公路交通大学、重庆交通学院与重庆公路研究 所、交通部第二公路勘测设计院等单位先后对道路的纵断面优化设计技术、平面 及空间线形优化技术等进行了研究，并编写了相应的程序。这些程序的优化结果 是令人满意的，但是优化设计中主要影响因素间的数学模型不能客观真实的得到， 使得其在实际应用中有一定的局限性。 2 0 世纪8 0 年代，随着我国道路建设的高速发展，对公路c a d 技术的需要不 断增大，国内各高等院校和生产单位相继自主开发或引进了一些c a d 系统，其 中有些投入到实际的工程设计中，取得了良好的经济效益。例如，同济大学早期 研制的微机道路初步设计程序和西安公路学院开发的公路微机辅助设计系统都在 一定的范围内推广应用。1 9 8 4 年底，交通部公路规划设计院以中美合营的方式成 立“华杰工程咨询公司”，引进了美国伯杰公司的c a n d i d 的软件，配备了a p o l l o 超级微机，从事道路c a d 软件的二次开发工作，取得了良好的效果。但是此时 国内的研究成果仍以数值分析和计算为主。 从2 0 世纪8 0 年代末期以来，随着计算机图形学和a u t o c a d 等图形支撑软 件的发展，公路c a d 技术也从单纯的数值计算分析发展为图形交互式自动设计， 开发出了集地形资料处理、工程费用计算、图形交互设计、纵断面自动设计以及 绘制线路平、纵、横断面图为一体的一套完整的计算机辅助设计系统。在此时期， 随着现代勘测设计技术的迅速发展和测量仪器的现代化，地形信息数字化的困难 也基本得以解决。如1 9 8 9 年由交通部组织实施的国家“七五”重点科技攻关项目 “高等级公路路线综合优化和计算机辅助设计系统”( h i c a d ) ；在h i c a d 的 基础上由长沙交通学院与河北省交通设计院、河北省第三测绘院三方合作，对 航测数模技术在道路路线施工图设计中的应用进行深入研究，并提出的基于航测 数模技术的公路测设一体化系统；1 9 9 6 年交通部公路规划设计院推出的“道路集 成c a d 系统”及交通部第二公路勘察设计院推出的“微机互通式立交i n c a d 系统”；交通部组织实施的国家“九五”重点科技攻关项目“g p s 、航测遥感、公 4 第一章德论 路c a d 集成技术”；交通部“九五”重点科技攻关项目“山区高等级公路数模及 仿真系统的研究”。这些项目熬于国内已有的公路c a d 系统的水平相当时较高起 点粒骥 孛、软箨平台，蓑重臻究遣黟数摄袋集( 絮g p s 、航测及数字溅图、遥戆、 造丽遥测等) 、工程数据库、系统的集成他、可视化、智能化、三缎设计、动态仿 真、商交互性等先进技术在邋路设计领域内的应用，将我国的公路c a d 基础理 论及实际应用推上了一个新台阶。 除此，在国内公路方面有代表性的程序还有：2 0 世纪8 0 年代中期南京工学 院早期开发的“公路初步设计程序系统( g l c b s j ) ”和“公路技术设计程序系统 ( g l j s s j ) ”；西安公路学院开发的“公路路线微机辅助设计程序系统”；交通部 公路二院推出的“微机路线辅助设计系统”：同济大学在1 9 9 0 年推出的“微机道 路设计系统( t j r d ) ”；东南大学和交通部公路二院各自推出的立体交叉设计软件； 中交公路规划设计院于1 9 9 6 年推出的“微机道路设计集成系统( r i c a d ) ”；东 南大学道路与交通c a d 工程研究中心推出的基于w i n d o w s 环境下的“动态交互 道路c a d 系统( r o a d ) ”；西安海德公司推出的具有自主图形平台的“公路工程 辅助设计系统( h e a d ) ”。在此期间，一些软件公司也应运而生，如李方广华软 件公司、成都鹏业软件公司、西安方舟公司、西安日月公司、武汉恒通公司、珠 海同望公司、大连同州公司等软件公司，也各自推出了路线、桥梁、概预算、工 程项目管理等多种软件。形成了一种百花齐放、遍地开花的格局。