（地图制图学与地理信息工程专业论文）道路三维可视化研究.pdf

辽宁- 【程技术大学硕十学 奇论文 捅璺 道路地形三维可视化可以将道路设计资料与地形结合起来，生成 道路与地形三维场景，虚拟建成后的道路地形景观，对提高设计质量 有重要帮助。本文着重研究了道路与地形整体模型的建立、道路真实 感场景的生成及动态漫游等问题。 针对道路设计中成果可视化、分析应用和专题信息管理的需要， 本文在对已有三维空间数据模型进行分析的基础上，设计出适用于道 路设计应用的三维可视化道路景观模型。综合应用计算机图形学、计 算几何及几何造型学、科学计算可视化、虚拟现实、计算机动画等理 论和技术，针对现代路线计算机辅助设计系统中的数字地面模型、路 线交互设计、路线三维实体造型、真实感图形绘制及路线三维场景的 实时动态显示等关键技术进行了细致的研究，研究了大范围三维道路 景观模型的建模技术，为三维景观模型在道路勘测设计中的应用提供 了一条新的实用的技术途径。 关键词：三维可视化；数字地面模型；道路三维模型；d e l a u n a y 三角 网：三维建模 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev i s u a l i z a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lr o a da n dt e r r a i ns u r f h c ec a n c o m b i n et h ed e s i g nm a t e r i a l so fr o a da n dt e r r a i nt o g e t h e r ，a sc a np r o d u c et h e r o a da n dt e r r a i n3 ds c e n e t h i sc a nh e l pt oi m p r 0 v er o a dd e s i g nq u a l i t y t h i s p a p e rs t u d i e 8 s o m et e c h n o l o g i e s ， s u c ha s s e t t i n gu pt h er o a da n dt e r r a i n i n t e g r a t e dm o d e l ，r o a d3 ds c e n e ，e t c a f t e rr e v i e w i n gt h ee x i s t i n g3 ds p a t i a ld a t am o d e l ，t h em o d e l i n gm e t h o do f 3 dr o a dl a n d s c a p ei si n t r o d u c e df o f3 dv i s u a l i z a t i o n ，a n a l y t i c a la n a l y s i sa n d t h e m a t i ci n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to fal a r g e s c a l ea r e a t h i st h e s i sa p p l i e d s y n t h e t i c a l l y t h o s e t h e o r i e sa n d t e c h n o l o g i e s o f c o m p u t e rg r a p h i c s ， c o m p u t a t i o n a lg e o m e t r y a n dg e o m e t r i c a l m o d e l i n g ， s c i e n t i f i c c o m p u t a t i o n v i s u a l i z a t i o n ，i n t e r a c t i v e ，v i r t u a lr e a l i t y ，c o m p u t e ra n i m a t i o ne t c ，t or e s e a r c h t h o r o u g h l ya n dc a r e f u l l y o ns e v e r a lc f i t i c a lt e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra i d e d a l i g n m e n td e s i g n ， s u c ha sd i g “a lt e r r a i nm o d e l ，i n t e r a c t i v ea l i g n m e n t ，3 d m o d e l i n go ff o u t ee n t i t y s h o w i n gf e a l i s t i ci m a g ea n dd y n a m i ca n dr e a lt i m e d i s p l a yo f3 dr o u t es c e n e e t c k e yw o r d 3 ：3 dv i s u a l i z a t i o n ； d i g i t a lt e f r a i nm o d e ； r o a d3 dm o d e l ； d e l a u n a y t r i a n g u l a t i o n ； 3 dm o d e l i n g 辽宁丁程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 是一种采集、存储、管理、 分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通 用技术。