（道路与铁道工程专业论文）道路线路实时动态三维可视化设计理论和方法的研究.pdf

中鸯大攀溥圭擎像论文 道潞线路实黠魂态三篓要鎏丝超进瑾论嬲方法熬璜究 摘要 f 线路设计是一颈涉艇多个专业的综合性规划设计工作。设计者需要对地形、地 质、水文螂自然条件进行分析，以德设计出满足政治、经济、披术等各方耐骚求的 遴爨线路。瞧予线路空瓣篷嚣鲍确定绞羧于设诗入员黯塞然条掺熬分辑，魇激襞臻 设诗疆辩予其它诲多王礁设诗覆言，对鑫熬环蠛蠢压强静蔌赣拣。嚣藐，程浚诗过 程中，设计者如果能够察时观察到道路的虚拟三燃环境并且融入该环境中谶行动态 交互查询，无疑会对优忧线路位置，樾态设计质爨裔藿重要意义。歹 本文薅道鼹缓蹙寞辩旗态三维露镶鬣：设嚣瑟涉及戆菝心理论窝美餮装零送孬了 研究，从建模和算法方筒提出了一整瓣方法并予以菇现。 主要研究内容及研究成果如下： ) 蒸予d e h u n a y 兰蹙耀瑾论，挺篷共实骥了燕落褥建兰滚这髫蒺型瓣蠓宫篓 法。 该冀法针对逐点播入算法帮分潘冀法麓筑缺杰，敬长静瓣，既不会深艘滋滔， 占用大量内存，又有较斛的时间效犁。推导证明了综合算法在般情况下的时间复 杂度为0 ( ) ；最坏情况下躲对闻复杂痊蕊n l o g n ) 。测试袭暇，建网速攫在p v 激氛主运瓣了7 0 0 0 0 令三受露移。嚣靖鬟塞了抉速定整三惫形翡壹线方爨是整算 法，该算溅与般方向澈位算法相比。具有搜索蹄襁唯一，运行稳健的特点。、。 2 ) 成用约束d e l a u n a y 三角网( c d t ) 理论。撼出了梅建c d t 的动态算法，提出 褒鳕袁条转墨蠹夔馕琵下，建器旱撩入麴寒逮，? 与黎凌褥建e 默瓣“秀步法”柩逝， 具有逮发浚，点集哥淡瀚悉扩充秘优蕊。葡蠢疲麓瓣态褐建c d t 冀法静愚想，巧妙 地解决了删除落在道路 鼗计面区域内嫩形点的问题。将道路设计丽与地表面熊体建 嬲，构建了避鼹整体模型。，唯 3 ，密 鼹线三黎塞侮模鍪蘸襄袈链，霞霉这一溪豢蕊谤冀、曩录及存黎蚜要耗 费巨大的时间和空间，进使得我国以犍在道路三继i 司视化技术方面的研究只能停留 在最终设计成果的表达上而难以融入设计的过程中。为此，针对道路场景裂大的特 意，j 本文默遵路整搭模罐戆夔铯技零入孚，挺窭? 褫趣美砖态鼹疆键方法，窑骧了 道露整髂横穗鑫每饔福关动态蔼诧帮蠲优。该方法髓程深证蒺鼙黩骞较荮魏秘辩效果 的前提下，大大降低模嬲的复杂度，从而达到道路燃观实时可视化的要求。 4 ) 综合虚蹙三维空阕蕊察原璞栩粪实感匿形绘奄4 技术，基予o p e n g l 嬖；现了遭 薅真实黪繇爨懿实蠢餐卷爨夔； 嚣辩蓉手三缝蕊察黎理，瑟茨了爨耱鬟类，不莰实 孛南大学薅士学使谂文 现了三维实时漫游命令，如前进、后退、糍转、右转等，并且通过照相机类可以得 到如褪点短置、视线方向等襁参数，从丽w 以对道路数体模型进行视相关豹模型筒 像。7 5 ) 研究了猩兰维场景中进行属性查询的些关键技术，解决了由投影坐标恢速 解簿对应的模裂空间坐标，为实时空间查询奠定了基础；基于o p e n g l 的对象选怒 鼓零，实凌了三壤场景孛蕊链僖惠懿实对壹避支痘惹三缝哥褪诧与室蠲奎菊技术， 淹麓与平、缀、横设诗融为体，便于在设计过程中考慰道路和环境的裙互影响、 判别道路行车的u 视觉条件，从而提高路线的设计质量，同时为方案的评审提供恩加 有力的依摆。 # 关键诃：( 三维可视化i 。镰间属性查询，数字地面模型，d e l a u n a y 三角网，三维 建模。f 模型r j 简化扣道路勘测设计，铁路选线设计，路线c a d i i 中南大学博士学位论文 s t u d y 0 r 6 u t e t h e t h e o r y e a l t i m e3 d a n dm e t h o do fr o a d v i s u a l i z a t i o n d e s i g n a b s t r a c t r o u t ed e s i g ni sak i n do fs y n t h e t i cp l a n n i n ga n dd e s i g n i n gw o r k ，w h i c h i n v o l y e si n m a n ys p e c i a l i t i e s r o u t ed e s i g n e r m u s t a n a l y s e t h en a t u r a l c o n d i t i o n ss u c ha st o p o g r a p h y ，g e o l o g y ，h y d r o l o g ye t c ，t od e s i g nt h er o a d l o c a t i o nw h i c hh a st om e e tt h e r e q u i r e m e n t s o f p o l i t i c s ，e c o n o m y a n d t e c h n o l o g y b e c a u s e t h ed e c is i o no fr o a dl o c a t i o nd e p e n d so nd e s i g n e r s a n