专利名称：铁路工务工程三维虚拟场景快速搭建方法
技术领域：
本发明属于工程设计技术领域，尤其涉及一种铁路工务工程三维虚拟环境快速搭建方法。
背景技术：
高速铁路工务工程是铁路运行的基本环境，包括铁路桥梁、路基、隧道、涵洞以及轨道板、轨道等设施设备。在以往铁路部门均采用二维CAD图纸对工务工程进行平面、立面和剖面的展现。但是，通过CAD图纸查看高速铁路工务工程，不能与周边地形地貌进行结合，进而不能完整而直观的查看高速铁路工务工程设备全貌。随着虚拟现实技术的不断发展，更多的交通工程建设采用三维环境进行表现，如高速公路。在这些三维场景的建立过程中，主要采用三维建模软件进行构件建模，并逐个对构件进行位置摆放，形成三维环境整体环境，最终利用虚拟现实的技术进行环境展现。但是，由于铁路工务工程，特别是桥梁工程，具有里程长、构件多而复杂、模型装配精度要求高的特点。因此，采用传统高速公路的三维环境搭建方式不能满足高速铁路工务工程的要求。目前，提出了一种利用三维GIS的方式进行环境的展现方法，S卩，在三维GIS软件中，通过绝对坐标摆放构件，以实现每个模型均能摆放在实际位置上。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供一种基于三维地理信息平台的铁路工务工程设施设备数据的生产方法，该方法以铁路工务工程设施设备属性数据自动生成三维场景，能够快速的搭建铁 路三维虚拟环境。(二)技术方案为了解决上述问题，本发明提出了铁路工务工程三维虚拟场景快速搭建方法，包括步骤S1、采集铁路工务工程的相关数据，并根据该数据确定铁路工务工程的模型属性信息；S2、根据确定的属性信息生成铁路工务工程三维模型库及其周边三维环境，并进行模型匹配、模型姿态调整及模型拉伸；S3、在三维GIS平台中通过统一坐标系，将铁路工务工程三维模型与其周边三维环境进行结合，以展示搭建完成的场景。优选地，步骤S I中相关数据包括铁路线路矢量数据、里程标、桩基、承台、桥墩、垫石、桥梁、轨道板、轨道以及供电所。优选地，步骤SI中模型属性信息包括模型属性字段、模型位置字段、模型拉伸及模型姿态字段。优选地，所述模型拉伸及模型姿态字段描述模型旋转角度以及单位模型变形量。优选地，步骤S2中生成周边三维环境包含数字正射影像图以及数字高程模型的制作及合成，该环境的制作为铁路工务工程提供了展示环境。优选地，步骤S2中三维模型库是对铁路工务工程三维部件进行集中管理的数据库，是模型匹配环节中模型的来源。优选地，步骤S2中模型匹配过程是利用模型的属性字段中规定的模型类型，在三维模型库中检索对应模型，并结合属性字段中的位置字段进行模型的摆放。优选地，步骤S2中模型姿态调整及拉伸是在模型摆放到三维场景后，对模型水平方向，垂直方向上进行角度变化，其中水平方向旋转角度是根据模型中心点位置上的铁路线法向量与北方向的夹角进行计算而得出，垂直方向旋转角度是根据模型平面标高进行角度计算而得出。优选地，在数据库中通过唯一编码字段，建立三维模型与工务工程属性信息数据库的关联关系，实现三维环境下的铁路工务工程信息查询。一种铁路工务工程三维虚拟场景快速搭建系统，包括用于采集铁路工务工程的相关数据，并根据该数据确定铁路工务工程的模型属性信息的模块；用于根据确定的属性信息生成铁路工务工程三维模型库及其周边三维环境，并进行模型匹配、模型姿态调整及模型拉伸的模块；用于在三维GIS平台中通过统一坐标系，将铁路工务工程三维模型与其周边三维环境进行结合，以展示搭建完成的场景的模块。(三)有益效果本发明能够改善铁路工务工程信息的查看和管理方式，特别是对于桥梁多、跨度大的高速铁路建设和运营管理方面，具备以下突出优点1、以三维场景为展示环境，能够更直接的查看到高速铁路周边环境对铁路的影响；2、三维铁路工务工程的展示是以工程构件为数据单元，将更为直观和细致的展示桥梁、路基、隧道及涵洞等信息；3、取代原有繁杂的CAD图纸，通过可视化图形与信息数据库进行统一，实现工务工程信息统一化信息检索；4、利用属性进行模型驱动，将大大降低建模过程中的人工成本，提高了三维环境的搭建效率；
5、利用线性参考和动态分段技术，能够对铁路构件机型精确定位，保证铁路工务工程信息展示的准确性；6、利用GIS的分析功能，可在浏览系统中进行距离量算、洪水分析、通视分析。
