铁路三维地形及仿真场景快速建立技术研究

通过四叉树空间索引原理计算地形和影像金字塔,实现三维地形的快速建立和浏览,同时根据既有铁路三维线位,提出铁路中线分段投影、三维模型自动匹配等方法,可快速搭建铁路沿线三维仿真场景。     

基于Unity3D的地铁线路三维模型自动生成的研究

地铁线路三维模型的自动生成有助于快速实现三维视景仿真。以线路平面和纵断面数据为基础,研究了线路路径点的坐标计算方法;采用Unity3D和C#程序,结合数据库技术,实现了数据读取与路径生成;采用线渲染器组件和生成Mesh网格的方法,实现了轨道、道岔等模型的创建;并通过Douglas–Peucker算法,实现对轨道三维模型的简化,有效提升了画面渲染速度和帧率;运用碰撞检测、消息广播等技术,实现了虚拟场景漫游和列车运行模拟。基于该研究开发的软件可快速构建地铁线路模型并进行驱动,为地铁运营场景仿真提供三维视景基础。     

铁路三维大场景虚拟踏勘及线路设计要素系统研究

为解决在二维矢量图中进行铁路选线设计工作时缺乏立体感、不直观的问题，基于SuperMap iObjects. Net GIS组件，采用组件式开发技术研制了铁路三维大场景虚拟踏勘及线路设计优化系统。围绕该系统的设计思路，详细介绍了系统的架构、数据库、功能及界面设计；围绕系统开发关键技术，分别阐述了三维场景中线路方案显示及参数化交互技术、基于最小影响域的线路平纵断面及三维中心线自动更新方法、系统与CAD动态联动实现原理、基于WebService的三维地形模型高程计算、GIS三维模型快速生成方法。该系统综合运用了BIM与GIS技术，采用航测影像、卫星影像、激光雷达点云等多种数据源对铁路沿线及周边的三维大场景进行构建，通过系统研发的各个功能模块能在构建的三维大场景中开展线路虚拟踏勘、专业调查、二三维联动设计、GIS三维模型快速布设、成果展示汇报等工作。系统的应用可以满足铁路设计人员三维选线设计的基本需求，能够进一步提高铁路选线设计效率。     

地理坐标系下施工便道三维快速设计技术

研究目的:我国铁路所经之处多为人口稀疏区,既有道路难以满足原材料与废弃物的运输需求,常常依靠施工便道。为解决环境险峻处施工便道难以快速设计优化与直观展示的问题,本文提出一种地理坐标系下施工便道三维快速设计方法。研究结论:(1)地理坐标系与投影坐标系之间的转换关系,为参数计算与三维展示提供了前提;(2)施工便道参数化建模方法分为边坡类型判断、轮廓线获取、模型生成三个步骤;(3)设计成果以三维模型、矢量图形、填挖方量以及局部地形修改数据进行输出,并以图层化管理;(4)实现球面三维场景中施工便道模型一键生成与设计方案科学比选,模型的可编辑性能够对设计成果进行优化,地形填挖数据的局部更新与实时控制可实现地形分析的准确性和地形的快速修改与恢复;(5)在某铁路工程高陡边坡桥墩施工时,本文设计方法可实现施工便道方案比选与快速设计。     

卫星影像大场景立体模型精度控制方法研究

卫星影像大场景立体模型作为一种新型数字测绘产品,能够提供一个大范围、可量测、连续无缝的真三维立体环境,相较于传统三维模型优势明显。大场景立体模型制作过程中工序较多,需对关键环节进行精度控制,才能有效保证最终成果的质量。以某铁路测区为例,先利用高精度的卫星遥感影像空三信息生成初始的分辨地模数据,作为立体引导基准地形参考,然后通过仿真视差原理引入人工视差,在立体重叠区域内制作无缝立体像对模型,最终实现高分辨率航天卫星大场景制作技术与高精度量测方法。针对影像匀光匀色、DEM生产与编辑、拼接线编辑3个关键环节提出可行性方案,并将其影响程度量化,实现卫星影像大场景立体模型制作的标准化。结果表明,使用WorldView卫星影像制作的大场景立体模型数学精度较高,定向点的平面、高程坐标最大残差为1.81 m和0.95 m,在各级地形下均满足相应规范要求,且视觉效果良好,具有广泛的适用性。     