随着计算机技术的发展，g i s 也从原来的二维向三维可视化迈进。 当今大量信息是以数据为载体存储在数据库中，人们对这类信息的获取主要 是从数据库中获得数据，对数据进行解译而得到，但是获得的信息缺乏直观 性和可读性。数据可视化技术的发展使这个问题的解决成为可能，三维g i s 也成为近年来g i s 研究领域的热点。 道路三维可视化可以将平、纵、横设计资料结合起来，生成道路三维场 景，虚拟建成后的道路景观，这对于提高设计质量有着重要意义。目前，国 内外大多数三维可视化设计方法是在a u t o c a d 环境下做出道路模型后，再 利用适当的三维制作软件，在指定浏览路径情况下，进行渲染着色，制成动 画。这是静态的三维可视化，只能查看指定渲染路径的三维动画效果，并且 非常耗时，难于融于设计过程中。如果能够实时动态的对道路设计方案进行 三维可视化，并且在实时浏览过程中，通过与地形属性数据库的连接，进行 动态交互查询，就可以实现在道路设计过程中应用虚拟现实技术来提高设计 质量。虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 是近年来计算机界的热点之一，其基本特征 就是交互和身临其境。随着计算机软、硬件技术的发展，虚拟现实技术会在 道路三维可视化中得到广泛的应用。 1 2 科学计算可视化 1 2 1 科学计算可视化的含义 面对当今社会的信息大爆炸，人们常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。可视化 ( v i s u a l i z a t i o n ) 就是在这种背景下发展起来的，它把数据变换成易于被人 接受和理解的形式一图形。 可视化是指人脑中形成对某事物的图像，是一个心智处理过程，促进对 事物的观察及概念的建立等。可视化是一个科学术语其用于描述对模型或数 据进行一定处理，然后把其显示在计算机屏幕上的过程。在计算机环境下， 可视化的中心问题是能够在计算机屏幕上快速生成一系列相同或相关的信 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 息图像，这种影像有助于信息处理，从而提高对空间关系和空问问题的理解。 1 2 2 实现科学计算可视化的重要意义 科学计算的计算结果为一系列的数据，如结果数据量巨大，人工处理十 分冗繁，所花费的时间往往是计算时间的十几倍甚至几十倍，不仅不能及时 地得到有关计算结果的直观、形象的整体概念，而且有可能丢失大量信息。 科学计算数据的可视化日益成为迫切需要解决的问题。 另一方面，由于近年来计算机的计算能力迅速提高，所配置的内存容量 和磁盘空间不断扩大，网络功能增强，许多重要的图形生成及图像处理算法 均可用硬件实现，速度大大加快。因而，运用计算机图形学及图像处理技术， 形象直观地显示科学计算的中间结果及最终结果已成为可能。 实现科学计算的可视化可加快数据的处理速度，在人与数据之间实现通 信，从而可使人们观察到传统的科学计算中发生了什么现象，成为发现和理 解科学计算过程中各种现象的有力工具。 1 3 研究的目的和意义 传统的这种道路设计方法是用平、纵、横三个二维设计来表达道路的三 维空间位置，这种方法对选线设计这一复杂问题的解决起到了合理简化的作 用，使设计者能在较短的时间内抓住问题的主要矛盾。但设计者难以从平面 图、纵面图和横面图想象出设计方案的三维效果，如线路的几何线形，平、 纵、横的整体协调，行车视距的检验以及道路与景观的协调等方面。因此， 开发道路实时动态三维可视化软件有着重要意义。 ( 1 ) 道路三维可视化将推动勘测设计体化、智能化进程 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，以便有效地决 策和设计。 ( 2 ) 设计者需要形象直观的设计工具 利用地理空间数据和综合模型建立一个逼真的、立体的、可交互的、含 地形地貌坏境特征的待建公路工程虚拟景观，一直是公路工程规划、设计、 评估和管理人员梦寐以求的目标。公路虚拟景观实时漫游将公路综合模型与 正射影像叠加，生成三维影像景观模型，并进行场景布置、设计要素分析、 多媒体查询、实时动态公路设计虚拟景观漫游等。它真实、动态地反映公路 勘察设计成果，为评审设计成果和环境保护提供了全新的可视化手段和工 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 具。随着虚拟地理环境的建立，设计人员可以在计算机上看到细节与真实公 路一样的景观，从而为公路设计提供了更改的精确依据。 道路设计结束后，在未进行旌工前，需要对道路设计的各项指标进行检 验。传统的二维平面不能直观显示道路建成后的实际效果。