CN102385657B - 虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法，利用体现铁路设计中路基特征的参数构建参数化模型，快捷、准确地建立路基三维模型，并提供便捷的模型编辑与修改方法，为提升高速铁路路基设计水平提供有力的技术支持。本发明所涉及的虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法的技术步骤包括：S1-路基本体三维参数化建模、S2-路基防护三维参数化建模、S3-路基本体与防护组合成为完整的路基模型、S4-导出路基模型外表面地形数据、S5-路基模型导入虚拟现实环境。

Description

虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法

技术领域

本发明涉及铁路设计建模技术，特别是涉及高速铁路路基三维参数化建模技术。

背景技术

高速铁路路基的稳定性、路基与相邻桥梁和隧道的衔接质量乃至与周边环境的协调性直接影响铁路线路安全。目前路基设计、复核、审查主要借助平面图、路基横断面图等二维资料，信息不全，不直观，表达效果差。利用虚拟现实技术，根据设计图建立路基的真实三维模型，并将其放置于三维虚拟地理环境中，使设计、复核、审查者能够在设计阶段全面、系统、直观地预演铁路建成后的工程效果，可显著提高路基设计质量。目前路基三维建模的方法为手工建模，过程繁琐、效率低，模型随机性大，且模型编辑和修改困难，难以适应高速铁路路基设计和建设的需要。

发明内容

针对现有铁路路基三维建模技术存在的问题，本发明推出一种虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法，其目的在于，利用体现铁路设计中路基特征的参数构建参数化模型，快捷、准确地建立路基三维模型，并提供便捷的模型编辑与修改方法，为提升高速铁路路基设计水平提供有力的技术支持。

本发明所涉及的虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法，技术步骤包括：S1-路基本体三维参数化建模、S2-路基防护三维参数化建模、S3-路基本体与防护组合成为完整的路基模型、S4-导出路基模型外表面地形数据、S5-路基模型导入虚拟现实环境。

S1-路基本体三维参数化建模包括：路基铁轨三维参数化建模；路基轨枕三维参数化建模；根据铁轨与轨枕的相对位置关系，实现铁轨与轨枕的自动停靠，并将铁轨与轨枕组合成为单个铁路轨道模型；根据铁路轨道数目和铁路轨道间距参数将单个铁路轨道模型组合成为完整的铁路轨道模型；路基垫层三维参数化建模；根据铁路轨道与垫层的相对位置关系，实现铁路轨道与垫层的自动停靠，并将铁路轨道模型与垫层模型组合成为完整的路基本体模型。

S2-路基防护三维参数化建模包括：分组件构造路基本体的多级防护；设置每种防护组件在不同朝向下的定位点和插入点；设置防护组件之间的停靠关系；设置防护组件与路基本体之间的相对位置关系；根据防护组件的定位点、插入点、组件之间的停靠关系，实现多级防护之间的自动停靠；根据防护组件与路基本体之间的相对位置关系，将防护组件组合成为左侧防护与右侧防护。

S3-路基本体与防护组合成为完整的路基模型：根据左侧防护、右侧防护与路基本体之间的相对位置关系，将路基本体与防护组合成为完整的路基模型。

S4-导出路基模型外表面地形数据包括：输出路基本体外表面范围线的世界坐标；输出左右两侧各级路基防护组件外表面范围线的世界坐标；对路基本体外表面范围线的世界坐标和左右两侧各级路基防护组件外表面范围线的世界坐标进行一致性检查与坐标合并，得到路基模型外表面范围线的世界坐标；根据用户指定的采样间隔和路基模型外表面范围线的世界坐标，通过插值运算获得路基模型外表面的规则格网地形数据；将路基模型外表面的规则格网地形数据由世界坐标转换为局部球体切平面直角坐标。

S5-路基模型导入虚拟现实环境包括：将铁路沿线真实的三维地形数据导入三维显示平台，构造虚拟现实环境；将路基模型外表面地形数据导入三维显示平台，替换同位置的地形数据，并与周围原地形数据进行平滑和连接；将路基三维模型的数据格式转换为三维显示平台可识别的数据格式；将路基模型、对应的纹理图片、模型的属性信息导入三维显示平台进行显示、浏览和查询。

本发明在对高速铁路路基要素进行深入分析之后，对其类型和组件进行归纳总结，用参数化模型予以描述。用户可通过导入参数文件的方式建立路基，并通过修改参数对已建立模型快速编辑，减少了路基三维建模的人工作业量，提高了路基三维建模的自动化程度，同时能够有效避免人工建模的随机误差，提高模型的准确度。本发明提高了高速铁路路基设计结果的可视化程度，为高速铁路选线和设计提供了有效辅助。

