（大地测量学与测量工程专业论文）基于autocad的线路可视化施工测量技术及其应用.pdf

摘要摘要三维可视化研究是地理信息系统应用研究的重要发展方向，该研究有一个共同特点，就是对现实环境进行逼真的描述和表达。即：在计算机环境下，应用计算机图形图像学的理论和方法快速生成一系列相同或相关信息的图像以便于信息处理，从而提高对二维或三维空间关系和空间问题的理解。本文研究了线路三维可视化模型，对实现该模型的关键技术进行了论述，探讨了三维可视化在线路施工测量中的应用，研究了一套从模型建立、系统输入、动态显示等三维可视化的实现方法。本文研究主要内容如下：1 根据当前数字地面模型和线路设计模型的三维可视化研究现状及发展趋势，对线路三维可视化的整体模型进行了研究，从理论上探讨了线路三维可视化的数据模型与数据结构、算法、空间分析、三维表面动态模型以及三维模型交互等内容。2 分析了线路工程施工测量实时动态控制的原理与方法，并对线路施工测量实时动态控制的具体实现进行了研究。3 开发了线路工程施工测量实时动态三维可视化控制系统。介绍了系统开发平台的选择、系统功能框架结构、开发的关键技术、主要功能的实现示例。关键词：施工测量，三维可视化，数字地面模型，线路表面模型，d e l a u n a y三角网，三角剖分，空间分析a b s t r a c ta b s t r a c tt h r e e d i m e n s i o n a lv i s u l i z a t i o nr e s e a r c hi st h ei m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o no fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m l i v e l yd e s c r i p t i o na n dt h ee x p r e s s i o nt ot h er e a l i s t i ce n v i r o n m e n tj st h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c n a m e l y ：u n d e rt h ec o m p u t e re n v i r o n m e n ta n db yu s i n gt h ec o m p u t e rg r a p h i ci m a g et h e o r ya n dm e t h o dt op r o d u c eas e r i e sc o r r e l a t i v ei m a g ef o rt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，t h u se n h a n c e su n d e r s t a n d i n gt ot h et w o d i m e n s i o n a lo rt h et h r e e d i m e n s i o n a ls p a c er e l a t i o n s t h i sa r t i c l em a k er e s e r c ho nt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fr o a da n da n a l y s i s et or e a l i z e dt h i sm o d e le s s e n t i a lt e c h n o l o g ya n dd i s c u s s e dt h r c e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o ni nt h er o a dc o n s t r u c t i o ns u r v e y , a n dp r o p o s e dt h e o r yo ft h em o d e l l i n g ，t h es y s t e mi n p u t ，t h ed y n a m i cd e m o n s t r a t i o n ，t h ei n q u i r ya n dr e a l i z a t i o nm e t h o d t h i sa r t i c l es t u d i e st h ec o n t e n tt ob em a i na sf o l l o w s ：1 b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt e n d e n c yo fv i s u a l i z a t i o n ，t h ea u t h o rm a k er e s e a r c ho nt h r e ed i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no v e r a l lm o d e l d i s c u s s et h et h t e ed i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o nd