利用计算机技术 把道路平面设计模型转成三维模型，可让设计人员直观的观察道路建成后的 实际效果。 ( 3 ) 道路三维可视化可查询三维效果中的有关信息 道路三维可视化中，设计者观察到某些地方需要改正，这时可以直接让 观察者在三维空间中实时查询这些地方的属性，如三维坐标，地表属性等。 利用这些数据，可以方便的退回到初始设计进行修改。 ( 4 ) 成为线路设计者与决策者、其他专业设计者交流的纽带 可视化技术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。道路三维可 视化与空间属性查询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。 1 4 国内外线路三维可视化设计c a d 发展概况 一 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术是近3 0 年来 发展起来的一门新兴技术。计算机辅助设计技术充分利用了计算机的高速运 算、数据处理和绘图模拟等能力，不仅可以缩短工程的设计周期，减少设计 人员的繁杂劳动，而且能够提高工程质量，降低成本。 1 4 1 国外发展概况 在国外，计算机辅助设计技术应用于道路设计领域开始于上个世纪6 0 年 代。当时主要是用来进行平面和纵面的几何线形计算、横断面土方计算等。 7 0 年代，开始应用计算机辅助设计进行平面和空间的选线，数字地面模型 ( d t m ) 也开始应用，计算机绘图技术可直接提供设计和施工图纸。到了8 0 年代，很多国家已建立了由航测设备、计算机和专用软件组成的组合系统， 能完成数据采集、建立数字地面模型、自动计算、绘图和出报表。9 0 年代， 国外逐步出现了几个比较优秀的道路计算机辅助软件，比如德国的c a r d 1 系统、英国的m 0 s s 系统、美国的i n t e r 驴a p h 系统等。二十一世纪初，更新的 道路设计思想被提了出来，那就是基于三维空间进行设计，该思想摆脱了传 统的二维设计理论的束缚，是真正智能化、人性化的设计过程，由于三维设 辽宁丁= 程技术大学硕t 学位论文 4 计是个很新的课题，正在不断的发展和完善中。 1 4 2 国内发展概况 我国公路计算机辅助设计的研究始于7 0 年代后期。自1 9 7 9 年起，交通 部组织有关科研院所和设计单位先后对公路的数字地面模型、纵断面优化技 术、平面及空间线形优化技术等进行了研究，取得了一批实用的研究成果。 8 0 年代末期至9 0 年代中期，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，线路计算机辅助设计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、纵断面图为一体的一套完整的计算机辅助 设计系统。通过在用界面下简单的菜单操作就可以实现线路纵断面优化，平、 纵、横断面设计，工程费计算，图形显示，数据修改和图形自动绘制。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。 到9 0 年代中期，国内已经能方便地获得供公路路线计算机辅助设计用 的数字地形信息，现场设计部门在航测技术的研究与应用方面、计算机辅助 勘测与设计方面、以及计算机辅助成图方面均做了大量的研究与开发工作， 已研制了一批实用软件。1 9 9 6 年交通部公路规划设计院推出的“道路集成计 算机辅助设计系统”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”均达到了新的高度。但此时道路线路三维可视化设计计算机 辅助设计的研制才刚刚起步。 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、 公路计算机辅助设计集成技术”现已开发完成。该项目基于国内已有的公路 计算机辅助设计系统的水平和当前较高起点的硬件、软件平台，着重研究地 形数据采集( 如g p s 、航测及数字测图、遥感、地面速测等) 、工程数据库、 系统的集成化、可视化、智能化、三维设计、动态仿真、高交互性等先进技 术在公路设计领域内的应用，将我国的公路计算机辅助设计基础理论及实际 应用推上了一个新台阶，从而大幅度提高了我国公路的测设水平。2 0 0 3 年， 中南大学道路与铁道工程研究所结合湖南省科委课题“公路数字地形图机助 设计系统”开发了道路设计的动态实时的三维可视化系统，可以将三维可视 化融入设计过程。 目前，国内一些生产单位针对道路勘测设计中的三维景观模型的建模和 浏览方法提出直接支持道路设计成果数据的实现途径。主要可分成以下两 类：一类是以交通部公路第一勘测设计研究院为代表，它保持原有计算机辅 辽宁丁程技术大学硕士学位论文5 助设计数据结构和文件组织方式，使用计算机辅助设计系统的二次开发工具 对计算机辅助设计系统进行扩展，增加三维道路景观模型贴图和动态浏览的 插件。