铁路数字化选线三维地质环境建模方法

铁路数字化选线设计达到实用水平的关键是复杂地质区域的数字地质选线技术。本文采用插值n次Bézier曲线和三次参数样条曲线分别实现不同类型地质对象在三维地质环境中的矢量化表达;采用CDT构建方法建立地质对象约束TIN模型,基于纹理定位和影像纹理坐标计算方法,实现栅格解译影像的定位和表达;实现将铁路数字化三维选线的矢量数据、栅格数据一体化的三维地质环境建模方法。根据直观地质遥感解译影像,建立OBB包围盒算法,自动判断线路与地质对象的空间冲突。在三维地形环境的基础上,建立超地图模型,实现三维地质环境和三维地理信息的统一集成和应用。实例表明,本文的三维地质环境模型能够较好满足复杂地质区域的数字选线要求。     

基于OSG的铁路站场三维场景层次细节建模研究

研究目的:BIM建模的重要环节是实现三维可视化模型的创建。在铁路站场的设计工作中,实时生成的三维场景模型可为设计成果提供参照,增加设计的准确性。但站场设备众多且庞杂,如何组织数据,快速生成适应站场设计阶段方案修改要求、调度流畅的实时三维可视化模型是创建三维场景模型的难点。研究结论:(1)提出层次细节三维站场模型构建方法,解决了大数据量模型加载时间长、硬件要求高的问题;(2)提出合理的数据管理结构,创建设计数据独立于建模过程的建模方法;(3)基于本文方法完成站场三维场景平台搭建,可实现站场三维快速建模、动态加载和交互式浏览,显著提高工作效率;(4)该研究成果可广泛应用于公路、隧道、水利等其他工程领域的三维层次细节建模及三维场景管理中。     

城市轨道交通三维城市景观快速建模方法研究

城市景观是轨道交通三维地理环境的重要组成部分。基于Google Earth软件批量获取城市空间坐标数据和数字正射影像图,实现城市三维地形重建。利用CityPlan建模软件快速建立多种样式建筑物模型,通过数据库实现对建筑物模型空间信息的有效管理。采用skyline软件的二次开发技术,将城市三维地形和各种建筑物三维模型统一集成,实现了用于城市轨道交通线路设计的三维城市景观的快速建立。     

基于遥感数据的选线三维地理环境建模方法

遥感技术、数字摄影测量技术可以快速获取选线区域的数字高程模型和影像数据,结合计算机图形学、科学计算可视化快速建立虚拟选线系统的三维真实地理环境,从而在该三维环境中进行选线设计。针对虚拟环境铁路选线系统大规模地形的特点,给出一个与视点相关、视线方向相关、地形起伏幅度相关、格网最小间距相关的连续多分辨率简化网格模型,克服拼接裂缝问题,实现基于四叉树的动态多分辨率三维地形实时显示与漫游。试验结果表明,该方法可以很好地满足虚拟环境选线系统大规模三维地形可视化和实时漫游的要求。     

铁路工程设计BIM技术的差异化与解决方案

研究目的:单体建筑的BIM技术及其应用已趋于成熟,但铁路工程BIM技术的开发与应用整体上尚处于起步和探索阶段。目前业主的需求越来越迫切和广泛,铁路工程设计BIM技术的开发与应用已迫在眉睫。通过建立基于BIM技术带状的铁路工程真实场景模型协同设计平台,实现各专业在同一个全线真实三维场景模型下的协同设计,使工程技术人员对各种工程信息作出正确的理解和高效的应对,从而提高生产效率、节约成本和缩短工期。研究结论:(1)带状大范围工程设计三维真实感场景技术的研究成功,开辟了一个全新的铁路工程设计应用BIM技术途径;(2)利用航空遥感影像数据和地形数据,由计算机生成与现场一致的三维真实场景模型;将各专业的工程三维模型按照里程坐标集成在一个带状连续的三维真实场景中,即可实现铁路工程BIM方式下的协同设计;(3)本文提出的铁路工程设计BIM技术开发与应用的解决方案,对铁道工程设计单位开展BIM工作具有一定的借鉴意义。     