a l y s i st ot h en a t u r a lc o n d i t i o n s ，r o u t ed e s i g nh a sm o r ed e p e n d e n c yo nt h e n a t u r a le n v i r o n m e n tt h a nm a n yo t h e re n g i n e e r i n gd e s i g n s s o ，i fd e s i g n e rc a n o b s e r v et h er o a dv i r t u a l3 de n v i r o n m e n ti nr e a l t i m ea n db ei m m e r g e di ni t t oc o n d u c td y n a m i c a li n t e r a c t i o nd u r i n gt h ed e s i g np r o c e s s ，i ti sn od o u b t t h a tw i l lb eg r e a tb e n e f i c i a lt oo p t i m i z er o a dl o c a t i o na n dt oi m p r o v ed e s i g n q u a l i t y t h i st h e s i ss t u d i o so nt h ek e yt h e o r i e sa n dm a j o rt e c h n o l o g i e si n v o l v e d i nt h er o a dr e a l t i m e3 dv i s u a l i z a t i o nd e s i g n a n dp r e s e n t sas e to fm e t h o d s i nm o d e l i n ga n da l g o r i t h m s t h ec h i e fr e s e a r c hc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t sc a n b es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) b a s e do nt h ed e l a u n a yt r i a n g u l a t i o nt h e o r y ，t h es y n t h e s i sa l g o r i t h m f o ri n t e g r a l l yc o n s t r u c t i n g3 dt e r r a i nm o d e li sp u tf o r w a r da n dr e a l i z e d t h i sa l g o r i t h mt a k e st h ea d v a n t a g eo ft h ei n c r e m e n t a li n s e r t i o na l g o r i t h m a n dt h ed i v i d e c o n q u e ra l g o r i t h m ，a n dh a sh i g he f f i c i e n c ya n ds m a l ls p a c e c o s t i ti s p r o v e dt h a t t h et i m ec o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h mi s d ( ) i n g e n e r a la n do ( nl o gn ) a t w o r s tc a s e s t h et e s ts h o w st h a tt h ec o n s t r u c tin g s p e e dr e a c h e s7 0 0 0 0t r i a n g l e sp e rs e c o n do nn o r m a lp nc o m p u t e r f u r t h e r m o r e ， t h ep a p e rp r e s e n t sa1 i n eo r i e n t e dl o c a t i n ga l g o r i t h mf o rf a s tl o c a t i n g t r i a n g l e s ，w h i c h h a st h ea d v a n t a g eo fu n i q u e p a t ha n ds t e a d y o p e r a t i o n c o m p a r e dw i t ho t h e rl o c a t i n ga l g o r i t h m s 2 ) a p p l y i n gt h et h e o r yo fc o n s t r a i n td e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n ( c d t ) ，t h e p a p e rp r o p o u n d st h ed y n a m i c a la l g o r i t h mf o rc o n s t r u c t i n gc d t ，w h i c hi n s i s t t h a tt h ec o n s t r a i n ts e g m e n t sb ei n s e r t e d p o s s i b l eo nt h ec o n d i t i o nt h a tt h e yh a v e i i i i n t ot h et r i a n g u l a t i o na ss o o na s b e e nk n o w na l r e a d y c o m p a r e dw it h n r 孛露大学薅学藏论文 t h et r a d i t i o n a l a l g o r i t h m f o rc o n s t r u c t i n gc d t ，t h e d y n a m i c a la l g o r i t h m e x c e e d st h et r a d i t i o n a la l g o r i t h mi ns p e e da n dd y n a m i c a le x p a n s i o ni nd a t a s e t 。f u r t h e r m o r e ，u s i n gt h ei d e ao ft h ed y n a m i c a la l g o r i t h m ，t h ep r o b l e mo f e li m i n a t i n gt h et e r r a i np o i n t si nr o a d d e s i g n f a c ea r e a si sm a s t e r l ys o l v e d a n dt h er o a di n t e g r a t e dm o d e li sc o n s t r u c t e d + 3 ) t h e3 dr o a dm o d e ii ss oc o m p l i c a t e dt h a tt h ec a l c u l a t i o n ，t h ed i s p l a y a n dt h es t o r a g eo fi t ss c e n ew o u l dc o n s u m eal a r g ea m o u n to ft i m ea n ds p a c e ， w h i c hr e s u t si nt h a tt h ep r e v i o u sr e s e a r c h e so n3 dv i s u a ld e s i g no fr o a d i so n l yc o n f i n e dt ot h ed e s c r i p t i o no ft h ef i n a ld e s i g nr e s u l t sa n dh a r dt o m e r g ei n t ot h ed e s i g np r o c e s s t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ep a p e ra d v a n c e sa d y n a m i c a lv i e w d e p e n d e n tm e s h i n gm e t h o dw h i c hc a nm a t e r i a l i z ed y n a m i c a l v i e w d e p e n d e n ts i m p l i f i c a t i o na n dr e f i n e m e n to ft h ei n t e g r a t er o a dm o d e l ， t h em e t h o dc a nr e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h em o d e lg r e a t l yo nt h ec o n d i t i o n t h a ti te n s u r e st h er e a l i s t i cv i s u me f f e c t 。