这种方法的优点是道路二维和三维设计和表现真正集成到同一平台， 能借助商用计算机辅助设计系统获得很强的三维几何编辑能力，便于道路几 何模型的修改，但由于受到计算机辅助设计系统本身数据结构的制约和二次 开发能力的限制，很难生成真实感较强的景观模型，无法实现勘测信息与图 形的关联查询、修改，另外还受到计算机辅助设计数据内存管理方式的影响， 对于大数据量地形和道路模型动态调度处理能力很弱；另一类是以中南大学 土木建筑工程学院为代表，它设计新的三维数据结构和道路场景组织方式， 开发独立于计算机辅助设计系统的三维建模、浏览和分析应用平台，它把勘 测设计的成果数据看成是外部数据源，依据勘测设计成果d t m 、平纵横断面 数据进行道路三维景观模型的建模和浏览，包括对三维道路模型映射纹理从 而生成道路的真实感景观模型。 1 5 主要研究内容 本文的研究内容主要设计以下两个方面： 1 5 1 建模 模型是客观事物的空间图像表示，它描述对象的结构、数学、变换规律 或各个组成部分之间的关系。道路三维可视化涉及地形模型和道路模型以及 如何将二者无缝拼合问题。因此，本文应用动态构建约束d e l a u n a y 三角网的 理论，建立道路与地形整体模型。 1 5 2 路线的三维可视化 路线的三维可视化设计就是可视化技术在铁路和公路路线设计中的应 用，其主要意义在于对于路线这一空间带状三维实体的描述，除了采用传统 韵二维图形( 平、纵、横断面图) 的表现方式以外，更进一步采用计算机辅助 的三维立体表现方式，使得决策者、设计师对路线设计成果有直观的三维立 体印象，从而对路线的几何线形，平、纵、横的整体协调，行车视距的检验 以及景观协调等做出更科学的评判。三维可视化设计可按其功能分为三个层 次： ( 1 ) 设计结果的后处理 将设计过程和可视化过程分开，在脱机状态下对设计结果实现可视化。 由于不要求实时地用图形、图象显示数据，因而这一层次的可视化的功能对 辽宁工程技术大学硕士学位论文6 计算能力的需求较之下面两个层次要低一些。 ( 2 ) 设计结果的实时处理及显示 即在设计计算的同时，实时地对设计计算结果数据实现可视化。这一层 次的功能较之上一层次需要更强的计算能力。 ( 3 ) 设计结果数据的实时绘制及交互处理 这一层次的功能不仅能对数据进行实时处理及显示，而且如有必要，还 可以通过交互方式修改原始设计参数或约束条件，使设计结果更为满意，实 现用户对科学计算过程的交互控制和引导。显然，这一层次的功能对计算机 的硬软件技术提出了更高的要求。 本文将研究后两种功能层次的实现机理和方法，使可视化技术不仅应用 于最终设计成果的表达，而且能应用于中间设计过程，从而使三维可视化技 术能贯穿整个设计过程的始终，拟研究的关键技术或问题如下： 建立路线三维景观模型的理论与方法； 真实感图像绘制技术； 路线三维实时动态显示技术。 1 6 论文的结构 本论文由五章组成： 第一章绪论介绍论文的研究目的、意义，国内外相关研究现状之后，分 析给出本文的研究内容、研究方法及论文组织结构。 第二章三维道路模型的整体建模，首先提出道路设计中的道路景观的三 维可视化数据模型，然后针对该数据模型中的三个组成部分，分别讨论数字 地形模型的构建、三维道路表面模型的构建和数字地形模型与三维道路表面 模型的拼合方法。 第三章详细地介绍了三维空间观察原理和真实感图形绘制技术，实现道 路真实感场景的动态浏览。 第四章介绍道路三维可视化设计系统图形环境、运行环境、系统的功能 和应用运行示例 第五章结论部分对本文的研究进行了系统地概括和总结，提出了需进一 步研究的课题。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 道路三维景观模型的建立 2 1 道路三维可视化数据模型 2 1 1 三维空间数据模型概述 三维g i s 数据模型可分为体模型、面模型和混合模型三大类。体模型数 据侧重于三维空间体的表达，如水体、建筑物等，适于空间操作和分析，但 存储空间较大，计算速度较慢；面模型数据结构侧重于三维空间表面的表达， 如地形表面、地质层面等，通过表面描述实现三维空间目标表示，边缘显示 和数据更新，不足之处是难以进行空间分析；混合模型数据结构是将两种或 两种以上的数据模型加以综合，形成一种具有一体化结构的数据模型。 图2 1 和图2 2 分别表示了目前提出的较为典型的单一三维数据模型和混 合( 含模型集成) 兰维数据模型。 图2 1 单一三维数据模型 图2 2 混合数据模型 2 1 2 道路设计中道路景观的三维可视化数据模型 道路景观在勘测设计中的应用更多关注道路及其构造物和地形的地表 辽宁工程技术大学硕士学位论文8 部分，由于其形状的复杂和不规则，很难将其分解为基本的体元( 素) ，因此 采用体元填充或结构实体的模型不合适：矢量模型对道路周围的连续分布的 地形不能很好的表达，同时对其表面模型的进行三维可视化、专题分析和属 性管理是勘测设计中的应用重点，而对三维道路实体内部结构关心得较少， 多以属性信息加以关联，道路的几何实体是这些属性信息的载体，道路的几 何实体又是一个个的面或体对象，因此道路景观三维可视化数据模型的设计 秉承了面向对象的可视化模型的思想，它的设计考虑两个方面的因素：一是 数据模型要便于快速三维可视化，二是数据模型要便于勘测信息与线路上的 空间对象的关联管理。道路景观的三维可视化数据模型是在汲取三维0 i s 面 向对象的可视化数据模型对现实地理世界进行抽象的方法的基础上，结合道 路勘测设计专业需求而设计出来的。它的本质是基于边界表示的面片模型。 