附图说明

图1为虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法技术流程图。

图中标记说明：

S1、路基本体三维参数化建模

S2、路基防护三维参数化建模

S3、路基本体与防护组合成为完整的路基模型

S4、导出路基模型外表面地形数据

S5、路基模型导入虚拟现实环境。

具体实施方式

结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

图1显示虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法的基本流程。如图所示，本发明涉及的虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法包括如下步骤：路基本体三维参数化建模S1、路基防护三维参数化建模S2、将路基本体与防护组合成为完整的路基模型S3、导出路基模型外表面地形数据S4、路基模型导入虚拟现实环境S5。

S1-路基本体三维参数化建模包括：路基铁轨三维参数化建模；路基轨枕三维参数化建模；根据铁轨与轨枕的相对位置关系，实现铁轨与轨枕的自动停靠，并将铁轨与轨枕组合成为单个铁路轨道模型；根据铁路轨道数目和铁路轨道间距参数将单个铁路轨道模型组合成为完整的铁路轨道模型；路基垫层三维参数化建模；根据铁路轨道与垫层的相对位置关系，实现铁路轨道与垫层的自动停靠，并将铁路轨道模型与垫层模型组合成为完整的路基本体模型。参数化建模步骤为：构建对象的横截面二维模型；沿线路中线，对横截面二维模型进行放样，得到初始的三维结构体；若存在描述对象排布状况的参数，则根据该参数对三维结构体各内部元素进行位置移动和重新排布；若存在描述对象埋深状况的参数，则根据该参数对三维结构体进行整体沉降，得到对象的三维结构体；对三维结构体进行纹理贴图。构建对象的横截面二维模型，根据提供参数类型不同分为两种方式，即几何参数建模与模型坐标串建模。几何参数建模指根据描述对象几何形状的参数构造对象的横截面二维模型。模型坐标串建模指根据模型坐标系下的三维坐标串构造对象的横截面二维模型。对三维结构体进行纹理贴图，包括两种纹理贴图方式，即行列贴图方式和长度贴图方式。行列贴图方式指输入贴图的行数与列数，根据行、列数将纹理贴图均匀平铺于待贴图面内。长度贴图方式指根据模型的世界坐标计算待贴图面实际大小，根据纹理贴图的分辨率计算待贴图面内应平铺纹理贴图的行、列数，根据行、列数将纹理贴图均匀平铺于待贴图面内。路基铁轨三维参数化建模在构建对象的横截面二维模型过程中采用模型坐标串建模，在对三维结构体进行纹理贴图过程中采用长度贴图方式。路基轨枕三维参数化建模在构建对象的横截面二维模型过程中采用几何参数建模，用层数、长、宽描述轨枕的几何形状，在对三维结构体进行纹理贴图过程中采用长度贴图方式，表现轨枕的建筑材料和内部结构。路基垫层建模首先实现各层垫层参数化建模，然后根据各垫层的模型坐标确定其相对位置关系，将各垫层模型组合成为完整的垫层模型。各层垫层参数化建模在构建对象的横截面二维模型过程中采用模型坐标串建模，在对三维结构体进行纹理贴图过程中采用长度贴图方式。

