铁路地理信息系统的三维可视化.pdf

最蜡趣埋悃思糸辘专果lzJ 剐1 铁路地理信息系统的三维可视化 周美玉何鸿云 蔷罂 铁路地珲信息系统是 敏字铁格 白 I 具体化 三维可视忧是R G I S 的关键技术2 一 文中介绍 T 三维可视化的内容和实现亓法阻瑷待研究的问麓 并回瞬T 已有的基础及已实现的有关应用系统 关键词 地理信息系统 铁路 三维可视化 虐拊现实技术一一 r 二 1 引言 1 9 9 8 年 月当时的美国副总统戈尔提出了 数字地 球 概念 即 种可以嵌入海量地理数据的 多分辨 牢的i 维地球丧不 随后人们相继提出了数字围家 数 乒城I H 数宁铁路 数7 海洋 等实施构想 从此 数宁化引起r 各国政府部J J 科技界尤其是地理学界的 擞大关注 我冈闭家领导人和学术界专家对此亦非常重 视提j Ur 数字中 司 的战略目标 日前作为 数字 周美玉珏南交大智能控制与仿真二E 赣研究啐 心 载擐6 1 0 0 3 耋 威帮摩 何鸿酱舀庵交太智能控制与仿真王程研窥审心恚桎6 t Q l 一藏都带 巾同 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r 丁将于2 0 l0 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7 铁路 战略 在全路信息数宁化过程中 创 建我国的铁路地理信息系统R G I S 数宁铁路 是 数 字中国 在铁路领域的具体应用 数宁铁路 是对 三维铁路的多分辨牢数据的描绘 它是以线路位置为主 线构造我同铁路的信息模型 建立可视化铁路基础审问 信息数据集 将铁路资源形象化 数字化 利 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 i 维建模及动态仿真等 同5 及 网6 分别给 r 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i 角网D T M 及其在此基础上与没计线模型叠 加成的公路i 维整体模型 图5 顾及地性线的三角网D T M 图6 公路三维整体模型 5 结束语 木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 O N 的复杂度 i 1 彤优 建立的乏角网D T M 严格满足约束 D e l a l l l a g 弁 网的特性 n 楠度高 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r 数百公里 的高速公路和近千公里的铁路设计的考验 t I 用途广 本文所述算法不仅适合于构建D T M 还 可适合于其它二维平面散点域的约束 D e l a u n a v 角化问题 并可以进一步推广到三维空 1 J 6 参考文献 1M l i e sR ES o l u t i o nt oP r o b l e m6 7 1 5 P r o b a b i l i t yD i s t r i b u t i o no f aN e t w o r ko fT r i a n g l e s S I A M 1 9 1 1 3 9 9 4 0 2 2S i b s o nRL o c a l l yE q u i a n e u l a rT r i a n g u l a t i o n sC o m p u t e rJ o u r n a l 1 9 7 8 2 1 3 2 4 3 2 4 5 3L i n g a sAT h eG r e e d ya n dD e l a u n a yT r i a n g u l a t i o n sa r en o tB a d i nt h ea v e r a g ec a s eI n f o r m a t i o nP r o c e s s i n gL e t t e r s 1 9 8 6 2 2 2 5 3 1 4R e p a r a t aFP S h a m o s Ml 计算几何导沦庄心谷北京 科学出 版社 1 9 q I 中南大学铁道校区土建学院 湖南长沙4 1 1 m 7 5 收稿日期 2 1 1 1 0 7 2 万方数据 瑚1 9 铁路地理信息系统专集 2 日前多数地理信息系统都只有二维地冈的数据存 储 管理 查询和显示功能 二维地图及其G I S 中的 矢量闭形数据没有充分利用铁路沿线地形的高度信息和 航牵影像 二的纹理信息 为了弥补这些不足 人们用计 算机辅助设计和互维动画来表现 维刘象 E 在C A D 和 3 D S 中生成的 维动I m J 只能为人们被动播放 而不能进 行交旺 不能为人们所挎制 如漫游 旋转 放大等 凼此创建i 维 可实时交互的地理信息系统是十分必要 的j 从仿真角度来看3 D G I S 是基于W e t 的在线实时仿真 系统 交互式罔形仿真必然是实时的 它是指采用计算 机 荨 形 冬l 像技术 根据仿真应用的目的 构造仿真对象 的i 