a t am o d e la n dc o n s t r u c t i o n ，t h ea l g o r i t h m ，t h es p a t i a li n q u i r ya n da n a l y s i s ，t h et h r e ed i m e n s i o n a ls u r f a c em o d e l 2 s t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no fe l e m e n t a r yt h e o r ya n dt h em e t h o do fs p e c i a la n a l y s i s e ，p r o p o s e dr e a l - t i m ed y n a m i cc o n t r o le l e m e n t a r yt h e o r ya n dt h em e t h o d ，a n dm a k er e s e a r c ho nh o wt or c a l i z ei t 3 d e v e l o p e ds y s t e mo fr e a l t i m ea n dd y n a m i cc o n t r o lo fs u r v e yi nr o a dc o n s t r u c t i o n i n t r o d u c e dt h ec h o i c eo fs y s t e mp l a t f o r m ，t h es y s t e mf u n c t i o n a lf r a m cc o n s t r u c t i o n ，t h ed e m o n s t r a t i o no fm a i nf u n c t i o n k e yw o r d ：c o n s t r u c t i o ns u r v e y , t h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n ，d j 菌gt 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 ，d e l a u n a yt r i a n g u l a rn e t ，t r i a n g u l a t i o n , s p a t i a la n a l y s i sl i学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个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或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者( 签名) ：i 吐垦。辟r 月对日j学位论文使用授权说明河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。论文作者( 签名) ：加1 年f 月坫e l第1 章绪论1 1 引言第1 章绪论随着科学技术的飞速发展，当今社会正处在一个信息爆炸的时代，人们常在茫茫的数据海洋面前显得不知所措，一时难以抓住隐藏在数据之中的本质、结构和规律。而据研究表明，人们所感受的外界信息8 0 以上来自于视觉，因此，以图形的方式观察和认识客观事物，是人类最便捷的认知方式之一。可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 技术就是在这种背景下发展起来的，它把一维、二维、三维甚至多维数据变换成易于被人接受和理解的形式图表、图像或图形，使得人们对数据有直观、准确的了解，并为人们提供了与数据进行交互的手段。有了可视化技术，人们可以利用天生的视觉功能感受和处理所有这些信息，通过加强信息的图形显示功能，大脑就有可能更多地利用感知系统，而不是完全依靠认知系统来认识和处理信息。所以，信息可视化技术具有重要的理论价值和现实意义。可视化也称科学可视化( s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ) 和科学计算可视化( v l 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 ，v i s c ) 。科学计算可视化是发达国家2 0 世纪8 0 年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域，它源于1 9 8 6 年2月在美国自然科学基金会召开的关于计算机图形学、图像处理以及不同领域的科学计算的专题会议上，专家们将可视化定义为“可视化是一种计算方法，它将符号转化成几何图形，便于研究人员观察其模拟和计算，可视化包括了图像理解与图像综合，也就是说，可视化是一个工具，用来解译输入到计算机中的图像数据和从复杂的多维数据中生成图像，它主要研究人和计算机怎样协调一致地感受、使用和传输视觉信息。”。通过运用图形学成像技术与计算机科学结合，可视化实现了把计算机中所涉及的和所产生的数字信息转变为直观的、以图像或图形信息表示的、随时问和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察到模拟和计算，看到传统意义上不可见的事物或现象：同时，还提供与模拟和计算的视觉交互手段。