铁路地理信息系统的三维可视化.pdf

最 詹 曩 曩 矗 乐 玩 盲 t l l l Z J 硼 铁路地理信息系统的三维萄规化 周美玉 何鸿云 量 铁路地理信息系蔬是 数字铁路 的具体化 奠三维可j I 已 化是 R GI S 关键植术之一 文中舟翱 T三雏可j I l 化 内容和实现方诖以 委待研究白 c1 同眚 并目曩T已有的摹礓 委已实现 有关应用幕统 关键词 地理信息系统 铁路 三维可j I l 化 宦槭现实技术 1 引言 1 9 9 8年 1 月当时的美国副总统戈尔提出了 数字地 球 概念 即一种可以嵌入海量地理数据的 多分辨 率的三维地球表示 随后人们相继提出了数字国家 数 字城市 数字铁路 数字海洋 等实施构想 从此 数字化引起了各国政府部门 科技界尤其是地理学界的 极大关注 我国国家领导人和学术界专家对此亦非常重 视提 出了 数字中国 的战略 目标 目前作为 数字 中国 的主要组成部分 数字城市 已在我国一些城 市开始实施 据报导广州市将于 2 0 1 0年实现 数字城 市 目标 铁道部为迎接信息时代的挑战 也不失时机的提出 了 数字铁路 战略 在全路信息数字化过程中 创 建我国的铁路地理信息系统 R G I S 数字铁路 是 数 字 中国 在铁路领域 的具体应用 数字铁路 是对 i维铁路的多分辨率数据的描绘 它是以线路位置为主 线构造我国铁路的信息模型 建立可视化铁路基础空问 信息数据集 将铁路资源形象化 数字化 利用网络 通讯技术统一处理及共享全国铁路信息资源 土石方工程数量计算 三维建模及动态仿真等 图5及 图6 分别给出了D i g i R o a d 系统为常德至张家界高速公路构 建的一段三角网D T M 及其在此基础上与设计线模型叠 加成的公路三维整体模型 圈 5顾及地性线的三角网DT M 图 6公路三 维整体模型 5结束语 本文研究提出的算法具有以下特点 a 速度快 在关键环节上优化了算法 使算法具有 0 Nl 的复杂度 b 网形优 建立 的 角网 DTM 严格满 足约束 D e l a u n a v 三角 网的特性 C精度高 建网过程考虑了地性线的处理 保证了数 模插值精度 现已经过了数百公里 的高速公路和近千公里的铁路设计的考验 d 用途广 本文所述算法不仅适合于构建 D T M 还 可适台于其它二维平面散点域的约束 D e l a u n a y 三角化问题 并可以进一步推广到三维空 间 6 参 考 文 献 1 Ml i e s R E S o l u ti o n t o P r o b l e m 6 7 1 5 P r o b a b i l i t y Di s t nb u ti o n o f a Ne t wo r k o f T r i a n g l e s S I AM 1 9 6 9 1 1 3 9 9 4 12 2 S i b s o n R L o c a l l y F x l u mn g Tr i a n g u L a t i o n s Co mp u t e r J o u r n a 1 1 9 7 8 2 I 3 2 4 3 2 4 5 3 Li n g a s A T h e Gr e e d y a n d De l a u n a y T ria n g u l a t i o n s a r e n o t B a d i n t h e a ve r a ge c a s e I n f or matio n P r oc es s i n L et i er s 1 9 8 州2 2 2 5 31 4 R e n a a F P S h a m o s MI 计算几何导论 庄心谷北京 科学出 版社 1 9 9 0 中南大学铁道校区 土建学院 湖南 长沙 4 1 O O 7 5 收稿 日期 2 0 0 1 0 7 2 维普资讯 目前多数地理信息系统都只有二维地图的数据存 储 管理 查询和显示功能 二维地图及其 G I s中的 矢量图形数据没有充分利用铁路沿线地形的高度信息和 航空影像上的纹理信息 为了弥补这些不足 人们用计 算机辅助设计和三维动画来表现三维对象 但在 C A D和 3 DS 中生成的三维动画只能为人们被动播放 而不能进 行交互 不能为人们所控制 如漫游 旋转 放大等 因此创建i维 可实时交互的地理 言 息系统是十分必要 的 从仿真角度来看 3 D G L S 是基于We b的在线实时仿真 系统 交互式图形仿真必然是实时的 它是指采用计算 机图形图像技术 根据仿真应用的目的 构造仿真对象 的三维模型 人们根据 