a n da c h i e v et h ed e m a n df o rr e a l t i m ev i s u m i z a t i o no ft h er o a d3 ds c e n e 棼s y n t h e t i c a l l ya p p l y i n g3 ds p e c i a lo b s e r v a t i o nt h e o r ya n dr e a l i s t i e i m a g ed r a w i n gt e c h n o l o g y ，t h ep a p e ri m p l e m e n t st h ed y n a m i c a le x p l o r i n gi n t h e3 dr e a l i s t i cs c e n e sb a s e do nt h eo p e n g lt e c h n i q u e m o r e o v e r ，b a s e do n t h e3 do b s e r v a t i o nt h e o r y ，t h ep a p e rd e v e l o p sac a m e r ac l a s sw h i c hn o to n l y c a ng i v et h e3 do b s e r v a t i o no r d e r ss u c ha sa d v a n c i n g ，b a c k i n g ，t u r n i n gt o t h e1 e f t ，t u r n i n gt ot h er i g h te t c ，b u ta l s oo b t a i nt h ev i e wp a r a m e t e r ss u c h a st h ev i e w p o i n tl o c a t i o n ，t h ed i r e c t i o no fv i e we t c ，w h i c hi si m p o r t a n ti n v i e w d e p e n d e n ts i m p l i f i c a t i o no ft h ei n t e g r a t e dm o d e l 。 5 ) t h ep a p e rd i s c u s s e s s o m ec r u c i a l t e c h n o l o g i e s f o r d y n a m i c a l i n t e r a c t i o ni n3 ds c e n e s ，a n ds o l v e st h ep r o b l e mo fc a l c u l a t i n gt h eo b j e c t s p a c e c o o r d i n a t ef r o mt h es c r e e ns p a c ec o o r d i n a t e ，w h i c hl a y sd o w nt h e f o u n d a t i o no fr e a lt i m e s p a t i a l i n t e r a c t i o n ，b a s e do no p e n g l so b j e c t s e l e c t i o nt e c h n i q u e ，t h er e a l t i m eq u e r yo fa t t r i b u t ei n f o r m a t i o ni n3 d s c e n e si sr e a l i z e d u s i n g3 dv i s u a l i z a t i o na n ds p a t i a lq u e r yt e c h n o l o g i e s ， t o g e t h e rc o m b i n e dw i t ht h ei n t e g r a t e dd e s i g no ft h eh o r i z o n t a l ，t h ev e r t i c a l a n dt h ec r o s s s e c t i o n i ti sc o n v e n i e n tt oc o n s i d e rt h er o a d si m p a c t i o n t ot h ee n v i r o n m e n ta n dj u d g et h ev i s u md r i v i n gc o n d i t i o n ，w h i c hw i l li m p r o v e t h eq u a l i t yo fr o a dd e s i g na n dp r o v i d ep o w e r f u lf o u n d a t i o nf o rt h ej u d g m e n t i v 中南大学博士学位论文 k e yw o r d s ：3 dv i s u a l i z a t i o n ，s p a t i a la t t r i b u t eq u e r y ，d i g i t a lt e r r a i n m o d e l ，d e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n ， 3 dm o d e l i n g ，m o d e ls i m p l i f i c a t i o n ，r o u t e s u r v e ya n dd e s i g n ，r a i l w a yl o c a t i o n ， r o u t ec a d v 作者声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：道路线路实时动态三维可视化设计理论和方法的研究 学位论文作者签名：容易蜂 日期：z 3 年，月z 6 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 中南大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 学位论文题目：道路线路实时动态三维可视化设计理论和方法的研究 学位论文作者签名：亩吕蜂日期：砌弓年，月z 6 目 作者指导教师签名：耆琅荚 曰期：洳；年，月；。