可视化技术广泛应用于人体医学图形图像、气象预报、油气勘探、仿真虚拟环境、地质和地球物理等工程应用领域，其作用主要包括：1 ) 为各种专业应用领域提供分析工具与手段，分析和显示大面积的、随时问变化的多维数据，并可快速地提取有意义的特征和结果，从而协同计算工具取得更好的效果。2 ) 为模拟计算和数掘分析提供视觉交互手段，使研究人员能够跟踪和交互驾河海大学硕士学位论文驭模拟和计算，提高计算的效率和质量。3 ) 将图形和计算紧密结合，有力地支持了需将视觉洞察力作为问题求解的应用领域。4 ) 为计算机所产生的数据信息提供产生和表现方法，使研究人员通过检索计算结果的图象，能够有效地进一步研究更为复杂而详细的数学模型和模拟方法，使之更加接近现实，从而为研究人员增加了获取新知识和新理解的可能性。为了达到上述目标，可视化综合利用了计算机图形学、用户界面方法学、图像处理、系统设计等领域的各种知识，并把这些被认为是独立的领域，通过可视化工具与技术把他们结合起来进行统一研究和分析。因此，可视化目前己发展成为研究用户界面、数据表示、处理算法、显示方式等一系列问题的一个综合学科，并成为人们分析自然现象、认识客观事物本质和变化规律的有力助手。线路施工测量是指线形工程( 如铁路、公路、城市道路、输电线路、渠道管道等) 建设项目施工中所进行的测量工作，本文主要指铁路和公路工程。线路施工测量的活动空间是三维的空间体地球的表面，线路施工测量所面对的大量数据是三维的空间数据平面和高程方向的坐标，因而，在线路施工测量中引入和利用可视化技术，可以通过生动、直观、形象的图形、图象等，把各种信息展示出来，方便、实时地查询、添加和修改所需的信息，从而有效地管理线路旌工测量数据方便地以交互方式管理和分析线路施工测量数据，使用户可以看到表示线路施工测量中不同的数据的多个属性或者变量，并可将其分类、排序、组合和显示，实现对其模式和相互关系进行可视化分析，正象物理学家w o l f f ( 1 9 8 8 )注意到的那样“可视化不应视为科学分析过程的终结，而是探究过程本身”，从而有效地利用这些线路旖工测量数据，而且借助于可视化技术表示某种现象的移动与变迁过程，可以使人们观察到数据处理过程中发生的现象，从而发现和增强理解数据中的隐藏的新的信息和规律性的内容。因而，实时动态可视化的过程显示、图形化的信息组织和表现形式、人机交互能力强大的可视化施工测量系统是未来线路工程施工测量的发展趋势。充分应用现代测绘科学和计算机科学的新技术，探讨工程测量的新的理论、方法和手段，开发线路工程可视化施工测量软件，有助于推动建设项目施工测量管理的科学化、信息化、智能化的发展，具有重要的理论意义和广泛的研究应用前景。1 2 研究的目的和意义近年来，我国的公路、铁路和城市道路建设事业飞速发展，在今后一段时期仍将持续稳定发展。随着线路工程施工测量仪器和技术的发展，目前，国内大多数线路勘测或施工单位的观测仪器和计算设备都有了极大的提高，p c 计算机和第1 章绪论全站仪都很普及，全站仪测量可以利用电子手簿把野外测量数据自动记录下来，通过接口设备传输到计算机，利用“人机交互”方式进行测量数据的自动数据处理和图形编辑，还可以把由微机控制的跟踪设备加到全站仪上，对一系列目标自动测量( 即所谓“测地机器人”或“电子平板”野外直接图形编辑) ，为测图和工程放样向数字化发展开辟了道路。然而，施工测量数据的管理和处理却仍停留在计算机中存储数据，或者是简单的画图等功能，这显然是不能适应线路工程建设的需要和时代的发展。目前，研究工程测量新的技术手段和信息管理的新方法，为线路工程施工测量信息管理建立一个可视化、智能化、自动化的实时动态过程控制系统，以便为建设项目的管理提供强有力的分析工具，为决策分析提供迅速的信息支持，有着广泛的应用背景和需求，因而，研究工程测量可视化具有重要的现实意义。1 ) 线路施工测量可视化将推动施工测设自动化、一体化施工测量是集专业性、决策性和实践性为一体的问题，计算机辅助数据管理和数据可视化问题己成为实现建设项目管理科学化、信息化、智能化的必然要求。人在三维空间中具有很强的形象思维能力，计算机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可视化的直接对象就可借助人的智能来快速准确地理解这些数据，以便有效地为决策和工程建设服务。2 ) 线路施工测量人员需要形象直观的管理工具可视化技术的基本思想是“用图形与图像来表示数据”。随着计算机技术的快速发展，由种类繁多的数据源产生大量的数据，远远超出人脑分析解释这些数据的能力。作为解释庞大数据有效手段的可视化技术应用于线路工程测量，将计算机的快速计算功能与计算机图像、图形功能融为一体，这必将从根本上改变重复无味的工程测量工作方式。3 ) 可视化将成为线路施工测量人员与管理者、其他专业技术人员交流的桥梁可视化技术还有助于专业鸿沟的跨越。线路施工测量是一项涉及面较广的综合性工作，线路施工测量工作要配合工程建设管理、监督人员和施工技术人员等，因而准确、及时展示和提供施工测量成果，可视化为各个专业的配合协作提供了更加方便直观的工具。4 ) 为工程测量监理信息化提供了平台信息化监理是为了对工程测量的人力资源、范围、过程、质量、进程等情况随时进行全方位可视化监控管理，以把各类风险尽可能减少到最小。