范围基本上涉 及到道路工程设计的各个方面，如数字地面模型、路线设计、互通立交设计、桥 涵设计、构造物设计、工程概预算、工程项目管理、三维工程模型生成等等。 国内这些软件的共同特点是：使用平、纵、横三个二维设计来表达道路的空 间位置；利用美国a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 进行二次开发来实现全部或部分系 统功能；都注重可视化技术、用户交互技术，并寻求一定的智能化功能以及系统 集成和设计一体化。但是没有将数字地面模型很好地用于支持道路设计，且多数 需要a u t o c a d 的支持，一旦a u i o c a d 升级换代，相应的程序就要更改。 1 4 研究的烹要内褰 实时的路线三维霹援化设计涉及到较多的理论瓤技术： ( 1 ) 数字地面模型的构建 数字地蘧模型是勘测设计一体化黎统蛇熬要基础，匿内外的硪褒工作穗经充 分证明了这一点。从上一世纪7 0 年代朱期起，对数字地面模型在道路勘测设计中 麴研究直没有间断过，以中交第二公路勘察设计院、长沙交通学院为代液的单 傲取得了多项科研成粜，并产生了巨大的经济效益和社会效益。但是，随着“勘 测设计体化”进程的不断推避，特别是作为支持路线三维可视化c a d 添统的 5 华南理工大学硕士学位论文 平台原有的数模技术已不能完全满足实际应用的需要，有待进一步提高，否则 将制约道路测设技术的发展。基于此，笔者针对数字地面模型的构建理论和算法 进行了深入研究，如何提高大规模地形数据点的建模速度是本文研究的重点。 ( 2 ) 路线三维可视化设计 现阶段所谓的道路三维设计是指，利用道路c a d 系统完成道路平、纵、横 的设计并构建道路表面模型，利用数字地面模型系统构建数字地面模型，最后利 用3 dm a x 等建模工具完成道路三维模型的构建。这种方法对设计者有较高的要 求，且比较费时，如果设计更改，就要重新建模。随着计算机技术的发展，当前 已经具备了进行实时道路三维设计的能力，其关键是如何定义道路表面模型，并 利用道路表面模型和数字地面模型的互操作来完成道路的设计，这才是真正意义 上的三维设计，也是本文研究的关键问题。 ( 3 ) o p e n g l 技术的应用 传统的三维可视化方法是用a u t o c a d 建模，再用适当的三维制作软件渲染 成动画，这样制成一段线路的动画往往要耗费数小时甚至数天的时间，而且浏览 路径是固定的，浏览者只能被动地观看动画的播放，不能操纵动画的浏览路径， 这是静态的三维可视化，不能达到实时动态地三维浏览。为了实现路线三维可视 化设计系统，模型的三维显示必须达到实时动态的效果，而在目前的图形学技术、 可视化技术和数据库技术发展水平条件下，o p e n o l 技术是实现三维实时动态显 示的最佳方法。本文对o p e n g l 技术进行了一定深度的研究，并使用该技术实现 了路线三维可视化设计系统的原型。 6 第二章地形数据的获取 2 1 数据来源概述 第二章地形数据的获取 地形数据撼道路设计的基础数据，地形数据的材效获取，是道路三维可视化 设诗系绫魏重娶繇苇。 道路设计使用的地形数据一般可以通过六种途径来取得m ：利用常规仪器在 鼹外采集地形数据，利用垒站仪在野终采集地形数攒，利瘸全球定使系统默野终 采集地影数据，利用数字化仪从地形图采集数据，利用图形扫描仪从地形图采集 数据，利用航测方法从航片上采集地形数据。地形数据采集的分类如图2 一l 魇示： 数据来源 泉鬃方式 图2 - 1 数据采集方法分类 f i g u r e 2 - 1t h eg r o u po fd a t ag a t h e r i n gm e t h o d s 2 。l 利用常规仪器在骜外采集圭l 墓形数据 转统瓣终数方法爨采瑁鸷逶兜擎经纬玟、瘩准纹及葱抒、卷尺等零裁纹嚣进 行测绘地形图、中线钡0 量、路线水准钡9 量和横断面测量等工作。由于这些仪器需 蚕人工读数、记最及输入数豢，费时费力，藏骞赛滋镱，辫瑷褒程较少采惩这穆 方法采集大范潮地形三维坐标数据，主要用于横断颡测量。 