S2-路基防护三维参数化建模包括：分组件构造路基本体的多级防护；设置每种防护组件在不同朝向下的定位点和插入点；设置防护组件之间的停靠关系；设置防护组件与路基本体之间的相对位置关系；根据防护组件的定位点、插入点、组件之间的停靠关系，实现多级防护之间的自动停靠；根据防护组件与路基本体之间的相对位置关系，将防护组件组合成为左侧防护与右侧防护。在分组件构造路基本体的多级防护过程中，将防护组件分为排水、护坡、板墙、挡土墙、桩、桩板墙和附属部件七种模型，构建路基设计图纸中出现的防护组件，进行参数化建模。排水参数化建模过程中，将排水分为水沟和盲沟模型，设计图中水沟较常见的形状为矩形和梯形，在构建对象的横截面二维模型过程中采用几何参数建模，采用两个宽度参数予以描述，固定坡度为2%，在对三维结构体进行纹理贴图过程中采用长度贴图方式；盲沟几何形状一致性较高，在构建对象的横截面二维模型过程中采用几何参数建模，除平台宽度外，其余几何参数均为固定值，在对三维结构体进行纹理贴图过程中采用长度贴图方式。护坡参数化建模过程中，对护坡结构进行提炼和简化，将护坡分为不带帽石护坡和带帽石护坡模型，不带帽石护坡参数化建模在构建对象的横截面二维模型过程中采用几何参数建模，采用斜率、坡面宽度、厚度描述其几何形状，略去锚杆等部件；带帽石护坡参数化建模在构建对象的横截面二维模型过程中采用几何参数建模，沿用不带帽石护坡坡面参数，并增添帽石的宽度、高度参数；在对三维结构体进行纹理贴图过程中采用长度贴图方式表现坡面构造、挖空和喷播植草状况，提供8种纹理贴图，基本涵盖高速铁路设计中常见的多种坡面，并支持纹理贴图扩充。在设计中，板墙与护坡的功能、构造等方面都具有较大差异，但从三维建模角度来看，板墙与不带帽石的护坡结构类似，可通过对不带帽石的护坡参数进行修改，建立模型。挡土墙参数化建模在构建对象的横截面二维模型过程中采用几何参数建模，采用宽度、高度、厚度、斜率参数描述挡土墙几何形状，在对三维结构体进行纹理贴图过程中采用长度贴图方式表现挡土墙的建筑材料（如混凝土）和结构（如泄水孔）。桩参数化建模在构建对象的横截面二维模型过程中采用几何参数建模，采用长、宽、高描述桩的几何形状，采用桩间距描述桩的排布状况，采用桩的地下长度描述桩的埋深状况，在对三维结构体进行纹理贴图过程中采用长度贴图方式表现桩的建筑材料。桩板墙参数化建模过程中，将桩板墙分为桩和桩之间的土板，建模步骤包括桩参数化建模、土板参数化建模、土板与桩自动停靠，并组合成为完整的桩板墙模型。桩参数化建模同前。土板按照类型分为预置土板和现浇土板模型。土板参数化建模在构建对象的横截面二维模型过程中采用几何参数建模，采用长、宽、厚度、帽石长度参数描述土板的几何形状，在对三维结构体进行纹理贴图过程中，采用长度贴图方式表现现浇土板的建筑材料和结构，采用行列贴图方式表现预置土板的建筑材料和结构。采用土板缩进参数描述土板与桩的相对位置关系，实现土板与桩的自动停靠，并将土板与桩组合成为完整的桩板墙模型。为增加建模灵活性，创建附属部件，该部件能连接任意两个防护部件，且通过修改该部件的几何和纹理参数，可构造帽石、水平台、桩等多种部件。附属部件参数化建模在构建对象的横截面二维模型过程中采用几何参数建模，采用长、宽、高描述附属部件的几何形状，在对三维结构体进行纹理贴图过程中采用长度贴图方式表现附属部件的建筑材料。在设置每种防护组件在不同朝向下的定位点和插入点过程中，防护组件的朝向包括左右朝向和上下朝向，左右朝向指组件朝向路基本体或背向路基本体，上下朝向专指护坡防护的坡面朝向，若防护坡底面高于防护坡顶面，则定义坡面朝向向上，否则坡面朝向向下。设置防护组件之间的停靠关系过程具体包括两个步骤，即为每个防护组件设置组件编码，组件编码为正整数，且不可重复；为每个防护组件设置停靠编码，该编码为防护组件的停靠对象的组件编码。设置防护组件与路基本体之间的相对位置关系，以线路中线走向为正方向，设置每个防护组件在路基本体左侧或者右侧。

S3-路基本体与防护组合成为完整的路基模型：根据左侧防护、右侧防护与路基本体之间的相对位置关系，将路基本体与防护组合成为完整的路基模型。

S4-导出路基模型外表面地形数据包括：输出路基本体外表面范围线的世界坐标；输出左右两侧各级路基防护组件外表面范围线的世界坐标；对路基本体外表面范围线的世界坐标和左右两侧各级路基防护组件外表面范围线的世界坐标进行一致性检查与坐标合并，得到路基模型外表面范围线的世界坐标；根据用户指定的采样间隔和路基模型外表面范围线的世界坐标，通过插值运算获得路基模型外表面的规则格网地形数据；将路基模型外表面的规则格网地形数据由世界坐标转换为局部球体切平面直角坐标。