自己的意念实时控制和再现真实 的环境 达到非常逼真的仿真效果 拓展人与计算机的 交流方式 利用虚拟现实技术实现人与虚拟环境的无缝 接 口 2 RG I S的可视化 铁路地理信息系统的三维可视化是利用多维建模和 虚拟现实技术重新构建主要的铁路线路和基础设施 以 便生动地展示铁路线路 沿线的周边环境 固定设施的 配套情况 和用多源数据融合 将现实的多媒体素材 地理信息 管理信息等无缝集成在三维场景框架中 通 过We b G I S 将这些信息在 l n t e me t 上发布 以实现三维铁 路信息的全路共享 人们可随心所欲地利用这些信息 多维重建的基础是计算机图形图像学 三维可视化 可有二种实现方式 基于视频图像方式和基于重构图形 方 式 2 1 基于视频图像方式 对部分既有线路可以用计算机图像处理方法数字 化 图像处理是基于视频图像 为了获得铁路沿线的路 边地物 如桥梁 隧道 道 口 车站等信 息的图像 可在测量车上安装一台或多台摄像机 摄像机安装在测 量车的前端和两侧 摄像过程中在每一帧图像加上相应 的空间地理位置信息 要精确地确定帧图像和地理位置 问的对应关系是比较困难的 随着数字摄影测量技术的 飞速发展 人们可从立体视频系统中精确地确定影像上 物体相对于测量运载器的空间位置 测量运载器是由卫 星定位系统综合定位 帧图像上任何点 的坐标都可得 到 但这种采集数据的方法代价昂贵 我们现在采用的是比较经济实用的方法 将摄像机 放在机车上 由于机车的速度不可能恒定 摄像过程中 用声音提示公里标 半公里标或百米标 在图像处理中 用插值算法建立帧号与公里数的对应关系 再在标定过 的公里标处进行校正 用这种方法建立的帧号一公里数 的数据文件其精度可达 1 米 摄像得到的视频图像经采 样 编码处理存入计算机或数字磁带上 经解码处理重 现视频图像 再将以公里为基础的各种属性数据库 如车 站 线路 信号 供 电 机车 车辆等 几何信息 或 管理信息 融合在视频图像上 用户可在视频图像上检索 需要的信息 其生成流程如图 1 所示 图 2为一示例 此外还提供专用软件可对局部图像进行放大 我们 已为 某铁路局局管部分线路建立了基于视频图像的线路信息 查询系统 进一步的设想是利用图形方式建立灾难图形 库 库中存有各种货物列车和客运列车在直道和各种弯 道上的脱轨图形 混石流图像 等 用基于视点的计 算方法在指定的位置将厍中图形叠加在视频图象上 以 供分析决策 但在视频图像上提取几何信息是非常困难 的 这也是一个需要研究的课题 图 1铁路措线视频图像生成方式 图2基于视频图象的线路查询 2 2 基于计算机图形方式 图形建模是 G I S 三维可视化的主要方式 R G I S 系统 三维可视化开发可分为虚拟环境制作和图形驱动两个方 面 虚拟环境制作主要包括模型设计 场景构造 纹 理设计制作 特效设计等 它要求构造逼真的三维模型 和制作逼真的纹理效果 图形驱动主要包括场景驱动 模型调动处理 分布交互 大地形处理等 它要求高 速逼真地再现虚拟环境 实时响应交互操作等 图3 所示为基于图形建模的方式生成铁路线路和专用 建筑虚拟场景 三维重构包涵三部分内容 沿线地形 团 一 一 维普资讯 线路和周边场景 铁路专用建筑物和设备 图3铁路三维可视化场景生成流程 地形重构原始资料可从航空摄影中得到 也可从国 家地理信息中心或沏 9 绘局得到数字高程模型 D E M 使用 不觇则i角形网格 T I N生成真实地形结构 再在 角形 网格上贴上相应的图象纹理就建立起真实地形 纹理来 f l 经处理的航片或卫片 铁路线路和建筑物的几何结构数据来 自于设计蓝 l司 利用计算机图形学原理建立多边形结构模型 同样 往多边形上贴以真实建筑物的纹理 得到了 维逼真的 场景 纹理来 自以大量的真实铁路 建筑物和专用设备 正射照片 j维实体建模技术已趋成熟 目前有多种建 模工具 如M u h i G e n C r e a t o r 以及与 A r c V i e w数据接口 的 T e r r a i n V i s t a S i t e B u i l d e r 和 C y b e r C i t y 等 场景马 5 动要靠j维图形实时渲染引擎 根据人眼的 滞留效应 帧速率在 I 2 帧 秒 以下就有明显的跳跃感 一 般要求帧速率在 2 5 3 O帧 秒一从建模的角度来讲 要提高图形的显示速度就必须降低需要处理的多边形数 目 为此建立景物细节层 次模 型 L O D是十分必要 的一要 关注的是合理组纵各种细节层次模型 其他的如纹理映 射 反走样技术等均要适应实时性要求 