2 1 2 利用全站仪在野外采集地开参数据 利用带记蒙装置的全站式速测仪、电子经纬仪在野外安测地形数据，也是一 7 华南理工大学硕士学位论文 种可行的地形数据采集方式。由于测量数据可以直接记录下来，并传入计算机避 行处理，得到所测点的三维坐标值，消除了人工读数、记录、键入磐一系列操作， 减轻了劳动强度，绦话了数掘戆可靠性，鄹对也提赢了工作效率。隧着这种设蘩 精度懿不龋提高，性能也越来越完善。这辩方式是当蘸野外遗形数销采集酶主鬟 手段。 2 1 3 利用全球定位系统从野外采集地形数据 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 是美国国防部为了满 足军事部门对海上、陆地和空中进行高精度导航和定位要求而建立的。该系统不 仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干 扰性和保密性。 由于g p s 定位技术的高度自动化和所能达到的定位精度，在地形数据采集领 域展现出广阔的应用前景。相对经典测量学来说，g p s 定位技术具有观测点之问 无需通视，定位精度高、观测时间短，取得三维坐标数据，操作简单，全天候作 业等主要特点。但是，g p s 提供的是大地高程系统，而实际工程中采用的是以似 大地水准面为基准面的正常高程系统，两者之间存在高程差。所以，g p s 测量高 程要解决这个高程差才可以在工程中得到应用。目前g p s 在道路测设中主要用来 作为平面控制，高程则配合全站仪、电子经纬仪的三角高程测量来求得。 2 1 4 利用数字化仪从地形图采集数据 如果已有纸制的地形图，还可采用数字化仪来采集地形数据。 数字化仪是一种可以将平面图转化为平面坐标数据的设备，在等高线地形图 的输入中，最适合按等高线串的方式采集数据，这样对一条等高线而言，只需操 作人员输入等高线高程一次，然后用鼠标或光笔沿着该等高线依次将其以点列的 方式输入即可。这样大大减少了键盘输入的信息，充分发挥数字化仪输入平面坐 标的长处，工作效率较高。数字化仪输入数据的精度，取决于原地形图本身的精 度以及图纸的变形和仪器的误差、作业员熟悉程度等因素。图纸的变形、仪器的 精度可以利用软件的手段进行逐点纠正，在一定程度上消除或减少误差的影响， 而地形图多从航测或野外实测而来，本身的精度低于实测精度，所以从地形图上 采集数据，一般只能用于道路路线初步设计。 8 第二章地形数据的获取 2 1 5 利用图形扫描仪从地形图采集数据 图形扫描仪是一种可以将平面图形扫描输入计算机的设备，对扫描输入的图 形数据进行矢量化处理，可以得到图形的平面坐标数据。目前矢量化软件较为成 熟，但是对字符和特殊符号的识别还存在很大的难度，扫描获得的数据还不能够 直接用于工程，必须经过人工处理，如设置高程，才可以使用。 2 1 6 利用航测方法从航片上采集地形数据 用航测方法采集地形数据能直观地观察地表形态，工作环境好、可以随意和 方便地控制地形点的分布和密度，所得到的数据可靠、精度高。特别是由于航测 仪器的发展，目前较大范围的地形图都用航测手段成图。利用解析法测图的解析 测图仪在测图的同时，可以记录附加信息，不需特意为建立数字地面模型重新采 集数据。而在其基础上发展起来的数字测图是一种更加先进的摄影测量方法。它 与解析法测图的最主要区别是利用相关技术将相片图像数字化、无需人眼观测。 但是当前自动化的相关技术还不能完全代替人眼的立体观察，某些处理还要人工 协助。尽管如此，这种全数字化、自动化测图方法代表了航空摄影测量学科的发 展方向。随着研究工作的深入，数据采集精度的提高，全数字测图将成为道路设 计数据采集的最理想方法。 2 。2 数据采集与提取 数字建蠹模型是邀臻三缎程纯设诗系绞瓣重瑟基础耪蔻挺，由予遥路所经 区域一般都很大，要对地形进行一定精度的描述，所需的地形数据景十分庞大。 在上述会绥豹6 鼹数据采集方式孛，逶会大艇摸、大蓬爨袋褰遗形数据鲶方法主 凄有：使用全站仪的野外数据采集，使用数字化仪的地形圈数据采集和航片数据 袋集。 