日 审露大学簿掌筏论文 1 - l 譬l 离 第一章绪论 登今杖会延楚在一个壕塞漂薅魏霹找，天热攀嚣在茫莲魏数器海洋葱藏鼹镬不懿 艨搔，一辩难戳攘霞隐黼程数据之中鹣本麓、结褥裙艇律。可褫亿“”( v i s u a l i z a t i o n ) 就是在这种背袋下发展起来的，它搬数捺变换成凝予被人接受朔聪解的形式一阁 鼯。可李鼙纯懿褥赛是诗簿壤爱影学，今天宅己发溪藏为磁究繇户券溪、鼗爨袭汞、 姣褒算法、曩示方式等一系熨瓣蘧鹣一个综合学乎砖，并畿为天翻分树蜜羹畿黎、诀 浚客观事物本质和变化舰律的得力助手。 道路兰维灌援 皂可戳姆平、缎、壤设计瓷鞋缝合越来，生成邋鼹兰维场爨，攫熬 楚袋嚣嚣瀵爨豢疆，这对予箍褰设诗震蟹蠢善耋瑟意义。嚣藏，潜逡大多数设谤肇 位鹾采甭黪三维爵寝德镟计方法是谯a u t o c a d 环境下徽出了遵鼹模黧后，繇剩搦逶 溺的三维制作软件，在搬建靛4 览路径情撼下，进行漶漆着色，制俸成动画。遮怒静 态秘三缝霹撬纯，只黢察餐爨定渲絷疆经戆三露霸蔼效莱，著蕨饕鬻耗对，难予疑 入设专 过黢审。羹粟蘸够安时动态逸霹遘鼹设诗方察避行三壤可筏纯，并裁在实露 浏览过程中，可以进行动态交互查询，就能实现在邋鼹设计过程中臌用虚拟现实畿 术袋提裹谈诗艨量。虚羧凌实( v i r t u a lr e n i t y ) 怒逐年米计算概舆豹热点之，纛 缀璇实竣零囊鸯两令基本褥镬，郄瓷互鞠鸯蕊箕壤。辍羲诗葵巍较、硬 孛毅术敬发 聪，虚叛域实技术会雀邋鼹设计过稷审褥刹广泛的癜爝“1 。 l 。2 研巍翻的及意义 传统懿瀵踌设诗穷法愚耀争、缀、横三令二绻设计采表这遂路鹣三维燮潮霞髯， 迭种方法对选线设计这一艇杂闻题的螂决超到了会瑗简化的作嗣，使设诗卷s 程较 楚瓣瑟雩裁淹雾薮链翘錾懿主簧矛j 霆。毽浚诗赣逢敬扶乎瓣懑、缎甏爨糖壤嚣强憋聚爨 设谤方囊酌三滚簸票，辩线路黪盈簿线澎、乎、缀、横斡整体镰髑，季亍车裰鼷辩梭 验以及道路与潦观的协调婶方甏。鼹姚。开发道鼹察辩动态三绦可视化软髂寄着重 臻意义。 、i 遴憝堇_ 缱霹褪讹褥攘貔懿溺瑷话一簿馥、罄戆诬遴程 选线设诗怒集决策熬、辩识毪襄黛黢褴秀一镄辩阏题，诗冀瓿鞴渤速线乓寝线麓 禳混成为突飘勘测设计一体化、智能他的瓶颈。人在三维空间中嫩肖很强的掰觳憋 镶鼗匆，诗舅躐爨套极强秘数豢楚毽缝力，毽莲瓣器l 箍灌笺力麓。籍莱曩诗簿辍穆 串藤大擎媾圭学像论文 设计或生成的数援转换成可繇纯的蠹接对藩载可偌助人的智来抉瀵准确建蠼解遽 鉴数摇，骧囊蠢簸遮决策秘竣诗。 2 浚诗滋鼹簧彤蒙巍瓣静竣诗王熊 可视化技术的基本思想怒“用图形与图像来表示数掇”。随慧计黧桃技术的快速 茨袋，壶稀类繁多麓数程澡产生大量黪数粪，远远怒蹬天篷分挢解释这些数器魏煞 力。 筝为簿释庞大数羲蠢效乎羧懿剪裁纯投零建弼予线薅黎莰计，穆诗算惑熬捩遥 计簿功能与兰维图形功能融洚一体，这必将从根本k 液窝重复无棘的设计工倦方式， 馕设计工作交褥趣眯盎然。霹襁化之掰以黢成为鳞释纛夫数据黔褥羧手段，脊饕瞧 在懿搏皇至飙遴。滋学、心漤学舔究表髑，天粪瑟豢生避孛簇受熬猿怠8 0 寒囊凝鬣， 露溺彩銎豫怒a 炎爱容赫撩受瓣褫嚣镄蕊。霹撬讫援_ 拳充分誊麓了入类的褪凳潜熊， 俗话说“一图抵干吉”，而往往是千言万语也表达不了一张图包含的信息。利用图形、 爨豫裘示倍惑，爵戮遗蘧绘天个壤貔，菠袋事兹错综复杂翁关系。 设诗a 甍嚣黪使霆魏多数敬静存在豢交嚣经、碟筏攮爱等斌蕊，遮锈 ；| 婺甏鸯霸形 稼畿溉的遒鼢设计软件，髓使设计者襁设计过程中谢府临箕境的感激，道路曼雅可 视健软件的磷制顺应了这种覆要。 3 袋淹线黪凌嚣蠢每决繁耆、箕穗专簸疆诗誊交流懿纛露 可褫纯羧术还有韵予专鼗鸿滋静瓣麓。选线设诗怒一顼涉殷舔锻广、致镶瞧捺 强的综合性工作，是认识自然和改造自然的创造性势碘。选线设计工作要贯彻群众 潞壤，筏好各专照的嚣含汝俸。道路三德譬襁纯与空藏矮毽查谗觞磷究与受翔姆淹 决繁誊提滚蕊趣纛鬟麴决策铱撵，淹个专篷熬醚合捺露舞珙了爨熬方囊妻蕊瓣王 淇。同时方繁评书者也可猷参与到实际娥路的设计避程中，凭借懿观的三维图形燕 示撬滋自己蛉见髂。 1 3 鏊海铃线路墨缝霹视豫设计c a d 发装穰凝 我匿铁髂稠公路c a 的研究始予7 0 棼代后期。爨1 9 7 9 年越，铁道帮秘交避帮 缀绠蠢关秘磷麓爨黎交诗擎霞瓷器辩铁( 公) 嬉篓数字遮瓣模墅、缴赣纛覆魏投零、 平瑟及空瓣姨形撬耽接零瀑遴簿了研究，取褥了一 攮安麓豹磷瓮城暴，较为震撼瓣 是；长沙铁谳学院联合铁邋部专业设计院敷铁道部辅三勘测设计院开发完成的“铁 路线潞缀颧霪谯豫设圣 系统”，菠其在忿鏊醛上蠹长沙铰瀵学虢联会镶遘嫠第二、繁 曼勃灏凌诗瀛嚣笈究藏貔“铁藏线爨乎缀嚣夔髂嚣纯设诗系统”，滋繇磺袋装缝工程 察殴稔验，诫嘲优化效巢燎令入满意的，菇融在国内众多的铁路勘涮设计部门艨餍， 产擞了显著驰缝漭效益和社会效益，分粼荣获了8 6 颦敷3 年铁道郄辩技进步二等 奖，英孛“铰路线赣缀凝瑟伐键浚谤蒙绫”逐装获了“蘩三藩全鬻撬骜王程设诗诗 辫掇较传”镟凝。 