而在以往的工程测量监理中，由于缺少有效的管理和沟通的桥梁和工具，经常会导致甲、乙、丙三方信息失真，沟通困难。利用可视化软件工程测量监理平台，可以让业务流程和信息清晰可见，则能给三方提供一个实时的信息交互平台，从而大幅度提高工程测量管理的效率。河海大学硕士学位论文5 ) 真正实现群体决策和群体可视化所谓群体可视化，是指群体决策的一种手段。随着社会的发展，许多问题的解决往往不是个或几个人能够决策的，有时需要十几个甚至几十个相关人员参与决策。信息可视化技术为他们提供了一种功能强大的理想可视化的环境，使群体决策高效而正确。如一个工程要涉及多个领域和部门，任何一个单一部门都无法作出正确决策，而是需要群体决策，信息可视化系统为之提供理想的群体可视化环境，从而提高决策效率和正确性。1 3 研究现状从2 0 世纪9 0 年代，随着计算机软硬件的开发和我国社会经济的高速发展，工程测量信息管理系统陆续在某些领域研制成功并取得显著的经济和社会效益。中国矿业大学张书毕、杜培军等，徐州矿务集团张连贵等，东北大学张锦等等研究了应用于矿山地质的“矿山测量信息管理系统“7 ”o 7 。河海大学岳建平、刘军等研究了“大型桥梁施工测量信息管理系统“”。广卅i 市城市规划勘测设计研究院杜炳周、王红新等研究了“广州市建设工程测量信息管理系统“”h 。线路工程测量信息管理可视化系统也取得了相关的研究成果。武汉测绘科技大学和铁道部第二工程局联合开发的“铁路工程施工测量自动化处理系统( 简称t c a s 系统) “”，t c a s 系统包括野外处理系统t c a s h c 及室内处理系统t c a s p c 。野外处理系统t c a s h c 用于在掌上电脑( 电子手簿) 上做野外控制、碎部测量的数据采集、外业检核、放样、小型控制网平差处理、线路桥梁资料计算等工作；室内处理系统t c a s p c 用于在w i n 9 x 微机上将野外采集的测量数据作过滤、转换后做平差处理、粗差探测、数据分析、网图显绘和生成成果报表等工作。该系统1 9 9 8 年1 0 月通过铁道部鉴定，1 9 9 9 年1 月开始在铁路系统推广应用，2 0 0 0年1 月向全国测绘行业推广，已广泛用于铁路、公路、水利水电、市政工程等行业，如内昆铁路黄莲坡隧道( 长5 3 0 6 m ) 、秦沈客运专线月牙河特大桥( 长1 0 1 8 8 m ) 、京珠高速公路府伦河特大桥( 长5 9 4 8 m ) 、广州地铁等主要重点工程，取得了很好的效果。河海大学土木工程学院潘松庆等1 9 9 8 年研制的“高速公路施工测量数据库系统“”，系统实现了施工测量相关的资料的输入、添加、删除和更新：施工测量的数据处理，包括测量控制网三维坐标复测的平差计算，各种路基设计桩位的复核，各种中桩、边桩桩位和构筑物特征点坐标及相应的放样元素的计算以及有关工程量的计算和土地面积计算；施工监测数据的管理和沉降、位移的初步分析与图形输出；对各种设计、放样、监测等数据，可以按多种要素( 诸如桩号范围、构筑物编号、监测日期等) 进行查询检索；打印输出各种测量成果、设计资料、放样元素及沉降、位移、工程计量、土地征用等数据的报表。系统在深汕第1 章绪论高速公路的某标段施工中取得了良好的效果。随着计算机图形学和a u t o c a d 等图形软件的发展，线路施工测量从单纯的数据存储和管理、数据分析和成果图表生成发展为集地形处理、工程量分析计算、图形显示、人机交互的完整的计算机辅助决策和管理系统。在此时期，随着现代勘测技术的迅速发展和测量仪器的现代化，空间信息科学技术得到深入研究，数字地面模型在广泛领域应用。2 0 世纪9 0 年代末期，同济大学龚德俊等研制的“高等级公路路基施工放样与控制的可视化系统“”，将三维可视化技术引入到线路工程测量的过程控制。该系统是基于w i n d o w s 9 5 n t 和a u t o c a d 的用于管理道路施工放样与控制的计算机可视化辅助系统，将面向对象的模型、组件对象模型；地面数据采集与数据通讯、工程数据库：系统的三维可视化、实时性、高交互性等先进技术在公路施工测量中，是线路施工测量可视化研究的新成果。系统实现了对高等级公路路基施工过程中有关的图形表现与绘制，任意点的坐标放样及任意时刻的施工进度与控制。系统通过数据库建立地形表面模型库并显示三维地表；跟踪显示全站仪实测的横断面地面线以及测点所在位置；根据实测的中桩地面高程、地面线、标准横断面数据及平面设计计算得到的设计现场实施横断面戴帽，计算出坡顶或坡脚的所在地坐标，并反馈给全站仪以决定道路用地范围；在任意站点检测道路上任意点的施工情况，并以图形的方式表现以供检查。由长沙交通学院开发的集路线工程勘测、施工、监理辅助系统r o s e 2 0 0 0 系统“，通过可视化的输入界面一次性地录入平面、纵断面、横断面、控制点等设计资料，系统自动建立待建公路的三维空间模型，并提供了测量数据的辅助管理和可视化显示功能，为土石方计量、竣工资料整理等提供了最准确的信息。其功能特点有：通过p o c k e tp c 与全站仪建立连接，控制并指挥全站仪执行测量任务，并自动记录反馈的测量数据；自动计算出任意中桩和中桩外定偏距定角度点的坐标、高程等测量控制信息；通过将反馈的测量数据与道路的三维模型进行比较，自动计算出相应的测量控制信息，并以图文并茂的方式予以呈现：系统提供全面的测量放样功能，包括：自动建站、中桩放样、边桩放样、横断面测量、施工控制测量、结构物放样、清淤测量等；能自动进行土石方等工程量计算，自动绘制工程图表，根据需要采用不同的表格形式，并自动生成各种测量数据报表以满足工程中的各种需要。