驱动类软件日 前应用较多的有 O r n G V S P e r f o r m e r 以及我们 自主开发 的 R e a l 3 D等 图4 是基于计算机图形方式生成的铁路场 景 根据查询的内容在图上点击相应的设备弹出对话框 和有关信息 该图上点击 的是路基信息 此外 国内外开发了众多 G I S商用软件 为3 1 3 G I S 提供一体化解决方案 如中地的 MA P GI S E S R I 的 A r c G I S E R D A S的I MAG I N E G I S等 其中I MA G I N E V i r t u a l G I S 三维可视化分析软件集建模 驱动 分析于 一 体 不管那种软件 对铁路这个特殊的产业来说都有 二次开发问题 因此必须结合铁路特点来研究三维可视 化 数据库中含有地形库 铁路专用设备库 沿线的文 化特 i F f 地物 库等 采用树和动态数组结合的数据结 构 并结合面向对象的技术实现i维场景模型的组织 一 由建模方式产生的j维场景有正确的几何关系 因 此也能比较正确的叠加特殊场景 如铁路路基遭大水或 泥石流袭击 翻车脱轨等灾难现象重现 铡如最近美周 纽约世贸中心遭恐怖分子袭击的 9 1 1 事件 中 央电视台就报导了美国利用三维交互仿真技术实现 i 维 重建 以供分析 图4基于计算机图形方式生成的信息查询 目前主要的研究内容有 a i维图形编辑器 在j维图形编辑器中可导人多 种现有格式 的j维模型 并对其编辑处理 h 一维图形 l 擎 建立在 O p e n G L上的实现 维图 形的实时驱动显示 场景模型的调度管理平台 j维场景数据库 合理的数据库结构和海量数据 的存储与管理 同时应提供与 G I S系统的接 口 d二维素材编辑器 合理的系统结构和组织 将二 维素材f 如地图等 按场景组织进行显示驱动 e 数据库操作 使用面向对象数据库结构 将所有 信息按照合理的数据结构进行划分 提供相关信息的快 速 查询 原始信息的获取需要化费较大的代价 由于现代测 量技术的发展 使得我们可从数字遥感立体图像上以全 维普资讯 自动方式获取数字高程模型 D E M 有可能以半 自动方式 提取建筑物平面位置和高度信 皂 j 体数字影像系统南 高分辨率数字摄像机以及控制和存储单元组成 摄影系 统采用 c c D传感器 摄像机的快 门 曝光时间间隔 迭加的时间码都 争门装置控制 得到的数字影象被 缩存储在数字磁带 L 这为铁路线路景观可视化的实现 提供 r 数据条件 2 2 1我们的基础 维图形图像的处理是 个庞大的 不断发展的专 业知识体系 我们仿真中心罔形网像部是专 I 从事 维 图形图像研究的机构 目前拥有 S G I O n v x 2 O t I a n O 2 等高档专业图形T作站以及图象处理设备 虚拟现实 用设备 如数据 于套 头盔和立体眼镜 以及跟踪装 置 拥有齐备的i维图形开发工具如 Mu h i G e n l l I R I S P e r l o r m e r 等 涉及的领域包括高速列车视景仿真 维图 形和图像方式 城市规划的3 D I S系统 房产开发的虚 拟现实系统等 并已为成都市国家级经济技术开发医 成 都海峡两岸经济技术开发区等地区开发了二维地罔和i 维罔形相结合的工程漫游及信息查询系统 在开发区内 用户可从不同观察位置 空中或地上 任意选择路径 以 漫游方式视察整个工程 在一些特定的位置或 域有声 音 文字 网片或录象资料详细介绍此处的特点 并可查 询工程项 目中的各种信息 此系统根据需要可实时改变 建筑结构 也可改变当时天空的气象条件 系统是在P m 并配有O p e n G L加速 乍的P c机平台上实现的 添加头盔 和数据手套后的虚拟现实应用系统 能使用户产生身临 其境的感觉 R e a l 3 D是我们 自主研究开发的基于微机的j维图形 图像开发平台 罔形部分南j维视景建模工具 R e a l 3 D M o d e l e r 和 维视景实时渲染引擎 R e a l 3 DR e n d e r 两部分 组成 是基于O r n G L的 维图形开发平台 图像部分有 自行开发的处理工具及线路图像查询平台 它是在wj n d o w s 9 8 N T环境下采用 V C 6 0 0开发的实用平台一用户 在泼平台上 可快速高效地完成包括 3 D G I S系统在内的 维图形图像应用系统的开发 而无需涉及对三维图形 图像的底层操作 该平台为3 D G I S 系统在内的i维图形 图像应用系统的快速开发提供了条件 并支持网络环境下 的 维罔形图像应用系