下面参照附图并结合实例来进一步描述本发明。其中图1为根据本发明实施例的导航线提取方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明的实施例选择以高速铁路为例，但本发明不限于高速铁路，还可以是其它铁路、轨道、道路、闻速公路等等。图1为根据本发明实施例的铁路工务工程三维虚拟场景快速搭建方法流程图，该方法包括步骤S1、采集铁路工务工程的相关数据，并根据该数据确定铁路工务工程的模型属性信息；该步骤中，根据铁路工务工程的特点，通过结合GIS技术中的线性参考和动态分段技术，采集包含铁路线路矢量数据、里程标、桩基、承台、桥墩、垫石、桥梁、轨道板、轨道以及供电所等附属设施。信息采集可以采用填报的方式，由施工单位填写，填写的内容包含了构件的基本信息、姿态信息、位置信息等要素。数据采集操作可以采用B/S结构进行设计，铁路设计人员或施工人员进行数据录入，完成数据采集。数据采集属性表中分为三类字段，分别是模型属性字段、模型位置字段、模型拉伸及模型姿态字段，下面以桥梁为例加以说明。例如，桥梁数据采集属性表包括以下字段桥梁单位工程名称、起点里程、终点里程、梁类型、梁长、伸缩缝宽、梁宽度、梁顶面标高、起点标高、终点标高、现浇梁圬工方、北向夹角。模型属性字段主要描述该模型的基本信息。其中梁类型字段是属性与模型库中的梁类型匹配字段，通过该字段可在模型库中寻找相应的三维模型。模型位置字段包括起点里程、终点里程以及梁顶面标高，其中起点和终点里程为经过断链计算后的连续里程值。通过每根梁的起点、终点里程可计算出该梁的中心里程，结合梁顶面标高，可计算得出梁中心位置的X、Y、Z坐标。模型拉伸及模型姿态字段描述模型旋转角度以及单位模型变形量。模型库中的模型为单位模型，通过该字段可对单位模型进行X、Y、Z三个方向上的拉伸。原始采集的铁路线路矢量数据不含里程信息，通过GIS中的线性参考理论，将线路里程信息加入至线路矢量数据中，得到铁路线路线性参考，并通过线路里程标对线路线性参考进行纠正，得到具备连续里程的准确线性参考，为铁路构件提供准确定位的数据基础。S2、根据确定的属性信息生成铁路工务工程三维模型库及其周边三维环境，并进行模型匹配、模型姿态调整及模型拉伸；生成周边三维环境是包含数字正射影像图以及数字高程模型的制作以及合成，该环境的制作为铁路工务工程提供了展示环境。铁路工务工程三维模型不是孤立存在的，其需要在三维环境中进行位置匹配。在建立三维环境后，可建立铁路工务工程三维模型库，三维模型库是对铁路工务工程三维部件进行集中管理的数据库，是模型匹配环节中模型的来源。根据铁路设计图纸进行精细三维建模的过程，该过程根据铁路构件设计图在3d Max或类似软件中建立不同类型的模型，例如轨道板分为I型轨道板、II型轨道板。并将这些模型导入到数据库中，建立数据库索引。模型匹配过程是利用模型的属性字段中规定的模型类型，在三维模型库中检索对应模型，并结合属性字段中的位置字段进行模型的摆放。在模型匹配后，单个构件中心点已经匹配到正确的位置上，但是由于铁路路径的曲率变化，模型是需要经过姿态的调整才能符合实际的情况。模型姿态调整及拉伸是在模型摆放到三维场景后，对模型水平方向，垂直方向上进行角度变化，其中水平方向旋转角度是根据模型中心点位置上的铁路线法向量与北方向的夹角进行计算而得出，垂直方向旋转角度是根据模型平面标高进行角度计算而得出。
S3、在三维GIS平台中通过统一坐标系，将铁路工务工程三维模型与其周边三维环境进行结合，以展示搭建完成的场景；场景展示是基于GIS平台的三维场景浏览功能，在三维GIS平台中通过统一坐标系，将三维环境和三维模型进行结合，实现铁路工务工程及周边环境的三维虚拟展示。另夕卜，可在数据库中通过唯一编码字段，建立三维模型与工务工程属性信息数据库的关联关系，实现三维环境下的铁路工务工程信息查询。本发明还提供了一种铁路工务工程三维虚拟场景快速搭建系统，该系统包括用于采集铁路工务工程的相关数据，并根据该数据确定铁路工务工程的模型属性信息的模块；用于根据确定的属性信息生成铁路工务工程三维模型库及其周边三维环境，并进行模型匹配、模型姿态调整及模型拉伸的模块；用于在三维GIS平台中通过统一坐标系，将铁路工务工程三维模型与其周边三维环境进行结合，以展示搭建完成的场景的模块。本发明的技术特点在于1、高速铁路工务工程三维环境搭建时，信息采集内容定义；2、通过属性信息的挖掘，利用数据之间里程关联关系对上报数据进行校验；3、基于GIS线性参考和动态分段技术的铁路工务工程位置定位技术，实现通过铁路构件的连续里程值、标高信息向大地坐标的转换；4、属性信息与高速铁路模型库建立匹配关系，通过属性信息对建模过程进行驱动；5、利用属性信息中构件姿态及形状信息，在三维场景中对单位模型进行旋转和拉伸；6、通过GIS平台，建立工务工程模型与对应属性信息的关联关系，实现工务工程信息可视化检索与查询。在三维GIS平台中，用户通过输入设备，如键盘、鼠标控制显示视口，当用户需要对某个视口内的工务构件进行查询时，通过鼠标点击可在GIS中获取该构件的唯一编码，该构件的唯一编码与属性信息数据库中编码相一致，通过该编码可在属性数据库中检索出该构件的详细属性信息，并将信息反馈给客户端前台，展现在用户面前。本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