由中交第一公路勘察设计研究院开发的纬地三维道路c a d 系统( h i n t c a d ) “”也具有三维数字地面建模、图表自动绘制输出、公路全三维建模( 3 d r o a d ) 并直接获得准确的纵、横断地面线数据，进而进行平、纵、横系统化设计等功能。国家“九五”重点攻关项目“g p s 、航测遥感、c a d 集成技术开发”系列成果之一的公路数字地面模型系统b i d l a n d “”可以接受多种不同类型的地形数据并将特征线作为三角形的边，引入特征线作为约束条件，构建带约束条件的d e l a u n a y 三角网。在数据管理机制、模型生成算法等方面，将参与建模的数据分片读入，整体建模。系统提供了一系列工具在模型建立前对数据进行批量的河海大学硕士学位论文检查和修改较正，或对一些比较明显的错误进行发现和过滤。b i d - l a n d 提供了等高线跟踪功能和等高线与特征线显示功能，用户可以将生成的等高线与原始等高线对照。b i d l a n d 提供了灰度晕渲、线框透视和景观模型三种透视形式，对模型进行可从不同的方位、视角、距离和不同方位、角度、距离的光源对模型进行观察检查，可以最直观地检查有无错误点的存在。b i d l a n d 可以实现多模型的融合与叠加，叠加时可保持设计模型不变，修改原始地表模型，获得综合模型。系统模型建立并修改后，就可以完成许多工程应用，如高程插值、点查询得出任意点在平面位置的x 、y 坐标和高程z ，该点所处三角形三个顶点的平面坐标、高程、三角形属性及点所处三角形的底面积、表面积、坡度和坡向都可以很快查询出来；面积计算、体积计算一在对话框中确定体积的地表模型及设计模型或某一高程面后，系统将根据体积计算的边界范围分别计算出填方数量、挖方数量、填挖之差；内插等高线一直接在建立的不规则三角网中进行等高线的追踪，也可以在建立的t i n 基础上进行格网化，然后对格网模型进行等高线的追踪及计算。系统还提供了在图形图象显示区内，以灰度晕渲、线框透视、景观透视等不同方式进行的三维显示的功能，可以和地表影象进行叠加，生成具有真实地表景观的立体三维模型，并可进行全方位的透视和浏览。针对道路施工中的种种问题，国外也有成熟的软件系统。如德国的c a r d 1系统。、英国的m x r o a d ( 前为m o s s 系统) 和g e o p a k 系统，其施工测量的功能己相当完善。c a r d i 系统是德国b a s e d o w & t o r n o w 公司开发的专门适用于道路施工测量和设计的软件包，在使用该系统时，从测量和数据采集，经数据的传输和处理、中线设计、纵断面和横断面设计、土石方计算，直到成果制图，都可以随时高效地完成。m x r o a d 系统地面数据采集手段齐全，人机交互功能强大、分析和计算方法多样，且具有对几何形体的图形显示与表达的高度灵活性，广泛的应用于地形的三维显示、土石方填挖体积和运距计算、测量资料的处理等工程应用领域；美国b e n t l e y 公司的g e o p a ks u r v e y 也提供了专业的测量数据的管理，土方工程，测量数据汇总管理，路面、过道的设计，分析和方案和施工模拟模型。这些庞大的系统都是基于数字地面模型，功能繁多，使用复杂，且标准及习惯与我国也有较大的差别，因而难以在国内的施工单位推广。国内线路施工测量系统在内容上的重点或着重于施工测量数据库系统的建立，或数据库中图形数据和属性数据的一体化显示；或偏重于测量数据的采集、处理，属于数据离线处理、计算；测量数据用过程线或等值线等二维图形、图表的形式反映出来，不仅缺乏三维的直观效果，也不能体现各观测量的时空动态变化及其内在联系。更重要的是系统并非真正意义上的过程控制，属于事前或事后处理，线路施工测量过程控制的操作平台建立在三维可视化地形模型上的互操作性不强。因而，着眼于线路工程的建设的过程管理和实时动态控制，探讨线路施工测量需要的三维可视化实时动态控制的理论和方法，开发相关的专业软件具有重要的现实意义和实用价值。第1 章绪论1 4 研究的主要内容及技术路线线路可视化施工测量系统涉及和应用到三维地理信息系统理论、大地测量学和工程测量学、软件工程和系统工程理论、计算机图形学、计算几何等较多的理论、方法和技术，本论文围绕以下内容进行研究：1 ) 探讨三维可视化线路建模理论和方法。在利用计算机对客观事务进行分析和研究时，需要建立相应的模型来表达实际的或抽象的对象或现象，这个过程称为建模。模型是客观事务的空间图形图像表示，它描述对象的结构、属性、变化规律或各个组成部分之间的关系。线路三维可视化模型是数字地面模型和道路设计面模型的组合，因而其涉及到数字地面模型和设计面模型的数据结构、插值分析以及建立模型的具体算法，最终建立线路的整体模型的无缝拼接等问题。论文在分析约束d e l a u n a y 三角剖分基础上，探讨建立线路整体模型的步骤和思路，并应用该理论建立可视化线路模型。2 ) 在线路可视化模型的基础上，研究实现线路工程施工测量实时动态控制的理论和方法。