CN105138788A - 一种道路三维模型全参数化建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种道路三维模型全参数化建立方法,它包括以道路设计过程出发，以道路平、纵断面的设计参数作为输入，如下具体建立步骤：通过平面直曲线拉伸、展开形成纵断面，建立道路纵断面直曲线，折叠形成道路中心线，在过渡特征点处布置超高和加宽横断面，形成道路路基面，提取边线与地形相交判定填挖段，通过交点射线法自动生成填挖断面，形成开挖面和填坡面，与进行填挖运算，生成道路三维模型。本发明克服现有的设计过程，导致输入参数意义不明确的缺点，具有快速响应设计变更，进行道路三维设计校审、土石方计算、路线规划比选、虚拟漫游的优点。

Description

一种道路三维模型全参数化建立方法

技术领域

本发明涉及到道路三维建立模型的技术领域，更加具体来说是一种道路三维模型全参数化建立方法。

背景技术

目前，道路三维模型主要运用于视觉表现如虚拟现实和仿真模拟等。随着三维设计的大力发展，道路三维模型将逐步服务于生产设计，如土石方计算、二维出图、路线优选等，首先需要道路三维模型能够达到设计的精度，其次道路设计是一个不断调整方案的过程，需要道路三维模型能够快速响应设计变更。因此，建立全参数化的高精度道路三维模型对道路设计有着重要的意义。

道路三维模型建立方式主要有两种方式，一是：基于路基横断面，线性内插拟合直接生成道路三维模型,如纬地软件可自动逐桩号生成多个路基横断面生成道路三维模型。该方法主要的缺点是道路模型是通过孤立存在的，三维模型的精度依赖于横断面数量，且设计参数与三维模型缺乏关联性；

二是：基于三维数字地形，通过填挖运算间接生成道路三维模型，能够完全贴合地形。该方法主要包括道路中心线建模和填挖运算，已有文献中道路中心线多数采用分段非均匀有理B样条拟合，拟合精度完全依赖于采样点的位置和数量，忽略了设计过程，导致输入参数意义不明确。特别是道路中心线在以缓和曲线为主时，拟合改了曲线的方程性质，平曲线和竖曲线的精度均得不到保证，其次是路基通过简单直线扫掠模拟路面，忽略了横断面的超高、加宽、边沟等细节。文献通过参数化路基横断面，能够模拟如上细节，但其跳过“带帽子”边坡线过程，路基和边坡实体分别以全挖或全填整体与地形运算，会存在过挖或过填等错误，通过三维模型剖切生成的二维路基横断面精度较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的忽略设计过程、导致输入参数的意义不明确的不足之处，而提出一种道路三维模型全参数化建立方法。

本发明一种道路三维模型全参数化建立方法，它包括以道路设计过程出发，以道路平、纵断面的设计参数作为输入，具体建立步骤如下：

a.全局大地坐标系约定以Z轴代表高程，根据交点坐标N(x)、E(y)依次生成交点JDi，直线连接各交点，生成交点辅助线；

b.在所述的各个交点JDi处按照曲线要素做圆曲线，并与交点辅助线修剪；

c.在所述的各个交点JDi处，如果存在缓和曲线，则根据所述的交点JDi处的曲线要素,在交点线上生成前后直缓点，分别以所述的前后直缓点为原点建立临时坐标系，x轴为原点指向交点JDi，y轴垂直于x轴向里，根据缓和曲线参数方程生成缓和曲线，将圆曲线沿所述的交点JDi的角平分线方向内移动直至所述的缓和曲线相切，修剪圆曲线、缓和曲线和交点辅助线，得到平面直曲线；

d.将所述的直曲线沿高程方向拉伸形成柱面，将柱面展开形成纵断面，此时平面直曲线将随同展开，变成道路展开线；

e.在道路展开线上，根据变坡点桩号生成桩号点，按照设计高程分别偏移桩号点，由此在道路的纵断面上生成空间变坡点；

f.用直线连接所述的变坡点，生成纵断面变坡点辅助线，在所述的各个变坡点处按照曲线要素做圆曲线或抛物线，并与变坡点辅助线修剪，形成纵断面直曲线；

g.将纵断面按照步骤e展开的过程进行逆向折叠，此时纵断面直曲线将随同纵断面折叠回去，形成道路中心线；

h.在BP和EP处布置标准路基横断面；

i.在各个交点JDi对应处，如布置超高，则在超高过渡段特征点处，如抬肩、双坡、旋转阶段起点处继续布置超高横断面；

j.以上述超高横断面为截面，道路中心线为脊线，超高旋转轴所在轴线为引导线生成路基面；

k.在各个交点JDi对应处，如布置加宽：以上述路基面边线为基准，加宽曲线方程如线性、抛物线、回旋线做偏移边线，创建加宽过渡边线，修剪路基面，形成加宽后的路基面；

l.提取上述路基面边线，与地形相交，判定道路填挖段；根据交点射线法自动生成边坡线，建立开挖面和填方面；在全挖段、全填段、半挖半填段分别与地形进行布尔运算，生成高精度的道路三维模型。