2 2 ，1 使用全蛄仪的翳外数据采纂 全然仪，郄全站燮电子遗测仪( e l e c t r o n i c t o t a ls t a t i o n ) ，它是出电予澄l 焦、 电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维嫩标测鬣系统，测量结果能自 动显示，著能与外围设备交换信息，是一种多功能测量仪器。由于全站型电子遥 测仅比较完善激实现了测量和处理过程的电子化和体化，所以人们也通常称之 9 兰重型三奎兰塑圭兰竺堡苎 一 为全站型电子速测仪，或简称全站仪( 如图2 - 2 所示) 。 图2 2 全站仪 f i g u r e 2 - 2e l e c t r o n i ct o t a ls t a t i o n 全站仪测角、测距最显著的特点就是测量的电子化、自动化，以及测量数据 的自动记录、处理等功能，能实时得到被测待定点的三维坐标和赋予各种编码的 地形属性等信息。 电子经纬仪采用光电测角，以光电信号的形式表达角度测量结果。即采用新 型的度盘刻度形式，以光电技术和电子测微技术实现测角功能。目前光电测角有 三种度盘形式：格区式度盘，光棚度盘和编码度盘。 相位法测距是目前最为成熟、测量精度最高的一种光电测距方法，工程测量 中最为常用的光电测距仪大部分都是采用相位法测距。 采用上述测角、测距方法，全站仪就可以在测量工作中同时完成测角与测距 的工作。有了被测点的水平角和竖直角，以及测点距测站的距离，根据测站的已 知坐标和高程，及仪器后视点的方向就可以由全站仪中微处理器带有的计算程序 实时赢接求得待定点的坐标及高程。这些数据直接存储在与全站仪相连的数据终 端内，可与微机通讯，将测量数据传送至微机中。全站仪所具有的实时处理测量 数据并存储的功能，大大减少了人工读数、记录、数据处理的工作，减少了这些 中间环节，从而减少了数据出错的可能，为路线c a d 系统提供了有效的数据来 源。 在实际测量中，由于地形要素较多，从建立数字地面模型的要求看，所记录 1 0 第二章地形数据的获取 的数据要能充分反映地形的变化，除图根控制点、地形碎部点外，还要测量各类 地物、地形断裂线、水系、植被类型、地质地貌等多种数据。但是这些数据并不 是全部参与数字地面模型的建立，所以在野外数据采集时，要对各种数据进行分 类编码，数据记录时按照编码分类进行记录，以便以后处理程序的识别。 利用全站仪在野外实测地形数据，是一种切实可行的野外地形数据采集形式。 由于野外实测主要是由人工完成，劳动强度比较大，效率相对于后面介绍的两种 数据采集方式要低。所以，野外实测适用于路线里程较短，或者由于路线方案改 动，使路线超出原区域范围而进行的补测。 2 2 2 使用数字化仪的地形图数据采集 数字化仪是专业应用领域中一种用途非常广泛的图形输入设备，是由电磁感 应板、游标和相应的电子电路组成。当使用者在电磁感应板上移动游标到指定位 置，并将十字叉的交点对准数字化的点位时，按动按钮，数字化仪则将此时对应 的命令符号和该点的位置坐标值排列成有序的一组信息，然后通过接口( 多用串 行接1 3 ) 传送到计算机。 图2 。3 数字化仪 f i g u r e 2 3d i g i t i z e r 数字化仪将地形图数字化时，一般采用点方式输入，即将游标上的十字丝对 准要数字纯的荣个图形上的一点，按动按锾，通过感应板对该点定位，并将该点 的一对搬标数据发送到计算机。点方式可以减少大嫩的冗余数据，丽且由予是逐 点跟踪采样，数据采黎豹质量较高。 由数字化仪发送到计算机中的坐标数据，是基于数字化仪平板上的笛卡尔坐 标系静数据，必须根舔渡数字张静图形的要求逡章亍旋转、乎移和缩放，将其转换 成大地嫩标或所要求的某种坐标系。在进行嫩标转换时，必须先找出数字化仪和 掰蔫坐标系之阏静关系，确定x 、y 辍标懿平移毽、旋转角等凡个定向元素( x 。、 y o 、c o s 0 、s i n 0 ) ，然后再进彳亍不同坐标系下数据的转换。