在分析线路设计数据之闯的空间几何关系的基础上研究任意施工测量点在线路三维空间体中和线路中桩、坡角点、边桩的几何关系，其设计高程和地面高程差值的计算，以及在过陔点的横断面上显示上述数据和关系，研究线路施工测量实时动态控制的原理和作业流程，并应用空间分析的理论探讨实现线路实时动态的数据结构设计、坐标数据计算、断面和坐标点搜索、空间距离计算、线段是否相交判断、地面线和断面线绘制等具体方法。3 ) 应用本文探讨和研究的理论开发了线路工程施工测量实时动态三维可视化控制系统。基于w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统和以a u t o c a d 2 0 0 0 为开发平台，以v is u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ( 简称v b a ) 为开发工具，开发线路施工测量实时动态三维可视化系统。分析系统开发工具的选择、运行环境、系统的总体结构及结构框图、系统的开发关键技术、系统的界面和功能模块设计等，最后应用某线路的实际数据测试和验证了系统的各个功能模块。1 5 论文的结构本论文共由五章组成。第一章主要介绍论文的研究目的、意义，研究背景，国内外的研究概况及研究的主要内容和技术线路等。第二章主要讨论线路三维可视化建模的总体思路。研究建立三维可视化数字高程模型和道路设计面模型的理论：研究数字高程模型和设计面模型的组合，解河海大学硕士学位论文决线路整体三维建模。第三章主要分析基本几何关系的计算方法和公式，研究在三维空间体内实现线路施工测量实时动态控制的原理和方法。第四章应用上述理论和方法，研究开发线路施工测量实时动态控制系统，介绍了系统开发的相关技术和功能。第五章归纳总结本文理论研究和系统开发的主要成果和需要继续深入研究的问题，并展望该课题的研究发展方向。第2 章三维可视化线路建模第2 章三维可视化线路建模线路工程施工测量的活动空间是三维的空间体，描述三维空间体的数据是三维空间数据，它具有时间性、空间性和不确定性等空间属性。所谓空间属性指的是空间位置的识别和数据相联系，具有区域性，并且涉及到空间位置、形状、大小等几何特征以及相邻物体问的拓扑关系。因而，三维空间数据比较复杂，不能用具体的尺度来度量，但仍然具有其内在的规定性，三维空间数据模型就是确定的和明确的表述三维空间实体或对象的方法，它是对被处理的对象进行设计、分析、模拟和研究的基础。因而，研究三维可视化线路模型是研究线路工程可视化施工测量理论与方法的基础。线路模型由数字地面模型和线路设计面模型两部分组合的整体模型，数字地面模型主要是通过航测、地面测量或者既有地形图数字化等手段获取的离散的原始地形数据建立的模型，而线路设计面模型是利用线路设计成果，包括线路的平面、纵断面、横断面的设计数据建立的模型。在实际工作中，为了简化，线路三维可视化建模只是简单地表示为路面及边坡与地面数字模型之间的匹配和组合。在二维平、纵、横设计的基础上建立线路与地面的整体三维模型是实现线路三维可视化的技术关键和难点，国内在这方面开展了大量研究“1 。可以总结得出线路整体建模的一般思路是：首先利用已有的地形数据，建立带状数字地面模型；然后根据路线平面、纵断面和横断面设计，建立路面模型、边坡模型等线路设计面模型；最后将线路设计面模型与地表数字地面模型进行组合叠加建立两者的整体模型，最后得到三维可视化的线路整体模型。2 1d t m 的主要表示模型1 9 5 6 年，美国麻省理工学院摄影测量实验室主任米勒( c lm i l l e r ) 教授在解决线路设计的同时，提出了概念“d i g t a lt e r r a i nm o d e l s ”。，即“数字地面模型( d t m ) ”，意指以数字形式存储的地球表面上所有信息的总和，是描述地面诸特征空间分布数值的集合，是地形表面形态等多种信息的一种数字表示。数字高程模型( d e m ) 被定义为以数字形式存储的表示物体位置高程值的集合，是表示区域d 上地形的三维向量的有限序列： ( x 。y 。z ，) ，i = l ，2 ，n ) ，其中( ( x 。，y ) d ) 是平面坐标，z ，是( x 。y ) 对应的高程。需要特别说明的是，通常可以由d t m 生成d e m ，故大多数学者都不加区别的使用这两个名称，本文使用数字地面模型的名称。9河海大学硕士学位论文数字地面模型主要有基于点、规则格网、不规则三角网、等高线以及规则格网和不规则三角网混合的表面建模方法。在实际应用中，由于基于点的建模不连续而不实用，混合模型往往也转换为三角网，因而，规则格网、不规则三角网和等高线模型是数字地面模型的主要表示模型。2 1 1 规则格网( g r i d ) d t m规则格网通常是正方形、矩形、三角网等规则网格。它的构建可以直接从离散采样点数据插值得到，也可以通过不规则三角网( t i n ) 数据内插得到。规则网格将区域空间划分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组，每个格网单元或数组的一个元素对应一个高程值z 。图2 1 所示为一规则矩阵格网的数据结构o ”。