城市交通态势三维图建模论文

城市交通态势三维建模（电气信息学院--医学信息工程王强中1143032027）为了对本文提出的数据模型和算法进行实现， 实验系统的数据是在某个城市中选择了一块比较典型的，比例尺为 1:500的道路网数据。另外，一些附属设施、交通事件等数据是根据实验的需要进行模拟的。实验系统的开发语言是 visualC++6.0、ATL3.0以及OpenGL1.3三维图形库。1,、系统结构本系统集道路（包括立交桥）三维模型的建立、编辑、三维浏览、分析、查询为一体,整个系统的结构如下图所示。地形数据道路网三维几何、属线性基准附属设施性、拖布数据三维模型建立可视化图1 系统结构图2、系统功能整个系统是基于组件的形式开发， 按功能模块进行划分，每个组件完成一个相对独立的功能，最后将这些功能模块进行有机的组合，集成到统一的界面内，如图 2所示。

主程序k图2系统功能图3、三维数据可视化LOD模型的实时生成算法，其三维数据可视化引擎设计的理论基础是视相关的多分辨率主要的目的有以下几个方面的应用服务：（1）、提供三维模型的多种可视化工具，能够从不同的角度、位置、方向观察立体模型；（2）、能够自动生成不同精度、不同层次的 LOD主程序k图2系统功能图3、三维数据可视化LOD模型的实时生成算法，其三维数据可视化引擎设计的理论基础是视相关的多分辨率主要的目的有以下几个方面的应用服务：（1）、提供三维模型的多种可视化工具，能够从不同的角度、位置、方向观察立体模型；（2）、能够自动生成不同精度、不同层次的 LOD模型，满足不同的可视化需求和应用；（3） 、能够进行任意路线的飞行或地面行驶，从而能够对三维场景模型进行全方位的漫游；（4） 、为大范围、大数据量的三维模型的快速漫游提供坚实的基础和技术支持。在建立三维数据引擎的基础上， 在对模型进行三维交互显示时， 根据设定的算法可以设定需要生成的LOD模型的质量。从而可以构造道路和地形模型不同精度的 LOD模型。系统实现了道路数据二维和三维显示的一体化，如图 3所示。三维空间分析交通分析三维可视化引擎网络分析■模拟导航三维建模坐标转换移动目标管理数据库访问引擎三维数据编辑图3二维、三维显示一体化4、三维建模对于地形上的道路及其附属设施， 除了点状地物（如路灯等）和线状地物外，所有地物模型只要与地形模型相交的，都应该被镶嵌在地形模型中，成为地形模型中的一部分或一层，只有这样才能在三维显示时取得正确的表达效果。 因此道路面及其都造物必须镶嵌在地形模型中，用道路模型替换地形模型中属于此范围的三角形， 使得地面模型和道路模型无缝集成在一起。具体思路是先建立地形模型，然后分段将道路两边界的外轮廓线提出来， 对每段的外围轮廓线按逆时针方向排序，组成守卫相连的封闭链，每段封闭链以约束边的形式对地面地形离散点构建三角网理，并将落在三角形剔除，模型的地形模型进行插值处该封闭链范围内的最后得到除去道路三角网，步骤如图4所示。地形离散点构建三角网理，并将落在三角形剔除，模型的地形将边界点按逆时针排序，组成首尾相连的封闭链分段提取道路两边的边界点将封闭链以限制边的形式插入到地面模型剔除圭寸闭链范围内的三角形图4建立地面模型步骤图5是按上述操作步骤得到的地面模型表达，路面三角形被剔除。

图5不包含路面的地形模型5、道路及构造物的建模道路面及其构造物模型是道路附属设施模型空间定位载体， 是进行空间分析的主要依据。道路三维模型的数据开源有多种，如从影像中提取道路特征数据、采用 GPS或全站仪野外测量的离散点数据、地图数字化所得数据、道路设计数据等。下面以道路数据来描述道路模型的构建。道路设计数据主要有纵、 横断面数据。纵断面其实是道路中心线， 一般以里程桩号表示，主要包括桩号、三维坐标（ X、Y、Z）和方位角（A）。横断面设计数据包括桩号、偏距、高程和编码等。编码是说明点的类型（如路边、水沟、边坡等） ，通过编码可以确定相邻断面之间点的连接关系。左边和右边用单双号区分。根据纵、横断面信息，可求出所有横断面上各点的三维坐标，按顺序存入顶点坐标数组。计算公式为：x=Xo+d*cos（A）,y=yo+d*sin（A）。X。、y。为中心线桩号点坐标， A为横断面方位角。图 6为道路横断面设计图。图6道路横断面设计示意图