基于BIM的三维地形自动修正和拟合方法

在铁路工程BIM设计中,利用测绘资料生成的三维地形面是BIM设计的基准数据。现有铁路BIM设计软件一般利用已知特征点、线直接生成三角网,由该方法生成的面存在无法反映实际特征以及三角面之间过渡突兀等问题。针对此方法的不足,提出一种基于高斯过程回归模型的三维地形面拟合及修正方法,即利用少量特征点、线拟合三维地形面,也可以在顾及原始曲面三维特征的前提下,利用少量高精度特征点、线进行纠正,得到更高精度的地形面。该方法已应用于京张高铁BIM设计中,为路基、桥梁、隧道、建筑以及站后各专业提供了准确的地形基准,具备良好的实际应用价值。     

BIM地形建模技术在高速铁路测绘中的应用

为了提高铁路测绘过程中的信息化水平和管理效率,利用BIM技术构建三维地表模型,通过各专业间的协同工作,实现对铁路建设项目的全生命周期管理。利用航空摄影测量技术获取高分影像数据,经过空三加密、点云滤波等处理,得到数字高程模型(DEM)和数字正射影像图(DOM)。采用CATIA软件进行地形曲面创建、地表材质铺贴以及地形裁切,为后序设计专业进行铁路BIM模型设计提供三维地形环境;将该技术应用于BIM铁路项目,模拟项目工点区域的真实三维环境,为路基、桥梁、隧道等专业的二维设计提供直观可靠的设计依据;将BIM技术应用于地表模型创建,辅助后序各专业开展设计,通过协同设计实时对设计变更区域进行合理的地形裁切。还可展示土地的使用情况,帮助管理者制定征地拆改方案,进行安全监管,从而提高铁路建设过程中的信息化水平和管理效率。     

基于BIM技术的隧道洞口二三维同步设计方法研究

为解决设计人员完成隧道洞口二维设计文件后还需耗费额外时间进行BIM翻模的问题,提高隧道洞口设计质量,实现精细化设计目标。基于Bentley OpenRailDesigner CE软件对地形与线路中线支持的特性,结合隧道洞口设计流程与习惯,提出基于中心数据库的隧道洞口二、三维同步设计方法;利用数字地形高程生成网格化地形模型,基于三维线路中线定位动态剖切地形模型生成横、纵断面,参数化驱动洞门设计模板图元,选取与地形适应的洞门类型并确定洞口位置;通过二三维互动的参数化交互方式设计边仰坡开挖及支护参数、明洞回填高度与坡度、端墙式洞门结构参数、洞口截水沟及超前大管棚设计参数;最后,通过这些设计参数同步生成三维BIM模型与二维设计图纸,并统计相关工程数量。利用C#、C++API接口研发了“隧道洞口二三维同步设计系统”。通过在西十、西康高铁项目中应用表明,该方法与系统符合设计习惯,能够实现隧道洞口工程的二维与三维设计与成果输出,在后续项目中具有推广应用价值。     

机载激光雷达技术(LiDAR)在航测中的应用实践

LiDAR是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统,通过量测地面物体的三维坐标,生成LiDAR数据影像。LiDAR数据经过相关软件数据处理后,可以生成高精度的数字地面模型DEM、等高线图及正射影像图。机载激光雷达技术的商业化应用,使航测制图如生成DEM、等高线、地物要素、断面图的自动提取更加便捷,其地面数据通过软件处理很容易合并到各种数字图中。     