以两点定向为例，解下 华南理工大学硕士学位论文 列线澎方程组即可得到四个定向元素： x r l = x o 十x ；l c o s 0 一k 1xs i n o r t2y o + x “。8 m 日+ t l 。0 5 目 i( 2 1 ) x n = x o + x ，2 c o s l 9 一e 2 s i n 毋i 2 = k + x 以s i n 口+ e 2 c o s 9j 因为数字化的对象是纸制地形图，纸张的变形会影响数据的可靠性和精度， 所以转换后的数据要经过纠正，以尽可能消除或减少图纸变形所引起的精度损失。 在实际应用中，依据数学中仿射变换的思想，采用下述的双线形函数式进行逐点 变形更正，效果较好。具体做法是：先量测测图区域四个角点的坐标值( 尽可能 布置成正方形或矩形并靠近区域边缘) ，得到其转换过后的四对平面坐标x c 、y c ， 并输入相应四点的已知坐标x t ，y t 。根据这四个点的八对坐标，可列出如下所示 的八个误差改正式： x t o ) = a 1 4 - a 2 x c o ) + a 3 r c o ) + d 4 托( 1 ) k 必1 ) 、 r t o ) = b 1 + 6 2 x c ( 1 ) + 6 3 r e o ) + 6 4 x c ( 1 ) x y c ( 1 )l k( 2 2 ) x t ( 4 ) = 1 + a 2x x c ( 4 ) + 3 r c ( 4 ) + n 4x 觑( 4 ) x y c ( 4 ) l y t ( 4 ) = 6 1 + b 2 x c ( 4 ) 十b 3 r c ( 4 ) + b 4x x c ( 4 ) y c ( 4 ) 一j 式中a l 、a 2 、a 3 、a 4 、b j 、b 2 、b 3 、b 4 为纠正系数，解该方程组可求得这八个 纠正系数。 如果数字化仪量测数据为x i 、y i ，则转换坐标系以后，其坐标x c 、y c 为： x c = x i ”c o s o - y i x s i n o + x o ? ( 2 - 3 ) y c = y c o s 0 + 3 ( x s i n 0 + 矗 j 逐点变形更正后大地坐标为： m y t 嚣b ：b x x 点c b 如3x “y 竺cb ：篙x “y c 子c 2 川 =i+2 + + 4 爿叠 j 由于数字化仪是一种将平面图形经过人工手扶跟踪逐点逐线转换为平面坐标 数据的设备，在地形图的输入中，最适合按等高线点串的方式采集数据，因为对 于一条等高线而言，其高程值是相同的，操作人员只要输入一次高程值，即可以 沿着等高线逐点采集其坐标值，减少了键盘或者菜单输入的信息，工作效率较高。 同使用全站仪的野外数据采集一样，在数字化过程中也要对不同的地物信息 进行编码，便于以后计算机程序的处理。 2 2 3 航片数据采集 所谓航空摄影测量，就是利用飞机对地面拍摄像片，再利用摄影测量学原理 1 2 第二章地形数据的获取 及立体测图仪，将像片组成立体模型，以从事各种地图测绘及地物判读之工作。 摄影测量工作一般可分为两大类： 一为量测地物之空间关系，如坐标、高程、距 离等，最后可得地形图、平面图、影像图以及三维地面模型。二是像片判读，主 要是对影像进行性质分析与判断，如分析土壤分类、作物种类等。这里主要介绍 第一类。 用于航测的设备，除了能对航片进行立体量测外，还必须具有自动记录观测 数据及计算大地坐标的功能。目前在国内使用的设备主要有：改装的带自动记录 装置的立体坐标量测仪，联机改装以后的精密立体测图仪，精密立体坐标量测仪 和解析测图仪。由于解析测图仪在得到设计所需的地形图的同时，就可以得到建 立数模用的地形原始数据，而不需要增加太多额外的工作，从而减少数据采集费 用，故而是目前最理想、最可靠的航测数据采集设备。 图2 4 解析测图仪 f i g u r e 2 4s p a n a l y t i c a lp l o t t e r 解析测图仪应用解析计算方法求解