S5-路基模型导入虚拟现实环境包括：将铁路沿线真实的三维地形数据导入三维显示平台，构造虚拟现实环境；将路基模型外表面地形数据导入三维显示平台，替换同位置的地形数据，并与周围原地形数据进行平滑和连接；将路基三维模型的数据格式转换为三维显示平台可识别的数据格式；将路基模型、对应的纹理图片、模型的属性信息导入三维显示平台进行显示、浏览和查询。

Claims (5)

1.虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：路基本体三维参数化建模(S1)、路基防护三维参数化建模(S2)、路基本体与防护组合成为完整的路基模型(S3)、导出路基模型外表面地形数据(S4)、路基模型导入虚拟现实环境(S5)；

所述路基本体三维参数化建模(S1)包括：路基铁轨三维参数化建模，路基轨枕三维参数化建模，将铁轨与轨枕组合成为单个铁路轨道模型，将单个铁路轨道模型组合成为完整的铁路轨道模型，路基垫层三维参数化建模，将铁路轨道模型与垫层模型组合成为完整的路基本体模型；

所述路基防护三维参数化建模(S2)包括：分组件构造路基本体的多级防护，设置每种防护组件在不同朝向下的定位点和插入点，设置防护组件之间的停靠关系，设置防护组件与路基本体之间的相对位置关系，将防护组件组合成为左侧防护与右侧防护；

所述路基本体与防护组合成为完整的路基模型(S3)包括：根据左侧防护、右侧防护与路基本体之间的相对位置关系，将路基本体与防护组合成为完整的路基模型；

所述导出路基模型外表面地形数据(S4)包括：输出路基本体外表面范围线的世界坐标，输出左右两侧各级路基防护组件外表面范围线的世界坐标，对路基本体外表面范围线的世界坐标和左右两侧各级路基防护组件外表面范围线的世界坐标进行一致性检查与坐标合并，得到路基模型外表面范围线的世界坐标；根据用户指定的采样间隔和路基模型外表面范围线的世界坐标，通过插值运算获得路基模型外表面的规则格网地形数据；将路基模型外表面的规则格网地形数据由世界坐标转换为局部球体切平面直角坐标；

所述路基模型导入虚拟现实环境(S5)包括：将铁路沿线真实的三维地形数据导入三维显示平台，构造虚拟现实环境；将路基模型外表面地形数据导入三维显示平台，替换同位置的地形数据，并与周围原地形数据进行平滑和连接；将路基三维模型的数据格式转换为三维显示平台可识别的数据格式；将路基模型、对应的纹理图片、模型的属性信息导入三维显示平台进行显示、浏览和查询。

2.根据权利要求1所述虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法，其特征在于：所述路基本体三维参数化建模(S1)的路基铁轨三维参数化建模过程中，在构建对象的横截面二维模型过程中采用模型坐标串建模；所述路基本体三维参数化建模(S1)的路基轨枕三维参数化建模过程中，首先实现各层垫层参数化建模，然后根据各垫层的模型坐标确定其相对位置关系，将各垫层模型组合成为完整的垫层模型，各层垫层参数化建模在构建对象的横截面二维模型过程中采用模型坐标串建模。

3.根据权利要求1所述虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法，其特征在于：所述路基防护三维参数化建模(S2)，在分组件构造路基本体的多级防护过程中，将防护组件分为排水、护坡、板墙、挡土墙、桩、桩板墙和附属部件七种模型，排水参数化建模过程中，将排水分为水沟和盲沟模型，护坡参数化建模过程中，将护坡分为不带帽石护坡和带帽石护坡模型，桩板墙参数化建模过程中，将桩板墙分为桩和桩之间的土板，建模步骤包括桩参数化建模、土板参数化建模、土板与桩自动停靠，并组合成为完整的桩板墙模型。

4.根据权利要求1所述虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法，其特征在于：所述路基防护三维参数化建模(S2)，在分组件构造路基本体的多级防护过程中，土板参数化建模在对三维结构体进行纹理贴图过程中，采用长度贴图方式表现现浇土板的建筑材料和结构，采用行列贴图方式表现预置土板的建筑材料和结构。

5.根据权利要求1所述虚拟现实环境下高速铁路路基三维参数化建模方法，其特征在于：所述路基防护三维参数化建模(S2)，设置防护组件之间的停靠关系过程具体包括两个步骤，即为每个防护组件设置组件编码、为每个防护组件设置停靠编码；设置防护组件与路基本体之间的相对位置关系过程中，以线路中线走向为正方向，设置每个防护组件在路基本体左侧或者右侧。

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