道路景观的三维可视化数据模型将三维道路景观模型抽象成三维道路 表面模型和数字地面模型两个无缝相接的部分，其中三维道路表面模型可依 据面向对象的思想将线路上的空间对象抽象为点( p o i n t o b j e c t ) 、线 ( l i n e o b j e c t ) 、面( s u r f a c e o b j e c t ) 、体( v o l u m e ) 、组( g r o u p ) 五类：点对象主要 描述独立的点状地物，例如道路两旁的站牌、路标、电线竿和树等；线对象 描述道路及其周围的线状地物，例如公路上的黄或白标线i 一铁路的通讯线等 都作为三维线对象描述；面对象主要描述三维空间中的面实体，例如道路的 路基面、边坡面、边沟的侧面和底面等；体对象是由多个面对象组合而成的， 描述一些有特定意义的实体，例如一段特定质地的边沟，边坡，道路两旁的 构造物等。引入纹理对象，可以逼真描述各种线路对象表面的实际颜色和质 地；引入广泛可得的c a d 数据表现精细模型如道路的护栏、车站设施和机 车模型，成熟的c a d 技术的集成应用使得三维道路景观模型的表达更加完 美和细致；此外组对象来组合各种简单对象以表达复杂物体，描述若干个不 同的对象组合成的具有特定语意的实体对象，例如一段道路，它有众多的点 对象( 站牌) ，线对象( 标线) ，面对象( 路基、边坡) ，体对象( 边沟) 等。点、线、 面、体、组的数据结构中都存在该空问对象的i d ( 唯一标识) 、三维包围盒 b o x 和对象中心点的在整个线路上的里程值m i l e ，以便于实现空间对象与 属性数据库的关联以及空间查询。同时引入了三角网数字高程模型( d e m ) 和 数字正射影像( d o m ) 数据来表达三维真实地形景观，共同构成数字地面模型 ( d t m ) 。道路景观的三维可视化数据模型的结构图如图2 3 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 图2 3 三维可视化数据模型 2 2 数字地面模型( d t m ) 的建立 二十世纪五十年代中期，美国麻省理工学院摄影测量室主任米勒( c l m i l l e r ) 首次将计算机与摄影测量技术结合在一起，成功地解决了道路工程的 计算机辅助设计问题。在用立体测图仪建立的光学立体模型上，量取沿待选 公路两侧规则分布的大量样点的三维空间坐标输入计算机，用计算机取代人 工执行土石方估算、分析比较和选线等繁重的手工作业，大量缩减了工时和 费用，取得了明显的经济效益。由于计算机只识别数字，唯有将直观描述地 表形态的光学立体模型或地形图实现数字化，才能借助计算机解决道路工程 的设计问题，米勒的重要贡献在于解决道路计算机辅助设计这一特殊工程课 题的同时，提出了一个一般性的概念：数字地面模型，它的英文全称是d i g i t a l t e r r a i n m o d e l s ，缩写成d t m 。四十多年来，d t m 在测绘和遥感、农林规划、 土木水利工程、地学分析，以及地理信息系统等各个领域得到了广泛深入的 研究，发展迅速。1 9 7 8 年，多伊尔( f t d o y l e ) 在数字地面模型综述一 文中对数字地面模型下了定义，意译如下： “数字地面模型( d t m ) 是描述地面诸特性空间分布的有序数值列”。在最 通常的情况下，所记的地面特征是高程z ，它的空间分布由x ，y 水平坐标系 统来描述，也可用经度和纬度来描述海拔h 的分布。在新近的文献中，称上 述高程或海拔分布的数字地面模型为数字高程模型( d i g i t a ie l e v a t i o n m o d e l s ) ，缩写成d e m ，以便与描述其它地面特性的数字地面模型有所区别。 数字地面模型可以是每三个三维坐标值为一组元的散点结构，也可以是由多 辽宁工程技术大学硕十学位论文l o 项式或傅立叶级数确定的曲面方程【3 l 。 2 2 1d t m 的数据源及数据预处理 地形数据的来源一般由三种方法： ( 1 ) 采用航测方法从航摄照片上获取数据： ( 2 ) 既有地形图数字化； ( 3 ) 野外实测采集地形数据。 对每一种数据来源，根据其数据采集的设备，手段不同又有多种数据采 集方式，如图2 4 所示： 图2 4 几种不同的数据采集方式 各种数据源的存储形式( 等高线，离散点或地形图等) 不同，数据的格式 各异，应用前必须对其进行规范化预处理，主要包括： ( 1 ) 无论采用何种方式构建数字地面模型，都必须首先将原始的地形 数据转化成离散高程点存储，这些高程点可以是规则分布( 如规则格网高程点) 也可以是不规则分布。 ( 2 ) 需要根据道路勘测设计实际要求的精度进行简化或加密1 7 l 。 ( 3 ) 同时可利用坐标平移压缩点列坐标串数据，即将数字地面模型覆 盖区域划分成适当大小的矩形网格，以每个矩形网格的左下角点为相对坐标 原点，并注明该原点在绝对坐标系中的坐标，各分块内部的点列坐标采用相 对坐标存储，这样可以大量压缩数据。 2 2 2d t m 构建方法的选择 地形构网主要途径有两个：规则格网和不规则三角网【jj 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i l ( 1 ) 规则格网( g r i d ) 是用规则排列的正方形、矩形网格来表示地形表 面。g r l d 在数据存储时，实际上是一个矩阵，存储的是点的高程值，而点 的平面坐标，可直接由原点坐标、格网问距及相应矩阵的行列号经过简单计 算获得。