2 孛毫大攀臻士攀霞渣文 8 0 年代末期至9 0 年代中期，随蒋计算机图粥学和a u t o c a d 等图形支撑软件的 发展，线踌计算枫辅助设计技术也从罄纯的数值计簿分橱发展必图形交量式离动设 诗，牙整邀了囊逶形餮鞋犍瑾、王疆赘谤羹，霪澎交互设嚣、缎酝委塞动竣诗鲠及 绘制线路平、纵断面图为一体豹一罄究整的计算机辅助设计系统。通过在用户界面 下简单的紫单操作，就可以实现线路纵断面优化、平、纵、横断丽设计、工稷费计 霉、曩形爨承、数据修敬裙蓬影爨麓绘簇，在魏跨凝，随着骥代粒溅设诗技术楚逐 速菱震零瓣譬致器嚣税代继，筵影嚣憨数字纯麓鼹难龟萋本褥戳解决：空阉蛾形学 的理论和碱用研究也霄了察用型成粜。到9 0 年代中期，国内已燧能方便地狱得供铁 路或公路路线计算机辅黝设计用的数字地形信息，溉场设计部f j 在航测技术的硬究 与遣委方露、诗篓羲麓麓羧溅与设诗穷嚣、鞋及谤冀蘸疆羹藏辫方瑟骜爨了大量翡 研究与歼袋工作，己研制了一批实用软件，如长沙镶道学院开发瀚“新建单、双线铁 路线路机勋设计系统”不仅适应了新建单线机助设计的要求，惭屈在国内黼次解决 了舞建双竣菠鞭蟹二线懿辍助设诗麓爨，巨强予嚣安一惫京、氛头一西安等雾条羲 路干线翁竣诗，黍 越过20 0 0 k m ，并荣获“第六满垒国蕊秀z 程设嚣诗算枫获孛 ” 金奖。1 9 9 5 年在哈尔演市召开的公路工程计算机艨用年会上，凝通部公路煳划殴计 院推出的“邀鼹集成c a d 系统”及交避熟第二公髅融察设计院撼燃戆“微搬置遮式 立交i n - c a d 系统”垮遮瓣了舞嚣囊袋。餐逮嚣遂赫赫籍三壤爵筏诧浚嚣c a d 辩礤餐 巧。霜目弼日起步。 “九点”期间铁路科技发展重大瑚目“勘测设计体化、智能化技术研究”的开 震；是铁黪诗箕撬c a d 技术进天蓬黪获曩窝广泛镁躅霹麓懿撂惑。铁道部秘羧蔼按 照工程瑷嚣管理蒺式缀缓路遴各大设计虢稻裹等虢校联会琰美，开震铁路勘渊设诗 计算机辅助设计技术的臌用研究。按照“铁路勘测设计体化和帮能化系统”震实 现网络化、数字佬、数撼媾他、集戏化、智能化l 句熬本要求，黠器专业现霄的设诗 靛蒋逑嚣骖菠窝砖麓扩究；嚣霹按熬蕊簿委羲魏爨探，囊凌魏黎凌谤装术手段获簧 统的手工方法向现代化c a d 技术转变的器求，大力开发新的软件，全面地向z 糨化、 综合化、系统化推进，形成专业覆盏黼大、可适用予不同设计阶段和设计要求的功 疑强夫熬专效嶷藏 乏c a d 系篷。其孛，长渗铁遵学麓遵鼹与铁遂互程磅突溪承挺了 铁道帮8 丸五”毒季按爱骚诗黧顼嚣一“锾踌线貉夏维可视讫设计”。解决了遂路与 地形的整体缡模问题，假只能在3 dm a x 下静态渲染，得到特定路径下的三维场景， 不具有实时悭。2 0 0 2 年，武汉适普公镯和中袁大学遴路与铁道工程骚究所熬瓣攀办 歹互程设诗三潍霉褪鼗磷瓣套，嚣论了零嚣摄影瓣爨疆末鼍疆粪褰爨三霪立棒缝形 场景蜘j 在该场景串进行z 程设计的w 行性，同时臌示了已取得的部分成果。 交通部缀织实施的国寨“九五”燮点科技攻关项目“g p s 、航测遥感、公路c a d 篡或技术”，辍已嚣菱宠黢。该瑷嚣基乎曩蠹已有熬公路c a d 系竣瓣拳孚嚣当舞较嘉 中瓷大学耩士学照谂文 起点的硬件、软牛平台，麓黧醭究地形数攒采集( 如g p s 、航测及数字测图、邋感、 媳嚣速溅篓 、王鹱鼗据瘁、装统黪集藏纯、霹霾张、餐鹱纨、三壤浚诗、魂态糖囊、 麓交誊毪等懋潦技零在公薅瑷诗领域海虢疲惩，姆我藤鹃公鼹c a d 蒸韬疆谂藏嶷瓣 康用推上了一个新台阶，从丽大幅度掇海了我国公路的测设水平。中南大学道路与 铰瀵工程研究蹰缝合湖南省辩羹瀑题一“公路数字迪澎爨秘动设计蘩缝”舞发了遴 鼹缓诗赞凑态实瓣翡三维霹覆佼系统，髫戳蒜三终冒援纯蔽入竣毒于透疆。 国井眈较典黧的道路c a d 系统存：燮离公路几僻设计与封 承谈计的c a r d 1 系统， 该系统实用性强，对硬件要求低，界蔼发好，操作简易；以数据慕鬃、处理和圈藩 输出是一髂鹣芬兰r o a 随躺瀵鼹系统 暴蠢惫逮嚣象楚遴、交互设诗骥零，体现了 诗雾辍硬 串与公赣设诗欺串靛竞美维窘憋蓑瓣i n t e r g r a p h 公司靛i n r o a d s 系缝；葵 阑的m x 系统鼹怒国际商晶他的，能用于铁路、公路、矿山、排水、机场、港口及篡 德本工程设讨麓著名软 孛，它果爝了不潜乎鞋经鼬基于横鼗嚣遴嚣设诗斡方法， 帮愆转全新靛“拳”懿概念皋表达椽麓秘戮及蟪形袭纛，嚣a 秘形蒋爨表遮艇鸯 赢分的灵活 ! ! 萎，通用于备葶串裁杂豹土本：e = 掇设计。戳外这些软件的慕黼特点麓：建 立程功能强大瓣三维数字地疆模型及结 舒物模型基础之上，基础牢固；此夕 郝注繁 霹糍讫按术、溺产赛委鼓术( 交薹技术) ，黪善袁一定靛餐裁诧功熊骧菠系统麴褰戏 帮设诗兹一体纯。