铁路三维景观建模方法研究

董晓帆　徐嘉慧　聂晓源　任文超

摘要：线路三维景观是实现铁路三维可视化设计的重要组成部分，采用面向对象的图形仿真和单元模型建模方法，实现了铁路线路三维景观的快速构建。基于数据库管理技术，解决了景观模型的一体化存储、管理和调度问题。基于图像的建模方法，实现了线路三维景观环境中的树木参数化建模，能够灵活、逼真的展示三维树木，提高了线路三维景观的真实性。通过实例验证，证明了建模方法的有效性和实用性。

关键词：铁路线路；三维景观；建模方法；应用

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）07-1547-03

1 概述

铁路线路三维可视化设计对于提高设计质量、方便铁路设计方案的审查有重要作用，建立铁路三维景观模型是实现三维可视化设计的关键，研究铁路线路三维景观模型的建立方法有重要的理论意义和实用价值[1]。因此研究线路三维景观的建立方法有着重要的理论意义和实用价值。线路是由桥梁、隧道、涵洞等诸多构造物以及接触网等附属设施组成，该文以桥梁、接触网、三维景观树木为研究对象，在满足逼真度和实用性前提下，提出一种通用的线路三维景观建模方法。

2 线路三维景观模型建模方法

2.1面向对象的图形仿真建模

面向对象的建模技术，为人们研究现实世界提供了一种更为自然的框架。面向对象的建模把系统看作是由相互作用的对象组成，为人们研究现实世界提供了一种更为自然的框架。其基础是系统的可分性，即一个系统可以分成多个子系统，构成线路的桥梁、隧道等对象就具有这种特性，能够通过子模型间的组合构成整体模型[3]。

即桥梁墩台、桥梁支梁、桥梁桥面为桥梁模型的基本单元模型，如图1所示。

由图1可以看出，采用面向对象的单元模型建模方法，通过单元模型的组合可以生成新的整体模型，能够有效的减少模型的建模数量和工作量。同时，基于单元模型对象，使生成新的整体模型更直接、形象和快捷，提高三维模型建模效率。

2.2基于图像方法的树木三维景观建模

目前在树木的三维建模方面的研究主要有应用计算机图形学实现的分形理论方法、粒子系统、几何设计法方法[4-5]以及基于图像的建模方法[6]。采用计算机图形学实现的树木建模，计算量大，比较适合静止的、小范围的三维场景。而基于图像的建模方法是从数字图像的角度研究树木可视化模拟，真实感强，易于交互控制，能有效的减少渲染时间的开销，适合大范围三维场景的应用。因此，该文采用基于图像的方法实现树木三维景观建模。

对要建模的树木，需要利用图像处理软件将图像周围的颜色进行处理，使树木周围的颜色变成单一的颜色如纯黑色或纯白色，处理后示意图2所示。

3 模型数据库管理

为了更加有效地对模型进行管理和重用，加快建模速度，对模型、组成模型的元件以及建模所用到的纹理等采用数据库管理是较好的解决方案，并实现三维模型或者元件的标准化。模型库中的模型是按一定组织结构形式存储起来的，这种组织结构形式便于对模型进行有效的管理和使用，也提高了多模型的组合能力，从而提高了铁路线路三维视景仿真建模的效果。模型库管理模块的主界面如图3所示。

4 三维模型在三维景观中的实现

三维模型应用到线路三维景观中涉及到模型与场景的匹配和控制两个方面内容。

4.1 三维模型与三维场景的匹配

三维模型与三维场景的匹配主要解决以下三个问题[7]：

1）大小匹配：在三维场景中需要对模型大小进行控制，以达到匹配的要求，可通过比例变换解决（OpenGL glScale函数）。

2）方向匹配只有三维模型的方向和其相关联的模型方向一致时，才能实现模型位置的精确匹配，可通过旋转变换解决（OpenGL glRotate函数）。

3）位置匹配：只有模型位置的精确匹配，才是正确的，可通过平移变换解决（OpenGL Translate函数）。

4.2 桥梁模型参数设置

5 结论

铁路构造物的建模在整个三维选线景观摸型的建立当中占有重要的作用，论文从线路三维景观设计的需求出发，研究和探讨了建立线路三维景观所涉及的关键技术和方法。实验表明，建立的线路三维景观，可辅助工程师在线路三维可视化设计中进行景观模型选择，使建立具有较高真实度的三维线路景觀成为可能。而基于图像的方法更适合线路三维景观环境中的树木建模，能够灵活、逼真的展示三维树木景观，提高线路景观的真实性。

参考文献：

[1] 蒋红斐，詹振炎. 铁路线路三维可视化设计实现方法研究[J].中国铁道科学，2002，23（3）：72-76.

[2] 王玉华，杨克俭. 面向对象技术在三维虚拟场景建模中的应用研究[J]. 武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2003，27（1）：37-40.

[3] 吕希奎， 易思蓉，何丽. OpenGL环境下的模型数据库管理与复杂三维建模[J]. 工程图学学报 ， 2007（2）：12-16.

[4] 蒋丽涛. 基于素描L-系统的植物生长模型研究[D]. 哈尔滨理工大学，2009.

[5] 丁欢，万旺根，余小清. 基于几何参数的植物真实感模拟[J]. 计算机应用，2009，29（1）：97-100.

[6] 祁燕，王琰，申铁成.分形几何在三维树木建模中的应用[J].沈阳理工大学学报，2005，24（2）：33-36.

[7] 吕希奎. 实战OpenGL三维可视化系统开发与源码精解[M].电子工业出版社，2009.