铁路大场景立体影像模型制作关键技术及应用

研究目的:大场景立体影像模型是由正射影像和立体辅助影像构成的无缝立体影像模型,传统模型制作方法工作量大、作业效率低下,限制了生产应用。本文根据大场景立体影像模型制作原理,优化作业模式,从航摄影像匀色、数字高程模型生产及影像拼接线编辑生产等大场景立体影像模型制作关键技术上提出可行的方案,实现大场景立体影像模型的高效快速制作,以满足生产应用需求。研究结论:(1)大场景立体影像模型可提供一个连续无缝的真三维立体环境,通过该模型可进行三维立体显示、量测、设计、分析和数据采集;(2)试验出一套快速便捷的制作大场景立体影像模型的工作方法及流程,系统总结了大场景立体影像模型在铁路勘察设计各个专业的应用情况;(3)大场景立体影像模型可作为一个新的数字测绘产品,对推动铁路勘察设计信息化、智能化发展具有重要的意义,不仅在铁路行业能够发挥巨大的价值,同样适用于公路、水利、电力、城市规划等工程领域。     

Global Mapper在新建铁路前期选线中的应用

新建铁路项目前期选线过程中,快速建立研究区域内的DEM尤为重要,而前期方案研究常因缺少矢量化地形图而使项目受阻,GM恰可利用免费的全球SRTM高程数据生成等高线并创建DEM。同时,GM还可以输出研究区域内可视化、真实的三维地形,直观展示出地形变化特点,方便前期方案展示与决策。从创建DEM和三维地形可视化两个方面阐述GM软件在新建铁路项目前期研究中的应用过程,并以实际项目证明软件的应用价值,最后分析其应用过程中存在的问题,指出其发展方向。     

基于三维协同的铁路框架箱涵正向设计研究与应用

为了研究涵洞在三维场景下的协同设计、模型实时交互创建方法与二维成果转换，基于BIM、协同设计平台与数字化技术，形成了数字化三维铁路箱涵设计软件。提出：(1)各涵洞构件以不同的工程与结构特性分类建模，再整体拼装，将涵洞常用工程参数融入建模过程中，并通过不同的适用条件与分类标签对涵洞进行数据库管理，便于设计复用；(2)基于不同层级构件使其形成构件树列表，对项目中的涵洞工点进行管理，调用协同接口读取线路、地形、路基等关联专业的三维BIM模型作为环境参数与约束条件进行正向设计，实时调整涵节布置、斜交角度、填土厚度、涵轴坡率等结构控制参数；(3)建模完成后，可通过协同接口输出涵洞的结构尺寸、位置信息等工程信息，向专业计算软件与二维出图软件提供交互数据，提高不同专业间、不同设计阶段间的信息传递效率，并输出二维图纸成果，实现了基于三维协同BIM模型的数字化设计信息高效传递和利用。该铁路箱涵三维设计软件在成达万铁路中进行了应用，快速进行数百个涵洞正向设计，并根据实际环境进行设计调整，优化设计参数，排查不同专业间接口问题，相比以往的设计方式极大地提高了三维建模效率，减少人为因素产生的设计问题，为桥梁工程...     

基于SketchUp和ArcGIS的三维GIS开发技术研究

三维GIS是目前GIS科学发展的新趋势之一,针对目前二维GIS数据丰富,三维建模耗时长、三维分析功能不足等现状,提出一条利用SketchUp批量处理二维GIS数据,快速实现三维场景建模;利用ArcGIS平台进行二次开发,实现三维场景驱动,从而完成三维GIS开发的技术路线,并设计开发了相应的实验系统,展示了该路线的可行性与实际应用效果.     

基于三维空间场景的铁路选线技术研究

利用先进的机载激光雷达和数码航摄仪采集的高分辨率海量影像数据资源,建立三维空间场景。在"铁路线路虚拟踏勘系统"的海量数据管理平台上,结合CAD平面设计进行铁路选线。研究采用三维虚拟现实技术和CAD平面设计,将基础地形和线路方案相结合,实现基于三维空间场景的铁路选线,使设计方案更加合理,并在一定程度上解决了野外现场调查的人员和设备等投入大的问题。     

基于OSG的铁路三维实时交互式可视化技术研究

针对现有铁路三维可视化技术的局限性,深入研究了大规模地形建模、铁路建模、地形模型与铁路模型的融合等关键技术问题。基于OSG开发了铁路三维实时交互式可视化平台,该平台可以实现大规模铁路三维场景的快速构建,具有交互式漫游、场景编辑、信息查询等功能,已在成渝城际铁路项目中成功应用。