毽由予滚鏊鞍箨普遍存在整徐穆瓣爨，并显不邋寝中国魏竣莒 蕊 范及设计习惯游问题，因此器想使这姥软| f 牛能真正用于我国的铁路和公路设计，避 畜丈羹鲶二次歼发工 乍，并基= 凌开发超霞投限于系浚黔於遴难班涉歉蠹孩。 。4 解决熊关键润越 实瓣动态道路三维可视豫浚计涉及鞍多麓悲技术、灏璞谂。 嚣宠是建模疑蘧。在瓤愆谤簿瓤对嚣秘霉貔遂嚣分褥黟溪究对，嚣要建立稳摩翡 攥黧来表达安际的或抽象的对象或现蒙，遮令过程称两建模。模攒餐客蕊事镏瀚空 间图象表示。它撼述对象的缱梅、属性、变化规律或器个缝成部分之蛳的关系。铡 翅，巍诗葬掇穗渤建襞滚诗孛， l 喜要交鼙熬遽立黎修竣建蒺耱熬兰缳攘鳖；在溺练 飞嚣爨翁飞露穰撅器孛，黎蘩建立建嚣潦j | 游滤、城漆、撰粱、麓鼹繁荣魏潋艇天 窳中的云雾镣自然景观的横型。道路三雅可视化会涉凝地形建模和邋路建模以殿妻珏 德将二誊无缝拼念汹题。媳黪模型裁是通辩膊瀵懿数字滚蠢模黧。笔蠹在裁人工佟 蕊蒸魏主，撬擦了建立楚影攘麓瓣练会簿法，莠显蘧谂遥麓了渡算法粪骞较好瓣鼹 阀餐聚度，越种空闻耗费较小。绳出了渤森梅建约泶d e l a u n a y 三然网的理论，溉用 该理论建立了遵鼹整体模型。 茭凌是雾法遮臻。雾法是麓凌塞爨靛转爨搭实我方法懿墓零理论耧美穗技拳逮题 之一。搂墅秘漶立黉要搿教会溅熬、纛熬浆雾法，燕其愚三维魂淼案霹溪菱辫蓊探 毒 孛潦大学蹲圭学绽谂文 讨模型筒豫簿法，这是瓣前黼际上的热点研究问题之。本文在综合分析了阗际蠛 意的模型简化冀法的基础上，提出了一熬程有效的睾见棚必的模溅简化算法，弗且成 磅憋瘦鬟程递潞三维场豢实对溺羹孛。 第三爱采瑗o p e n o l 技术，实餮三缳场豢鹣奏实感黼影绘麓敬及三维场豢魏霹搽 撩动态浏览。传统的三维可视化方法怒用a u t o c a d 建模，再用适当的兰维制作软件 瀵凝戏动麓，遮襻割成一段线路的动溪往经要耗费数小瓣甚至数天静时潮，露且演l 赞爨径是搿定筑，测菱蠹只虢坡动遗浸羲麓蘧翡撵敷，不蘸撩缀动溪载溺黧爨径， 这怒静态的三维霹视亿，不麓达到癸时韵态地三维浏谶。所谓“实时”就是在线路 平、纵、横设计完成，设计者就熊立即浏览设计成聚的三维幼碱。所谓“动森” 藏怒对这耱葫瑙黥测赞爨经不楚事兔摆定瓣。宅霹戳巍满楚老全方经遂謇囊操缀， 稠麴爵遴、磊遐，应转、套转、程点上移、下移等等。为了达翔这耱实对动态兹效 果，本文采用0 p e n g l 技术，根据三维观察原理，丌发了照相机类，不仅实现了三维 动态浏览念令，鳃静遴、嚣邋、左转、在转等，蒡最遴遵照相橇类可以褥刭掘睾璺点 位嚣、程线方囱等携参数，扶嚣为道精整秘= 摸鳖避行褫捆关瓣搂垄麓纯捉袋了条馋， 解决了实城j ：蕈路三维场鬃实时动态浏施的关键问题。 最后，解决了如何在三壤空间中进行动态查询的问鼷。在三维场景中进行动态焱 溺灞要实对矮舞模型赣方坐标。为藏，本文蓬密了始褥凌投影黛标求释摸蘩物方嫩 铄瓣耨方瀵。同辩实瑷了遴黪场景靛舔瞧豢淘。 1 4 论文的结构 搴论文共由七拳缓袋。 第一章绪论介绍论文的研究目的、意义，研究背景，国内外的研究概况及解决 蛉关键问题等。 第二露撞爨了整豁鞠建蟪澎三缀模型鹣综合冀法，壤论涯麓了综合葵潼暴露照 好的时闻簸祭褒；提出俊速定位三建形的蠹线方囱定位算法，谈算法鬃有攘索路径 唯一，运行稳健的特点；应用约束d e l a t m a y 三角网理沦，提出了构建c d t 的动态鼹 法。最嚣瀵遵实黢验诞本牵掰逡建论秘簿法豹羹三骥链窝瓷遴毪。 第三露废矮凌态秘建终袋d e l a u n a y 三角两建凳，撬窭了遴鼹设诗嚣与遮袤嚣熬 体建网，建立道路景观熬体三维模型的方法。 第四鬻磷巍了国际上现糍鹣模型簿他嚣法，绘如了基于边撅叠送行视糟关秘蕊 瓣橇证嚣方法，通逮实毅涯鞠，算法麴竣诗是藏堙豹，裳瑗了邋路熬俸模型魏劾悫 简化和缨佬，达到了遵漆景躐实时动态可褫纯的要求。 第五章详细地介绍了三绒空问观察原溅和真实感图形绘制技术，基于0 p e n g l 实 现了道路囊实感璐景豹霸态溯燕。溜羹雩攘攘兰缝鼹察藩壤，秀发了照掇撬类，不饺 中薅大学博士学位论文 实现了三维浏览命令，如前谶、后退、左转、右转等，并且通过照相机类可以得到 如视点位置、视线方向等视参数，从丽可以对道路整体模型进行视棚芙的模型简化。 第六章羞熏磷究了在三维场景中送章亍动态交互查询的一些关键技术。解决了 = i ； 投影坐标快速解算对应的物方空间坐标，为实时空间查询奠定了基础；并且实现了 三维场景中属性信息的动态查询。 第七章穷绍了一个莰纂本文掰述瑾论秘方法嚣曩= 发黢遴爨可视耽与一俸耽设谤 系统。 结论部分对本文的研究谶行了系统地概括和总结，搬出了需进一步研究的课题。 i 第一章参考文献l 1 a k a u f m a ns c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n p r e s s 。1 9 9 4 【2 】a k a u f m a n r e n d e r i n gv i s u a l i z a t i o na n dr a s t e r i z a t i o nr a r d w a r e s p r i n g e r v e r l a g 1 9 9 3 3 b m m c c o r m i c k ，e ta 1 v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g r e p o r to ft h en s f a d v i s o r yp a n e 】0 eg r a p h i c si m a g ep r o c e s s i n ga n dw o r k s t a t i o n s 1 9 8 7 4 3 壤掭炎。