三角形部分：由于路面和构造物都是采用三角网来表达， 其剖分方法基本一样。以路面为例，相邻横断面编号为1和99（或1和100）的点按逆时针顺序组成多边形， 一般为四边形，如（11,,991,992,12）,也有三角形的（如两点重合）。然后对多边形进行三角形剖分，如图 7所示。路面及构造物具有各自的材质和纹理特征， 同一构造物的不同侧面有时也具有各自的材质和纹理特征，如排水沟，两个侧面17-15、11-13的材质、纹理特征与沟底面13-15不同。因此进行三角形剖分后， 还需对三角形进行管理。 路面模型构建好后，镶嵌到地面模型成为一个整体，如图8所示。I97；I00I97；I00图7相邻断面之间的三角形部分图8集成道路和地面模型6、立交桥模型的建立立交桥是道路网三维表达的难点，由于其在城市交通中的重要地位，必须对其进行较详细的描述。从三维建模的角度划分，立交桥可以分为空中部分和地面部分。其中地面部分的表达与一般道路类似，仅表达路面即可。而空中部分必须对桥面、侧面和底面均进行建模，

才能有比较好的显示效果。立交桥数据来源有多种，如从遥感影像中提取立交桥数据， 设计数据（如CAD），野外实测数据等。从数据格式上来看，设计数据除了具有道路特征数据外（如道路边线），还包括纵、横断面数据，因此可以构建出比较完整的形状，如图 9所示。（a）集成桥梁模型（b）桥梁模拟视图图9立交桥悬空部分的表达立交桥模型的构建与道路建模的区别在于空中部分必须对桥面、 侧面和桥底面均进行建模，构建方法也是通过三角形剖分， 其过程与图7基本相同。对于三角形的顶点统一按逆时针排序。为了节约资源，一般只显示模型的正面，而对于桥的底面，在显示时，必须对其三角的顶点反向。7、道路附属设施的建模从建模的角度考虑，道路附属设施分为以下三种情况：（1）点状模型，通过三维模型+位置来表达，如路灯、交通信号灯、交通灯、路标、广告牌等。这类模型一般在第三方软件（ 3DMAX）中建好，然后倒入数据库中。为了数据管理的方便，这类模型一般不带有纹理信息，通过颜色、材质进行渲染，如图 10所示。

图10道路附属设施的建模--交通灯（2）线状模型，通过线对象+高度加图片来表达，如高速公路的护栏，道路中间的隔栏等。为了节约资源，对这一类型一般是以其几何线段上加上高度组成多边形。 然后贴上图片，虽然效果不是很好，但是可以很大程度的减少数据量，如图 11中的防护栏。图11附属设施的建模--线状模型（3）道路标线。道路标线有车道线、人行道斑马线、换道指示线、路口车道转向指示线等，这些标线在三维中一般以多边形表达， 因此只需要几何信息。斑马线和车道线一般是以若干个四边形组成，比较好处理，交通换道指示线一般是以箭头（多边形）表示，而目前的硬件又不支持复杂多边形的渲染，在显示前必须对箭头多边形进行三角形剖分，如图 12所示。图12路面标线的表达8、空间分析与编辑空间分析和操作是任何一个 GIS系统都必不可少的一项功能，其能够建立用户和三维模型之间通信的桥梁。实验系统可以实现的空间分析功能包括： 长度、面积、体积等的量算，空间坐标及其线性参照系统坐标的查询，道路的属性信息查询，道路的纵、横断面和地形的剖面分析。系统的编辑功能主要包括：①道路网拓补数据的建立与编辑；②基础数据的编辑，包括对地形、二维矢量数据、标记等进行编辑处理；③ 三维模型数据的编辑，主要包括模型的姿态、缩放、平移等操作，以及模型对象的属性编辑，如改变交通信号灯模型的显示比例、模型的材质、纹理等；④三维操作编辑，包括飞行路线编辑、媒体编辑和动画编辑；⑤模型构建，可实现一些规则模型的构建；⑥线性基准的编辑，包括线性参照系统弧段的连接、 断开、合并等操作；⑦附属设施的编辑，包括路面标线、防护栏杆等的编辑。在上述的编辑操作中，人们习惯使用线性参照坐标，使得很多操作基于空间坐标难以实现。如由于某种原因，在高速路上1.6~1.7km的防护栏改变为栏杆，用户希望能够在系统中表现出来，因此需要进行数据更新。 如果仅采用空间坐标系来组织数据， 对道路数据没有进行动态分段表达，那么完成这种简单操作也非常的麻烦， 即使给出具体的空间坐标， 也需要经过一系列空间操作才能确定需要修改的护栏的准确位置。 实验系统对于道路及其附属设施数据均采用动态分段的方法组织数据， 给基于线性参照坐标的操作带来很大方便， 如完成上述操作只需要几个简单操作。通过组合 SQL语句查询出道路A上落在1.6