在上述技术方案中:当同时不存在超高和加宽时；在BP和EP处布置标准路基横断面，并继续依次执行j和k步骤。

在上述技术方案中：在所述的步骤l中：所述的交点射线法为；

L1：开始；

L2：某桩号左/右侧边坡线，某桩号为i；i＝1时；根据填挖方式建立边坡起点P₀；

L3：生成第i级边坡射线L_i，射线L_i与地形相交，交点为P_i，若有多个交点取第一个；

L4：测量P₀-P_i-1的垂直距离H_i；

L5：当H_i>控制高度时，生成第i级边坡和马道；取马道终点为边坡起点P_i；

L6：i＝i+1,此时返回重新执行L3步骤；

L7：当H_i≤控制高度时，通过P_i修剪射线L_i,延长△h保证能与地形运算；

L8：结束。

本发明的有益效果是：1、本发明与传统道路建模方法相比，构建过程输入参数意义明确，道路三维模型精度高，能够快速响应设计变更，进行道路三维设计校审、土石方计算、路线规划比选、虚拟漫游等优点。2、本发明结合计算机几何学和软件工程，对开发道路三维设计系统软件具有一定的指导意义。3、本发明通过上述建立步骤中的参数约定和建模方法，按照设计流程进行正向建立全参数化的道路三维模型。

附图说明

图1为建立道路平面直曲线中步骤a-b示意图。

图2为步骤c中平面直曲线某交点处线型示意图。

图3为步骤c中某交点处缓和曲线结果示意图。

图4为道路平面直曲线示意图。

图5为步骤e中道路变坡点示意图。

图6为步骤g中道路中心线示意图。

图7为道路中心线在地形上的具体展示示意图。

图8为本发明建模方法与样点拟合方法曲率光顺精度对比。

图9为超高横断面路基示意图。

图10为超高和加宽的路基具体示意图。

图11为路基填挖形式判定示意图。

图12为交点射线法自动生成边坡线流程图。

图13为自动生成道路填边边坡和填方运算示意图。

图14为自动生成道路开挖边坡与开挖运算具体示意图。

图15为道路过挖现象具体示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

下面结合某场地道路实例，详细描述本发明的技术方案和实施步骤。

本发明一种道路三维模型全参数化建立方法,它包括以道路设计过程出发，以道路平、纵断面的设计参数作为输入，具体建立步骤如下：

a.全局大地坐标系约定以Z轴代表高程，根据交点坐标N(x)、E(y)依次生成交点JDi，直线连接各交点，生成交点辅助线；

b.在所述的交点JDi处按照曲线要素做圆曲线，并与交点辅助线修剪(图1所示)；

c.在所述的各个交点JDi处，如果存在缓和曲线，则根据所述的交点JDi处的曲线要素,在交点线上生成前后直缓点，分别以所述的前后直缓点为原点建立临时坐标系，x轴为原点指向交点JDi，y轴垂直于x轴向里，根据缓和曲线参数方程生成缓和曲线，将圆曲线沿所述的交点JDi的角平分线方向内移动直至所述的缓和曲线相切，修剪圆曲线、缓和曲线和交点辅助线，得到平面直曲线(图2-4所示)；

d.将所述的直曲线沿高程方向拉伸形成柱面，将柱面展开形成纵断面，此时直曲线将随同展开，变成道路展开线；

e.在道路展开线上，根据变坡点桩号生成桩号点，按照设计高程分别偏移桩号点，由此在道路的纵断面上生成空间变坡点(图5所示)；

f.用直线连接所述的变坡点，生成纵断面变坡点辅助线，在所述的变坡点处按照曲线要素做圆曲线或抛物线，并与变坡点辅助线修剪，形成纵断面直曲线；

g.将纵断面按照步骤e展开的过程进行逆向折叠，此时纵断面直曲线将随同纵断面折叠回去，形成道路中心线(图6和图7所示)；

本文方法和样点拟合方法的结果及曲率分析结果对比如图8所示，从图中可知只有在采样点处才会重合，同时本方法曲率半径严格服从道路线型定义，精度相对较高。

h.在BP和EP处布置标准路基横断面；

i.在各个交点JDi对应处，如布置超高，则在超高过渡段特征点处，如抬肩、双坡、旋转阶段起点处继续布置超高横断面；j.以上述超高横断面为截面，道路中心线为脊线，超高旋转轴所在轴线为引导线生成路基面(图9所示)；

k.在各个交点JDi对应处，如布置加宽：以上述路基面边线为基准，加宽曲线方程如线性、抛物线、回旋线做偏移边线，创建加宽过渡边线，修剪路基面，形成加宽后的路基面(图10所示)；

l.提取上述路基面边线，与地形相交，判定道路填挖段(图11所示)；根据交点射线法(算法原理见图12所示)自动生成边坡线，建立开挖面和填方面；在全挖段、全填段、半挖半填段分别与地形进行布尔运算，生成高精度的道路三维模型；当同时不存在超高和加宽时；在BP和EP处布置标准路基横断面，并继续依次执行j和k步骤(图13和图14所示)。