权利要求
1.一种铁路工务工程三维虚拟场景快速搭建方法，其特征在于，包括步骤 51、采集铁路工务工程的相关数据，并根据该数据确定铁路工务工程的模型属性信息； 52、根据确定的属性信息生成铁路工务工程三维模型库及其周边三维环境，并进行模型匹配、模型姿态调整及模型拉伸； 53、在三维GIS平台中通过统一坐标系，将铁路工务工程三维模型与其周边三维环境进行结合，以展示搭建完成的场景。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于 步骤SI中相关数据包括铁路线路矢量数据、里程标、桩基、承台、桥墩、垫石、桥梁、轨道板、轨道以及供电所。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于 步骤Si中模型属性信息包括模型属性字段、模型位置字段、模型拉伸及模型姿态字段。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于 所述模型拉伸及模型姿态字段描述模型旋转角度以及单位模型变形量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于 步骤S2中生成周边三维环境包含数字正射影像图以及数字高程模型的制作及合成，该环境的制作为铁路工务工程提供了展示环境。
6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于 步骤S2中三维模型库是对铁路工务工程三维部件进行集中管理的数据库，是模型匹配环节中模型的来源。
7.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于 步骤S2中模型匹配过程是利用模型的属性字段中规定的模型类型，在三维模型库中检索对应模型，并结合属性字段中的位置字段进行模型的摆放。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于 步骤S2中模型姿态调整及拉伸是在模型摆放到三维场景后，对模型水平方向，垂直方向上进行角度变化，其中水平方向旋转角度是根据模型中心点位置上的铁路线法向量与北方向的夹角进行计算而得出，垂直方向旋转角度是根据模型平面标高进行角度计算而得出。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括 在数据库中通过唯一编码字段，建立三维模型与工务工程属性信息数据库的关联关系，实现三维环境下的铁路工务工程信息查询。
10.一种铁路工务工程三维虚拟场景快速搭建系统，其特征在于，包括 用于采集铁路工务工程的相关数据，并根据该数据确定铁路工务工程的模型属性信息的模块； 用于根据确定的属性信息生成铁路工务工程三维模型库及其周边三维环境，并进行模型匹配、模型姿态调整及模型拉伸的模块； 用于在三维GIS平台中通过统一坐标系，将铁路工务工程三维模型与其周边三维环境进行结合，以展示搭建完成的场景的模块。
全文摘要
本发明提供了一种铁路工务工程三维虚拟场景快速搭建方法，包括S1、采集铁路工务工程的相关数据，并根据该数据确定铁路工务工程的模型属性信息；S2、根据确定的属性信息生成铁路工务工程三维模型库及其周边三维环境，并进行模型匹配、模型姿态调整及模型拉伸；S3、在三维GIS平台中通过统一坐标系，将铁路工务工程三维模型与其周边三维环境进行结合，以展示搭建完成的场景。本发明具备以下优点1、更直接的查看高速铁路周边环境对铁路的影响；2、更为直观和细致的展示桥梁、路基、隧道及涵洞信息；3、实现工务工程统一化信息检索；4、降低建模过程中的人工成本，提高了三维环境的搭建效率；5、保证铁路工务工程信息展示的准确性。
文档编号G06F17/50GK103064998SQ20121051963
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者王富章, 李平, 王英杰, 卢文龙, 梁策, 封博卿, 吴艳华, 邹丹 申请人:中国铁道科学研究院电子计算技术研究所, 北京经纬信息技术公司