基于MSTS与DEM数据的线路地形仿真与实现

杨 城，陈荣武，王怀松

（西南交通大学信息科学与技术学院，成都 611756）

基于MSTS与DEM数据的线路地形仿真与实现

杨 城，陈荣武，王怀松

（西南交通大学信息科学与技术学院，成都 611756）

三维场景仿真技术已被广泛应用于航空、城市规划、轨道交通等众多领域。该文章基于微软所开发的MSTS（Microsoft train simulation）列车运行仿真平台，以真实线路为原型，结合Google Earth地标功能，对如何快速准确复原地形进行了研究，提出利用DEM（Digital Elevation Model）数据导入，实现对仿真线路所在区域地形地貌环境的高度复原。该方法完善了仿真展示效果，提高了仿真结果的真实性与准确性。相比于传统人工修改地理参数的方式，该方法在保证一定仿真精度的前提下，通过导入DEM数据，能够大量减少复原线路地理环境的工作量。

MSTS；三维仿真；DEM；四分树区块

1 引 言

从自上世纪80年代起，对列车运行仿真系统的研发就已开始，并成功地将该仿真系统应用于列车司机培训，列车事故复原以及列车控制系统教学展示等诸多方面，体现了该系统巨大的科教价值和经济价值。列车运行仿真系统，通过视觉影像、声音以及人机交互来实现对列车真实运行环境和状态的仿真。特别地，对于列车运行仿真系统，为了达到较好的仿真效果。其对场景和模型的重建要求比较高，对线路地形特征的要求也比较精确。

目前国内一些典型的列车运行仿真系统，如北京交通大学开发的基于Vega的北京地铁一号线三维视景仿真平台［1］，以及西南交通大学轨道交通实验室研制的静态模拟驾驶舱［2］。它们都通过屏幕投影和控制台复原的方式来仿真运行环境和操作过程，而仿真显示的线路场景等地理环境信息，则是通过人工修改参数的方式复原。这种方式，对于大范围的地形地貌的复原，工作量是巨大的，且通过人工手动还原的方式，精确度不高，仿真效果也不理想。

MSTS（Microsoft train simulation）是微软公司为模拟列车运行状态与列车运行环境而开发的三维场景仿真平台。具有较强的仿真功能和较好的展示效果。该平台具有良好的通用性和可移植性，没有对控制台硬件复原的要求，只需要软件的支持，提供了各类仿真编辑工具。在该平台下，通过对一定区域内地形地貌的处理，搭建线路和模型，可实现对大铁及地铁的列车运行状态以及运行场景的仿真。此外，该平台还预留有函数接口，可根据实际需要来改变列车运行仿真环境以及实现新的仿真功能。

2 MSTS环境下DEM数据使用原理

数字高程模型（Digital Elevation Model）是用一组有序的数值阵列来表示地面高程（又称海拔）的一种实体地面模型。DEM模型通过存储在介质上的大量地面点空间数据和地形属性数据，以数字形式来描述地形地貌。在进行线路场景的地形地貌复原时，利用的即是DEM数据中地形地貌因子［3］，如海拔、坡度，坡向，坡度变化率等。且这些数字信息与真实经纬度坐标对应。在MSTS地形生成环境中，位置信息也通过经纬度确定，因此，可以通过经纬度坐标将DEM数据中的地形特征与MSTS环境下生成的地形相关联。具体原理是将某一坐标位置的DEM数据中关于地形地貌特征的数字信息写入MSTS的地形文件中，实现大范围，大批量地导入地形数据，避免人工手动修改地形参数的繁琐，并且保证了复原地形的精度和速度。通过研究发现，MSTS平台线路的地形特征信息保存在TILE文件夹*.t格式的文件中，通过DEMEX软件导入DEM数据重写*.t文件，即可实现仿真线路中地形地貌的仿真，但在这之前要确保对应线路的准确范围，保证数据导入的准确性。

3 DEM数据导入前仿真地形区域的创建

本文以成都至遂宁段即成渝线部分铁路线路为仿真背景，通过三维仿真的方式搭建成都至遂宁沿线的地形地貌还原线路场景，实现列车运行场景的仿真。在MSTS地形生成器中，地形区域的选取和大小由线路坐标和四分树区块的数量决定。因此要复原线路场景，就需要得到沿线线路的坐标位置信息，以方便地形区域的创建和选取。

3.1 线路位置信息的获取

通过Google earth确定复原线路的走向，利用Google earth中地标功能，依据实际线路的位置和走向，沿线顺序放置地标单元，并在隧道口，桥梁及高架入口等位置修改地标属性，方便后期线路铺设阶段在对应位置放置模型，以及对该局部区域内地形地貌的细节处理，实现线路场景的最大程度复原。

地标存储的是线路上各个点的坐标，为提高仿真线路的分辨率，也为了后期线路铺设能够严格按照真实线路的走向进行，地标单元应尽量密集放置，平直轨道线路上两相邻地标距离控制在200米以内，曲线轨道线路上控制在50米以内，成都东至遂宁段线路依据真实线路走向顺序放置地标单元如图1所示。

图1 仿真线路地标定位走向图Fig.1 Trend of location landm arks of the simu lation route

将地标位置信息保存后，得到KML格式的地标文件。将其转换成MSTS线路地形编辑器可识别的MKR文件后，放置到创建地形文件的主目录中即可被加载识别。

3.2 最小四分树区块的创建

MSTS为创建地形环境提供了线路地形生成器，在该生成器中，提供了世界范围的平面地图，通过确定线路起点和终点，以及线路特征点的坐标，如纬度在最高处和最低处的点，创建初始地形区域并生成最小四分树网格区块［4］以减少存储空间的消耗，如图2所示。