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 2R G I S 的可视化 铁路地理信息系统的三维可视化是利 1 H 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 利用多源数据融合 将现实的多媒体素材 地理信息 管理信息等无缝集成在鼍维场景框架中 通 过W e b G I S 将这些信息在I n t e r n e 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 多维厦建的基础是计算机图形图像学 i 维可视化 可有 种实现片式 基于视频图像片式和基于重构图形 方式 2 1 基于视频图像方式 对部分既有线路可以川计算机图像处理力 法数字 化 蹦像处理是基于视频网像 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 可在测量年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 摄像过程巾在每一帧图像加上棚应 的卒M 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r 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I 星定位系统综合定位 帧图像上任何点的坐标都可得 到 似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 用插值算法建市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 t L j 这种方法建立的帧号一公罩数 的数据文件其精度可达1 米 摄像得到的视频网像经采 样 编码处理存入 t 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 信弩 供电 机车 车辆等几何信息或 管理信息 融合存视频图像上 用户可在视频图像上检索 需要的信息 其生成流程如图l 所示 罔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4 和客运列车在直道和各种弯 道上的脱轨图形 泥石流图像 等 L J 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罔象上 以 供分析决策 但在视频图像上提取儿何信息是非常困难 的 这f f 王是一个需要研究的课题 图1 铁路沿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 二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 所示为基于网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 一 一 万方数据 线路和周边场景 铁路专用建筑物和设备j 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 也可从周 家地理信息巾心或测绘局得到数字高程模制D E M 使用 1 i 姚则i 角形网格T I N 生成真实地形结构 再在i 角形 删格七贴上相应的图象纹理就建立起真实地形 纹理来 f 1 经处理的航片或卫片 铁路线路干 建筑物的儿何结构数据来自于设计蓝 H 利用计算机罔形学原理建立多边形结构模型 同样 住多边形上贴以真实建筑物的纹理 得到了一维逼真的 场女 纹理来自以大量的真实铁路 建筑物和专用设符 E 射照片 维实体建模技术已趋成熟 日前有多种建 模工县 如M u t i G e nC r e a t o r M 及与A H v i e w 数据接 l 的T er r a i nV i s t a S i t e B u i l d e r 和C v b e rC i t v 等 场景马f I 动要靠i 维图形寅时渲染引擎 根据人眼的 滞留效应 帧速率在1 2 帧 秒以下就有明显的跳跃感 一般要求帧速率在2 5 3 0 帧 秒 从建模的角度来讲 要提高 萼 形的显示速度就必须降低需要处理的多边形数 f I 为此建立景物细节层次模型L O D 是十分必要的 耍 关注的是合理组织各种细节层次模型 其他的如纹理映 射 J 王走样技术等均要适应实时性要求 驱动类软件目 前应用较多的有O p e 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 l3 D 等 阿4 是基于计算机罔形方式生成的铁路场 景 根据查询的内容存罔上点击相应的设备弹出对话框 和订炎信息 陔网上点击的是路荩信息 此外 同内外开发了众多 w s 商用软件 为3 D i S 提供一一体化解决方案 如中地的M A P G I S E S R I 的 Ar e G I S E R D A S 的I M A G I N E G I S 等 其中I M