因此，g r i d 数据结构简单，数据存储量小，还可压缩存储，适合 于大规模的使用和管理。由于格网间距一定，对于复杂的地形地貌，很难确 定合适的网格尺寸逼真表示，因此，在平坦地形区域，会产生大量的冗余数 据，但对于地形起伏变化明显的区域，又不能准确表示地形特征。 ( 2 ) 不规则三角网( t i n ) 是通过从不规则分布的数据点生成的连续三 角面来逼近地形。t i n 模型能以不同层次的分辨率来描述地形表面，因此， 当地表粗糙或变化剧烈时，t i n 能包含大量的数据点，特别是当地形包含有 大量特征如断裂线、构造线时，t i n 模型能更好地顾及这些特征，从而能更 精确、合理的表达地表特征。而在地表相对单一、地势相对平坦地区，在同 样大小的区域t i n 则只需最少的数据点，生成很少的三角形。 对于t i n ，其基本要求为： t i n 是唯一的； 力求最佳的三角形几何形状，每个三角形尽量接近等边形状； 保证最邻近的点构成三角形，即三角形的边长之和最小。j 在所有可能的点构成三角网中，狄洛尼( d e i a u n a y ) 三角网在地形拟合 方面表现最出色，常被用作生成t i n 。 a 规则格网( g r i d )b 不规则三角网( t i n ) 图2 5d e m 的两种表现形式 由于道路设计中的地形具有呈狭长的条带状分布，跨越地理范围广的特 点，这两个特点给矢量地形的构网方法选择带来了限制。由于道路模型边界 的不规则，采用规则格网建立的地形会在道路模型与地形的接边处留下锯齿 状的裂缝，而用不规则三角网方法建立的数字地面模型由于其边界可以表达 任意不规则形状，从而能与三维道路表面模型无缝拼合，不仅如此，不规则 三角网方法建立的数字地面模型能还很好地保持原始数据点的精度和顾及 辽宁工程技术大学硕十学位论文1 2 地形特征线，因此本文构建矢量地形选择不规则三角网这一途径。 2 2 3 不规则三角网的构建 2 2 3 1d e l a u n a y 三角网的定义及特性 t i n 的生成需要处理大量的离散数据，由于这些数据分布的不均匀性， 就产生了一个如何合理有效的使用这些宝贵数据的问题。v o f o n o i 图和 d e l a u n a y 三角网互为对偶，是被普遍接受广泛采用的分析研究区域离散点数 据的有力工具。在t i n 的生成中，v o r o n o i 图和d e l a u n a y 三角网有着广泛的 应用。 ( 1 ) v o r o n o i 图的定义【3 j 1 9 0 8 年，俄国数学家g v o r o n o i 首先在数学上限定了每个离散点数据的 有效作用范围，并定义了二维平面上的v o r o n o i 图( 简称v 图) 。 v 图被定义为： 。 在一个二维的e u c l i d e a n 空间e 和一个n 点m ，集m ，那么，关联的 v o r o n o i 图为覆盖的一个凸多边形序列( v ( m 1 ) ，v ( m 2 ) ，v ( m 。) ) ，其 中，v ( m i ) 包括e 中所有以m 为中心的m i 为近点的点，即 v ( m j ) = ( p e ，v j ，l = j = 空圆特性，即在任意一个三角形的外接圆内部包含点集m 中的任何其 他点。该性质是约束d 一三角形最基本的特征。它选择最邻近的点形 成三角形，并使得特征线段均成为三角形的边；如图2 7 。 最大最小角特性，即如果任意两个相邻的三角形组成的凸四边形的对 角线可以互换的话，那么两个三角形6 个内角中最小的角度不会变 大：该性质说明三角形具有最佳形状特征。 由d 一三角网的性质，决定了它是二维平面三角网中唯一的和最好的 三角网。 图2 7d e l a u n a y 外接圆特性 2 2 3 2d e l a u n a y 三角网构网方法比较 目前d e l a u n a y 三角网构网方法有很多，归纳起来主要是以下三种，如下 表描述： 空间数据点的三角剖分算法是数字地面模型建立的核心。三角剖分算法 应能满足铁路和公路设计对它的要求，即对不规则域数据点适应能力强，三 角网结构良好，占用系统资源少和运行效率高等特点。 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 4 表2 - ld 一三角网构网方法比较 对于上述三种算法，三角网生长法已经很少采用，分治算法执行速度快， 但由于是递归执行，占用系统资源多，而逐点插入算法为一个迭代执行过程， 虽然占用系统资源少，但只有0 ( n “4 ) 的效率l8 1 。在综合分析各种算法优劣的 基础上，本文三维道路景观模型的三角网矢量地形构网算法选择逐点插入法 的原因有三个： 第一、铁路与公路路线里程长，比较方案多，地形数据往往具有海量特 征，采用内存占用最小的逐点插入算法较适合； 第二、逐点插入算法是一动态剖分过程，对d t m 的维护和更新相对方便； 第三、逐点插入算法本身虽然运行速度比较慢，但是通过分块索引方法 的改进和优化，是完全可以达到或超过分治算法的执行效率。 2 2 3 3 逐点插入法构建d 一三角网 逐点插入法是l a w s o n 在1 9 7 7 年提出的。