9 l7 88 35 05 36 34 45 54 32 59 48 16 45 15 76 25 06 05 03 5_ _ 1 0 0剁6 65 56 口鞯5 46 55 74 21 0 38 46 65 67 27 l5 87 46 54 79 68 26 66 38 07 86 08 47 24 99 l7 96 66 68 09 06 28 67 75 68 67 86 86 97 47 s7 09 38 25 丫8 07 57 37 26 87 59 61 0 08 15 67 46 76 97 46 26 68 38 87 35 37 05 66 27 45 75 87 17 46 34 5图2 一l 规则格网数据结构图2 2 规则格网数字地面模型矩阵网格的任意点p ，。的平面坐标可根据该点在d t m 中的行列号j 、i 及存放在该d t m 文件头部的基本信息推算出来。这些基本信息应包括d t m 起始点( 一般为左下角) 坐标x 。、y 。，d t m 网格在x 方向与y 方向的间隔d ，、d 。及d t m 的行列数n 。、n 。等。点p ，的平面坐标( x i ，y ) 为：x j 2 x o + i2 d 。( i 2 0 山，n ，一1 ) 1，。1 、v ；= y o + i + d y ( i = o ，l ，n ，一1 ) juu对于每个格网的z i 数值有两种不同的解释：第一种是格网栅格观点，认为该格网单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是同一的高度。第二种是点栅格观点，认为该网格单元的数值是网格中心点的高程或该网格单元的平均高程值，这样就需要用一种插值方法来计算任何不是网格中心的数据点的高程值，使用周围4 个中心点的高程值，采用线性插值、多项式插值、距离加权平均法、样条函数法和克里金法等插值方法。图2 2 为规则格网建立的数字地面模型。矩阵网格d t m 优点是拓扑关系简单，存储量较小，算法容易实现，很容易地用计算机进行处理和计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为d t m 最广泛使用的格式；其缺点是：地形简单的区域存在大量冗余数据；精度不高且不协调的不规则地面特征与规则的数据表示方法使其不能准确地表第2 章三维可视化线路建模示地形的结构和地形的细部如山峰、洼坑、山脊、山谷等。2 1 2 不规则| 二- - 角网( t i n ) d t m不规则三角网( t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k ，t i n ) 是根据有限个不规则分布的数据点将区域按一定的规则划分而成的相连的、连续的三角网组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点或称结点的密度和位置，区域中任意点的高程可由顶点高程或通过线形插值的方法得到，所以t i n 是一个三维空间的分段线形模型。t i n 数据结构包括三个结点和两个三角形；数据则由结点列表、指针列表和三角形列表三组记录组成”，如图2 3 所示。图2 3 不规则三角网模型t i n 的数据存储不仅要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。有许多种表达t i n 拓扑结构的存储方式，常用的t i n 存储结构有以下三种形式。9 ：直接表示网点邻接关系；直接表示三角形及邻接关系；混合表示网点及三角形邻接关系。( 1 ) 直接表示网点邻接关系的结构这种数据结构由网点坐标与高程值表及网点邻接的指针链构成。网点邻接的指针链是用每点所有邻接点的编号按顺时针( 或逆时针) 方向顺序存储构成。如表2 3 中的三角网中的l 号点有3 个邻接点2 ，3 ，4 ，结果如表2 1 所示。这种数据结构的最大特点是存储量小，编辑方便。但是三角形及邻接关系都需要实时再生成，且计算量较大，不便于t i n 的快速检索与显示。表2 一l 直接表示网点与邻接关系数据点表邻接指针表第一个邻接点号xyz地址点号点地址指针1x 1y 1z 1l122x 2y 2z 24233x 3y 3z 37344x 4y 4z 41 2435l7x 7y 7z 72 4河海大学硕士学位论文( 2 ) 直接表示三角形及邻接关系的结构这种数据结构由网点坐标与高程、三角形及其邻接三角形等三个数表构成，每个三角形都作为数据记录直接存储，并用指向三个网点的编号定义之。三角形中三边相邻接的三角形也作为数据记录直接存储，并用指向相应三角形的编号来表示，如表2 2 所示。这种数据结构最大特点是检索网点拓扑关系效率高，便于等高线快速插绘、t i n 快速显示与局部结构分析。其不足之处是需要的存储量较大，且编辑也不方便。表2 2 直接表示三角形与邻接关系数据点表三角形表三角形邻接表点号xyzlx ly 1z 12x 2y 2z 23x 3y 3z 34x 4y 4z 47x 7y 7z 7顶顶顶编号点1点2点3a123b235c134d356f467编号l23abcbadcaedbefe( 3 ) 混合表示网点及三角形邻接关系的结构这种数据结构是在直接表示网点邻接关系的结构的基础上，再增加了一个三角形表，其存储量与直接表示三角形及邻接关系的结构，但编辑与快速检索都较方便。表2 3 混合表示网点、三角形邻接关系数据点表邻接指针表三角形表点第一个邻xy2接点地址地址点号号指针lx iy 1z 11122x 2 y 2z 24233x 3 y 3z 37344x 4y 4z 41 243517x 7 y 7z 72 4编顶顶顶号点i点2 点3al23b235c134d356f467不规则三角网通常采用d e l a u n a y 三角割分法建立。