在所述的步骤l中：所述的交点射线法为如下；在所述的步骤l中：所述的交点射线法为；

L1：开始；

L2：某桩号左/右侧边坡线，某桩号为i；i＝1时；根据填挖方式建立边坡起点P₀；

L3：生成第i级边坡射线L_i，射线L_i与地形相交，交点为P_i，若有多个交点取第一个；

L4：测量P₀-P_i-1的垂直距离H_i；

L5：当H_i>控制高度时，生成第i级边坡和马道；取马道终点为边坡起点P_i；

L6：i＝i+1,此时返回重新执行L3步骤；

L7：当H_i≤控制高度时，通过P_i修剪射线L_i，延长△h保证能与地形运算；

L8：结束。

原有的建模方法如背景技术阐述的两种建模方法跳过“带帽子”直接进行道路实体与地形的开挖和填坡运算，会存在边坡过挖、过填、镂空等现象需人为校准改正，而通过交点射线法生成的开挖和填坡面则不会出现这种情形(如图15所示)。

上述未详细说明的部分均为现有技术。

Claims (3)

1.一种道路三维模型全参数化建立方法,它从道路设计过程出发，以道路平、纵断面设计参数作为输入，其特征在于：具体建立步骤如下：

a.全局大地坐标系约定以Z轴代表高程，根据交点坐标N(x)、E(y)依次生成交点JDi，直线连接各交点，生成交点辅助线；

b.在所述的交点JDi处按照曲线要素做圆曲线，并与交点辅助线修剪；

c.在所述的各个交点JDi处，如果存在缓和曲线，则根据所述的交点JDi处的曲线要素,在交点线上生成前后直缓点，分别以所述的前后直缓点为原点建立临时坐标系，x轴为原点指向交点JDi，y轴垂直于x轴向里，根据缓和曲线参数方程生成缓和曲线，将圆曲线沿所述的交点JDi的角平分线方向内移动直至所述的缓和曲线相切，修剪圆曲线、缓和曲线和交点辅助线，得到平面直曲线；

d.将所述的直曲线沿高程方向拉伸形成柱面，将柱面展开形成纵断面，此时直曲线将随同展开，变成道路展开线；

e.在道路展开线上，根据变坡点桩号生成桩号点，按照设计高程分别偏移桩号点，由此在道路的纵断面上生成空间变坡点；

f.用直线连接所述的变坡点，生成纵断面变坡点辅助线，在所述的变坡点处按照曲线要素做圆曲线或抛物线，并与变坡点辅助线修剪，形成纵断面直曲线；

g.将纵断面按照步骤e展开的过程进行逆向折叠，此时纵断面直曲线将随同纵断面折叠回去，形成道路中心线；

h.在BP和EP处布置标准路基横断面；

i.在各个交点JDi对应处，如布置超高，则在超高过渡段特征点处，如抬肩、双坡、旋转阶段起点处继续布置超高横断面；

j.以上述超高横断面为截面，道路中心线为脊线，超高旋转轴所在轴线为引导线生成路基面；

k.在各个交点JDi对应处，如布置加宽：以上述路基面边线为基准，加宽曲线方程如线性、抛物线、回旋线做偏移边线，创建加宽过渡边线，修剪路基面，形成加宽后的路基面；

l.提取上述路基面边线，与地形相交，判定道路填挖段；根据交点射线法自动生成边坡线，建立开挖面和填方面；在全挖段、全填段、半挖半填段分别与地形进行布尔运算，生成高精度的道路三维模型。

2.根据权利要求1所述的一种道路三维模型全参数化建立方法,其特征在于：当同时不存在超高和加宽时；在BP和EP处布置标准路基横断面，并继续依次执行j和k步骤。

3.根据权利要求1所述的一种道路三维模型全参数化建立方法,其特征在于：在所述的步骤l中：所述的交点射线法为；

L1：开始；

L2：某桩号左/右侧边坡线，某桩号为i；i＝1时；根据填挖方式建立边坡起点P₀；

L3：生成第i级边坡射线L_i，射线L_i与地形相交，交点为P_i，若有多个交点取第一个；

L4：测量P₀-P_i-1的垂直距离H_i；

L5：当H_i>控制高度时，生成第i级边坡和马道；取马道终点为边坡起点P_i；

L6：i＝i+1,此时返回重新执行L3步骤；

L7：当H_i≤控制高度时，通过P_i修剪射线L_i,延长△h保证能与地形运算；

L8：结束。