基本思想是：对于一己存在 的三角网络，当在其中插入一点时，将该点与包含它的三角形三顶点相连， 从而与周围的三角形形成公用同一条对角线的四边形，然后逐个对四边形中 2 个三角形进行空外接圆检测，如果不满足空外接圆准则，则用另一对角线替 换现有对角线。这种方法可连续进行，直到全部满足是空外接准则为止。该算 法主要以对角线交换方法来保证所形成网为d e l a u n a y 三角形网。 逐点插入算法的基本步骤可归纳为： ( 1 ) 建立初始三角网：如图2 8 所示，求出给定点集的包容盒b o x ( x m i n ，y m i n ，x m a x ，y m a x ) ，将包容盒沿对角线剖分为两个初始三角形，然 后按以下步骤迭代，直到所有的数据点被处理。 辽宁丁= 程技术大学硕士学位论文 魄矗珥y 舱x )( 加x ，y 腑x ) 圈2 8 建立初始三角形 ( 2 ) 定位三角形：从点集中取出一点，在已建立的三角网中找到包含该 点的三角形，如图2 - 9 ( a ) ： a 三角形的定位 b 影响域的确定 c 影响域内三 角网重构 图2 9 逐点插入过程 确定影响域：，从包含该点的三角形开始，依据三角形记录的拓扑信 息利用空外接圆检测，找出外接圆包含当前插入点的三角形集，三角形集的 外边界既是要寻找的影响域，如图2 9 ( b ) 。其中空外接圆检测可按下式进行 ( 如图2 1 0 ) ：设血比三顶点按逆时针方向排列。 。馘如瑚t 鞋搿l k 移蠢+ 弓4 bl t*甲-秘 k 以童 图2 一1 0 圆内测试 依据上式计算结果( o 或= o ) 可判断处d 在血幻外接圆的内、外侧 或圆上。 影响域内的三角网重构：删除影响域内的三角形，依据d e l a u n a y 准 则，在影响域内重新联网。方法很简单，以当前插入点为公共顶点，将影响 域的各边界点与当前插入点顺次连接，如图2 9 ( c ) ，所得三角化结果即为 d e l a u n a y 三角网。 ( 3 ) 当所有点插入完毕，最后将边界上的冗余三角形删除。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 6 在上述步骤中，三角形的定位、影响域的确定及重构是需要反复执行的， 因此逐点插入算法的时间复杂度主要取决于上述几个步骤的执行效率，尤其 是随着逐点插入的进行，点数在增加，三角形数更是成倍增加，如何缩短上 述几个步骤的计算时间成为了提商整个算法效率的关键问题。 2 3 道路表面模型的构建 2 3 1 三维道路表面模型的组成和数据源分析 建模是一个从现实世界到计算机世界到映射的过程，三维道路表面模型 是计算机世界中对现实道路的模拟，对照现实世界，依据面向对象的思想 可以将道路的组成进行分类：中央分隔带、路基面、硬路肩、边沟、边沟 平台、路堤( 堑) 平台、护坡、边坡外侧地面等。同时道路长度大，同一 线路的不同路段其组成也不尽相同，一般很难作为一个对象进行建模，因 此为了表达方便，需要进行分段处理。 。 从三维道路表面模型的数据源看，最容易得到的是线路的设计结果数 据，包括线路的平面数据、纵断面数据、横断面数据和其他构造物的设计数 据，如图2 1 l 所示。 y x h s y x a 平面图b 纵断面图c 横断面 图2 1 l 道路设计结果数据图 其中平面数据确定道路的确切走向，纵断面数据确定道路中心的高低 起伏，横断面数据规定了道路的各个组成部分的宽度和相对中心点的设计标 高，构造物数据通常只记录其里程范围和模板类型。 2 3 2 三维道路表面模型构建方法 面向对象的分割和归并是三维道路表面模型构建的基本前提，即用面向 对象的思想将整个路线三维实体划分为数字地面模型和三维道路表面模型 两个部分，这两个部分都有其边界，同时将三维道路表面模型进一步细分为 设计线三维模型、构造物三维模型( 如桥梁、隧道、涵洞等) 和附属设施三维 模型( 如公路的护栏、里程路标、路灯，铁路的道床、轨道、里程碑) 等子实 坚! 三要堡查奎堂堡主兰鱼堡塞 ! ! 体。在完成两个部分中的各个子实体的三维建模后，将各个子实体按照其边 界拼合成一个整体。其大致的构建流程如图2 1 2 所示。 l 平面数据il 纵断面数据li 横断面数据l 唪云l 上l l 线路中心线il ii i 断孚特征点 i j 线路路段表面模型 上 线路整体表面模型 设计数据 断面特征点 路面模型 图2 一1 2 线路构建大致流程 2 3 3 设计线的三维自动化建模 设计线部分是道路的主要组成，在公路中包括路基面、路缘带、土路肩、 硬路肩、边坡、边沟、以及各种平台，它们都是通过若干有边界多边形的三 角网曲面对象来表达。在图2 6 中可以看出，横断面数据经过道路中心线上 具有大地坐标的道路中心点的平移改正后归化到大地坐标系下，得到其三维 大地坐标，形成道路的断面特征点数据，这些特征点可用以下结构表达 s t r u c tt r a n s e c t p o i n t d o u b l em d x ： d o u b l em d y ； ，x ，y ，z 记录断面上特征点的三维位置 d o u b l em d z ； i n t m i t y p e ；横断面点的类型，具体类型有以下几种，他 们之间的连接关系如下： 随着断面特征点在横断面上位置的不同，点分为若干种类型，每个点的 类型代表了从上一点( 即同一断面上距中心线较近的前一点) 到本点之间道路 的类型，用整形编码表达，表2 2 是以有中央分割带的高速公路为例，点类 