d e l a u n a y 三角剖分能保证所建立的t i n 三角网具有唯一性；且能最大限度的避免产生狭长的三角形；不规则三角网的数据点是随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和位置，因第2 章三维可视化线路建模而它能够避免地形平坦时的数据冗余；且模型数据量和运算量较小。2 1 3 等高线d t m等高线也是数字地面模型的一种表达形式。用一系列的水平面去切割地面，得到与地面的交线，将这些交线投影到水平面，用这些投影线及其高程值来表达地貌形态。等高线d t m 有二维和三维的表示方法，二维的d t m 是地图学最常用的方法，然而，二维等高线的描述形式很不直观，还要通过人脑进行三维地貌重建的过程；三维等高线是等高线三维可视化的主要表示模型。图2 4 为三维等高线d t m 模型。，图2 4 等高线模型常用的等高线通常被存储为一个有序的坐标点对序列，是一条带有高程属性的简单多边形或多边形弧段，其存储结构有两种形式：链条数据结构和等高线的拓扑结构。1 ) 链条数据结构链条数据结构是简单的矢量数据结构，没有拓扑关系，主要用于矢量数据的显示、输出及一般查询和检索。它是由等高线序号、等高线高程、特征点数、特征点坐标串组成的数据序列。其中等高线序号是一条等高线的标识码；等高线高程标明等高线的链的高程；特征点数说明构成该链的坐标对的个数；特征点坐标串是构成链的矢量坐标。2 ) 拓扑数据结构地图上等高线之间也存在拓扑关系，可以利用拓扑邻近关系建立等高线树，将等高线之间的区域表示成图的节点，用边表示等高线本身。此方法满足等高线闭合或与边界闭合、等高线互不相交两条拓扑约束，这类图可以改造成一种无圈的自由树。图2 - 5 ( a ) ( b ) 为一个等高线图和它相应的自由树。，j ? j ! 声誉舀( a ) 等高线( b ) 自由树图2 5 等高线和相应的自由树河海大学硕士学位论文2 2d t m 的生成算法研究由于数字地面模型中的等高线模型主要由t i n 内插得到，规则格网可以由离散数据或t i n 内插得到，因而t i n 是等高线模型和规则格网模型生成的基础，t i n的生成算法对于建立三维可视化数字地面模型具有重要的意义和作用。以下主要研究t i n 生成算法中的d e l a u n a y 三角剖分的算法，并探讨t i n 内插生成规则格网模型和等高线模型的算法。2 2 1t i n 的d e l a u n a y 三角剖分d e l a u n a y 三角剖分是t i n 生成的基础，可以表述为：给定一组空间散乱高程点集p ，= x 。，y 。，z 。) ( i = l ，2 ，n ) ，首先在x o y 平面域对其投影点( x 。，y 。) 进行d e l a u n a y 三角剖分，形成覆盖整个地表的无缝联接的三角形，然后在此三角域上构造插值曲面给d e l a u n a y 三角形中节点赋予高程值。( 1 ) d e l a u n a y 三角形产生的基本准则d e l a u n a y 三角形是v o r o n o i 图的对偶图。v o r o n o i 图( 简称v 图) 又叫泰森多边形( t h i e s s o np o l y g o n ) 或d i r i c h l e t 铺盖( t e s s e l a t i o n ) ，它由一组连续多边形组成，多边形的边界是由连接两邻点线段的垂直平分线组成。d e l a u n a y 三角形是由与相邻v o r o n o i 多边形共享一条边的相关点连接而成的三角形，三角形的外接圆圆心是与三角形相关的v o r o n o i 多边形的一个顶点。如图2 6 所示。图2 - 6d e l a u n a y 三角网与v o r o n o i 图d e l a u n a y 三角形产生的准则是。”：任何一个d e l a u n a y 三角形的外接圆的内部不能包含其它任何点。“；最大化最小角原则：每两个相邻的三角形构成的凸四边形的对角线，在相互交换后，六个内角的最小角不再增大：局部优化过程l o p ( l o c a lo p t i m i z a t i o np r o c e d u r e ) 方法。”。( 2 ) d e l a u n a y 三角剖分算法分类对于给定的初始点集，d e l a y n a y 三角网有以下特性”：其d e l a y n a y 三角网是唯一的；三角网的外边界构成了点集p 的凸多边形“外壳”；没有任何点在三角形的外接圆内，即：具有最大最小内角( 各三角形的最小内角和为最大，即满足所谓的最大最小角原则( m a x - m ir la n g l ec r i t e r i o n ) ) 。以及平均形态比最大4第2 章三维可视化线路建模( 一个三角形内切圆与外接圆的面积比称作它的形态比。6 1 ) 的性质。一般可以将生成1 ) e l a u n a y 三角形的算法分为三类：1 ) 分治算法分治算法。3 ”首先将数据排序，分成两个互不相交的子集，在每一子集建立三角网后i 将两个三角网合并以生成d e l a u n a y 最终的三角网。其基本步骤是：把点集v 以横坐标为主