A G I N E V i r t u a l j I si 维可视化分析软件集建模 驱动 分析于 铁路地理信息系统专集 2 0 1 9 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i 维可视 化 数据库巾含有地形库 铁路专 设备库 沿线的艾 化特征 地物 库等 采用树和动态数组结合的数据结 构 井结合而向对象的技术实现三维场景模型的组织 南建模方式产乍的三维场景有正确的几何关系 冈 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 例如最近美国 纽约世贸巾心遭恐怖分了袭击的 9 1I 事件 中 央电视台就报导了美国利用二三维交互仿真技术实现 摊 重建 以供分析 图4 基于计算机图形方式生成的信息查询 E 前主要的研究内容有 ai 维罔彤编辑器 在 维同形编辑器巾可导人多 种现有格式的一i 维模型 并对其编辑处理 h i 维图形引擎 建立在O p e n G L 上的实现i 维图 形的实时骐动显示 场景模型的调度管理平台 n i 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 将一 维素材 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网像上以全 一 万方数据 O 9铁路地理信息系统专集 2 l J 动厅式荻取数字高稃模型D E M E 可能以半自动方式 提取建筑物平面f 性和高度信息立体数宁影像系统南 高分辨率数 芦摄像H L l 3 及控制和仔储单元组成 摄影系 统采膈c D 传感器 摄像机的快门 曝光时间间隔 迭加的时问码部m 装咎拄制 得到的数宁影象被爪 缩存储住数 磁带L 这为铁蹄线路景观可视化的实现 提供J 数据条件 2 2 1 我们的基础 维矧彤刚像的处理是一个庞大的 小断发展的专 业知i j 体系 我们仿真中心罔J B 罔像部是专业从事i 维 罔彤罔像研究的机构 目前拥有S G IO n y x2 O e l a n e 0 2 等高梢专业l 萼 J r 作站以及 冬 象处理设备 虚拟现实 孥用没备 如数据r 套 头盔和立体眼镜以及跟踪装 置 捌有齐备的i 维图形丹发工具如M u h i G e n l l I R I S P e r h u m 等 涉及的领域包括高速列车视景仿真f i 维 琴 形和 司像疗式 城市规划的3 D G I S 系统 房产开发的虚 拟现寅系统等 并已为成都市国家级经济技术开发区 成 都海峡两岸经济技术开发区等地区开发r 二维地图和j 维同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T 程 在一磐特定的位置或区域有声 音 文 7 司片或录象资料详细介绍此处的特点 并可查 询丁程项口r t 的各种信息 此系统根据需要可实时改变 建筑结构 也可改变肖时灭夺的气象条件 系统足在P I I I 并配有O p e n G 加速K 的 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l 临 其境的感觉 I l e a l3 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i 维视景建模工具R e a l3 D M r M e l e r 和i 维视景实时渲染引擎R e a l3 DR e n d e r 两部分 组成 是基下O p e n G l 的了维罔形开发平台 罔像部分有 自行开发的处理T 具及线路J 钏象查询平白 它是在w i n d 1 w s9 8 N T 环境下采用V C 6 0 0 开发的实用平台 用户 在该平台上 可快速高敛地完成包括3 D I s 系统在内的 i 维H 形陶像应用系统的开发 而无需涉及对j 维冈形 降l 像的底层操作 该平台为3 DG I S 系统在内的i 维图形 阁像应川系统的快速开发提供了条件 并支持网络环境下 的 维 冬 形图像应朋系统的开发 R l3 D 开发的二i 维图形图像廊川系统运行在W i n d o w s9 8 N T 平台下 对硬件平台的要求为基于Pm 配有 O o e n G L 加速卡的P C 机 内存容量根据视景的大小而定 一般不应低于12 8 M B O p e n G L 加速卡可采用T N T 2 或 V o o d 0 0 5 等通川的商业加速R 2 2 2 结论 R I S 的j 维可视化应包括3 个方面 地形可视化 线路和周边场景可视化 铁路争用建筑物和设备可视 化 町卒见化的主要方式是计算机f 司形生成方法 3 DG I S 的 主要意义在于对铁路线路的描述摆脱基丁二维地陶和实 物模型的表现方式 代之以计算机生成的 维实体模型 表现形式 人们町从不同观察位置任意选择路径 以漫游 方式视察整个铁路线路和铁路设施 查询各种属性的数 据库 使决策者 设计者 J H 户对铁路线路景观的现状和 规划设计有直观的 维立体印象 R G I S 的