型代码对应如下： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表2 2 特征点类型编码 一个横断面由若干该结构的断面特征点组成，可用以下结构表达： s t r u c tt r a n s e c t l i n e 一 i n tmi n u m p o i n t ；，记录道路三维特征点的个数 t r a n s e c t p o i n t + m p t r a n s e c t p o i n t s ；记录一条横断面上包含的断面特 征点序列 p o i n t 3 d m p t c e n t e r ：横断面中心点三维坐标 d o u b l e m d m i l e ；记录横断面的里程 ； 其结构中一记录该断面的三维断面特征点序列数据和里程值，特征点序 列按照到道路中心点的距离从小到大排序以利于后续的三角网构网和断面 的查询分析。 设计线的三维自动化建模的关键在于相邻横断面上断面特征点对断面 之间的空间进行自动三角剖分，由于不同类型的三角形曲面上最终要贴上不 同的纹理图片，因此不能将两个横断面之间的部分构建成一个三角网曲面对 象，而是要根据两个横断面上各个特征点的类型编码构建多个三角网曲面对 象，例如图2 1 3 中的两个横断面就被剖分成了7 个三角网曲面对象，分别用 不同的颜色标识。 辽宁工稃技术大学硕士学位论文 幽2 一l3 相邻横断面之间线路的三角剖分 三角网曲面结构 c l a s st i n s u r f a c e p u b l i c ： t i n s u r f a c e ( ) ；默认构造函数 b u i l d ( t r a n s e c t l i n e + p l i n e s ，i n t i n u m l i n e ) ； p u b l i c ： l o n g m i n u m t r i p o i n t ；三角网顶点数目 p o i n t 3 d + m p t r i p o i n t s ；三角网顶点坐标 l o n gm i n u m e d g e p o i n t ；边界点数目 p o i n t 3 d + m p e d g e p o i n t s ；边界点坐标 i n tm i t y p e ；面的类型，用于决定所使用的纹理贴图 ； 图2 1 4 给出了断面点、线和三角网面的u m l 类图及其之间的关联关系。 由相邻的两个横断面自动生成一段线路模型主要包括三角网曲面的自 动构建的过程。 要想将两个横断面之间的部分剖分成多个三角网曲面，必须对每一个曲 面对象都加入边界多边形作为特征线进行约束，这些多边形是由纵向和横向 的道路设计特征线交叉构成的，纵向为道路中心线、路面边缘线、路肩边缘 线、坡脚线等，横向为横断面的水平投影。横向和纵向特征线交叉将整个线 路划分成近似格网( 由于横向和纵向不是严格的正交关系) 的布局。 线路模型构建的步骤如下： ( 1 ) 纵向和横向的道路设计特征线交叉构成约束边界多边形( 即为近似 格网) ；。 ( 2 ) 对每个近似格网范围内的断面特征点按照边界多边形约束进行三 角剖分； ( 3 ) 近似格网范围内的所有三角形和其边界数据将写入三角网取名结 构t i n s u r f a c e 存储，形成一个三角网曲面对象； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 t r a n s e c t p o i n t md x ：d o u b l e md y ：d o u b l e md z ：d o u b i e - m i t y p e ：i n t 介 t r m s e c l i n e - m j n u m p o i m ：i m _ m p t r a l l s e c t ：1 r 蛐s e c t p o i n t m j 叶c e n t e r ：p o i n t 3 d _ m m i i e ：d o u b l e u 瓢n s u m c e - n l 州u m 喇p o i n t ：i n t - m p t r i p o i n t ：p o i m 3 d 一 _ m j n u m e d g c p o i n t ： i n t m _ p e d g c p i o n t ：p o i n t 3 d - m j l b x t u m t y p e ：i n t b u i l d ( ) 图2 1 4 点、线和三角网面之间u m l 类图及其关联关系 ( 4 ) 按照横断面的顺序，对所有近似格网范围内的断面特征点做类似 的剖分处理。按照以上步骤，就可以完成线路的自动化建模，图2 1 5 为对线 路进行自动化三角网曲面构建结果( 俯视) 。 圈2 - l5 路线的三角网模型( 俯视) 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 】 2 4 约束d e l a u a n y 三角网的快速构建算法 上面详述了用综合算法生成标准d e l a u a n y 三角网( d e l a u a n yt r i a n g u l a t i o n ， 简写为d