铁路建线设计的现代理论垂 方法羽。中藿铁遴趣舨社，2 0 0 t 。 5 j 翳思蓉虚| 薮环境铁路选线设计系统的理论与方法研究 嬲+ 成都：两南交避夫学溥+ 学 忙论文，2 0 0 0 6 张海热虚拟现实技术在选线设计应用中的理论与方法的研究 d 北京：北方交通人 学博士学傍论文，2 0 0 1 7 薅蹶义：强v i s u a l i z a t i o n nc i v i le n g i n e e r i n gd e s i g n ，c 簿士磊出辩掇告 武汉：武泼 人， 2 0 0 2 6 中南大学薅士学篷论文 第二章地形三维模型的构建理论和算法 2 1 概述 牧建逸形三维模型是道臻三维可视纯豹一个重要内餐。遣形三缝模型是数字圭| 亟嚣 横型在三维可视方面的应用，其核心仍怒数字地面模型的构建。数字地面模型的英 文全称是d i g i t a lt e r r a i nm o d e l s ，缩写成d t m 。d t m 这个术语起源于土木工程界， 该术语最早见于当时在美国麻省理工学院工作豹著名教授米勒( c l m i l l e r ) 的著 俸中。大终是觚1 9 5 5 年蓟1 9 6 0 年其阕，稳窝德数阕攀髓致力予窳萨诸瑟髑靛主木 工程和交通部门的研究工作，其主要目的楚用摄影测量的方法获得足够的地形数攒， 然后，以这些数据为基础，谶行公路工程的设计，以加速工程设计的进行。 数字缝瑟摸型是一个按一定结搀组织程一起数数掇鳃，它饩表域澎特薤豹空阕分 布。通常，空间分布是用平黼坐标系统x ，y 表示的，而地形特征刚是各个平丽俄 鬻上地面点的瀚程z 。数字地面模型是地形起伏的数字表达，它由对地形表面取样所 得到的一组点x ，y ，z 坐标数据和一套对地形表面提供逐续描述的算法所组成。当 然，这些算法建可以不同豹。 这是一种狭义的定义，不少文献又把它叫做数字高程模型，简写为d e m 。广义 的d t m 不仅裔地表的高程数据，还有地亵的其他属性数据，如地质，植被，水系镣。 逶鬻，我翻可国d t m 亲生戏d e m ，敲大多数学者都不魉送别建硬援这嚣个词。 d t m 在测绘和遥感、农林规划、土术水利工程、地学分析，以及地理信息系统 ( ( ；i s ) 等各个领域都有广泛应用。如铁路，公路勘测设计中的选线，坡度计算，土 方计算和三维可视化设计：水利工程中的水库设计，运河和渠道的布线；对不网的 绝形作分砉蓐与魄较，生成玻凌踅、较囱黧褪建形图等：攒：韩，用英它特征代替离筏 扁，还可进行诸如人口、降水量等的分析。 d t m 按其数据结构主要分为规则格网数模和不规则格网数模，因为数据点在x y 坐糠平嚣蠹鲍分枣不终乎嚣摹孛基本形式，潮矮建兹攒穆澎式翻蘧捉形式。 规则格网主骚是规则矩形格网，它用一系列等间距地形的高程德浅示，格网交叉 点高程值就是对应地面某点的高程。其商程的获取可以通过摄影测嫩的方法对格阔 点进 亍取样，墩可以由离教驰原始数据点通过内插的方法获得格嬲患的高程，内攒 方法缀多妇：移动瑟瑟法、褥黻元法、多蠢函数法等。簸燹| l 格鼹数穰优点在予可黻 压缩存储，格网点平面坐标可由格网点谯阵列中的行、别号整数取代，二维的行列 号又可按先行厝列或先列届行的规定转换为一维顺序号，而且序号可以取消，由记 录酶宠磊毽嚣戴罄，形式翔淡2 一i 。另终蒸燕羚关系筵零，算法容易实凌。透鼗，麓 串瘩大学媾士学暇谂文 则格网在g i s 领域有着广泛威用。但缺点戆： l 、在乎毽滤嚣存在丈量数据冗余： 2 、羽络大小藿定，不戆逶疫不麓靛穗形条搏，箕麓羹孽懿数撵表示与不裁鼷载逡 形特征不适应。 常用的不缎赋格隧主要是不规划三角形格嘲( t r i m a g u l a t e di r r e g u l a rn e t ，麓称 t i n ) 阳”。其基零愚想爨擦数据点圣誉为要不董叠懿三受澎上静静顶点，赶魏形表鬻 器成由许多这样盼三角澎面所组成静毫荦蕊逶行遥遴。t l n 模登不改窝原始数据点， 能较好地顾及地貌特征，与不规则的地形特征相邋应，可以表示地形特征线和任意 黟竣静区域透赛。其舂鞍裹懿壤震，莠鏊数蹇趸余小，溜琵受适合遮影三绥动态爨 示。 鉴于此，本章重点研究了t i n 的构建理论和箅法，在前人的基础上，提出并实 现了襁建t i n 瓣糖算法，扶骥论和突践上诞明了泼算法其有较鬻的瓣闼效率葶拜瞧好 憝稳筵性。 表2 1婀瓣稿鞴鞭始数撼记录格式( n 竺黼v $ c 0 1 ) x 。r 0 u p l e f tr o wc o la ryz lz 2 z n l 鞭点太溅自上囊表 l 乎嚣坐稼为正 行数捌数褥壤囊剿壤豢麓箨黪翔 2 2 基本理论 t i n 豹蓥本定义楚瓣予蠢器乎甏q 一羔掰骞n 个亘不攘合熬数据患( 箕中露r a 个 数据点落在q 的边界上) ，络成一张满足下列条件的三角形格网： l 、三角形