图2 初始区域最小四分树网格区块图Fig.2 Them inimum Quad Tree grid block diagram of initial region

图2中蓝色区域代表被选中最小四分树区块，由于初始化区域的最小四分树网格是根据线路中几个样本点确定的，因此并不能保证将整条线路即所有地标都包含在内。为了创建准确的地形区域，需要结合2.1中得到的MKR地标文件去校对，然后不断对初始化的最小四分树网格区块进行添加或删除操作，直到确保所有的地标都被包含在所创建的地形区域中。从初始化区域到最终精确区域的确定，其方法流程如图3所示。

图3中红色方块代表一个基本的最小四分树网格区块，绿色点代表MKR地标文件保存的线路的位置信息，观察图3（右）可见，经过图3（左）所示的方法流程后，最后实现线路上所有的点都包含在新最小四分树网格区块中，即线路准确区域已创建。

图3 精确区域创建流程图（左）区域创建对比图（右）Fig.3 The flow diagram of creating precise area（left）area comparisondiagram（right）

4 DEM遥感影像数据的导入

下载该区域范围的DEM数据包，该文使用的DEM数据格式为TIFF，精度为90米。DEMEX软件加载DEM数据包后，根据2.2中的准确区域，重写TILE文件夹中*.t地形文件，编辑器生成对应的缓存文件*.raw即完成了指定区域内DEM数据的导入。如图4所示。

图4 仿真线路区域内DEM数据导入效果图Fig.4 The rendering of DEM data im port

图4中红色网格即是三维仿真线路的场景环境区域。线路的铺设，模型的放置均在该区域内进行。通过MSTS的线路编辑器可查看线路区域内任意位置的地形地貌。如图5所示。

图5 地形地貌网格图（左）地形地貌地表图（右）Fig.5 Topography grid（left）land form surface（right）

5 模型放置与仿真效果

MSTS平台具有良好的开源特性，支持第三方对模型库的扩充，目前模型库中已有的模型基本能够完成绝大多数铁路、地铁、有轨电车等轨道交通线路的仿真，对于特定模型，可通过3Ds MAX等三维建模软件创建后添加进模型库，在REF文件中添加对应的声明代码即可在编辑环境下使用该模型。通过MSTS平台自带和新添加的模型，以地标为位置依据，参考实景及卫星照片，可对成都至遂宁段铁路线路进行三维重建。

图6 线路铺设和模型放置前效果图（左）仿真区域卫星图（右）Fig.6 Before laying the railway model（left）satellite image of simulation area（right）

根据图6（左）确定坐标范围，结合卫星照片图6（右），在MSTS平台中的模型库中选取合适的模型，以地标为参照，放置模型和铺设轨道后效果图如图7所示。

6 结束语

图7 三维仿真完成后效果图Fig.7 Completion of the rendering 3d simulation

该论文以成都至遂宁段铁路线路为原型，在MSTS平台下利用DEM遥感影像数据导入，完成对列车运行所在区域地形地貌环境的复原。从仿真结果来看，该方法对仿真展示效果和准确性有较大提高，相对于传统的人工复原三维场景地理环境的方式，该方法能够大量减少创建线路地形环境的工作量，其仿真结果也更加真实，准确。当然，基于MSTS平台，该方法在以后的研究中还可以进一步通过以下两个方面完善：

（1）使用ASTER GDEM高分辨率格式的DEM数据［5］，使误差从90米降低至30米。

（2）使用高精度的地形地貌贴图，使列车运行的线路地理环境更加逼真。

［1］ 闫伟萍.基于CTCS－2的列车视景仿真系统研究与实现［D］.西南交通大学，2009.

YANWeipin.The research and implementof train scene simulation system based on ctcs－2［D］.Southwest Jiaotong University，2009.

［2］ 王妍.基于DEM的地形信息提取与景观空间格局分析［D］.西南大学，2006.

WANG Yan.Landform information obtains and Landscape spatial pattern analyses based on DEM［D］.Southwest University，2006.

［3］ 宋晓伟.地铁列车运行控制视景仿真系统中三维建模技术的研究与实现［D］.北京交通大学，2007.

SONG Xiaowei.Research and Implement of3Dmodeling Technology in Scene Simulation System of Subway Trains Operation［D］.Beijing Jiaotong University，2007.

［4］ Modeling of Earth＇s Gravity Fields Visualization Based on Quad Tree［J］.Geo－Spatial Information Science，2010，13（3）：216－220.

［5］ 张朝忙.中国地区SRTM3 DEM与ASTER GDEM高程精度质量评价［D］.华中农业大学，2013.

ZHANG Chaomang.Elevation quality evaluation of SRTM3 DEM and ASTER GDEM Data in China［D］.Huazhong Agricultural University，2013.

杨 城 男（1990－），四川达州人，硕士生，主要研究方向为交通信息工程及控制。

陈荣武 男（1971－），湖南东安人，高级工程师，主要研究领域为交通信息工程及控制、计算机应用。

Simulation and Implementation of Route Terrain Based on MSTS and DEM data

YANG Cheng，CHEN Rongwu，WANG Huaisong

（School of Information Science＆Technology，South WestJiaotong University，Chengdu 611756，China）

3D simulation technology has been w idely applied to many fields such as aviation，urban planning，rail transportation etc.How to recover the terrain of the simulation zone quickly and accurately based on MSTS（train simulation M icrosoft）platform by taking the real route as prototype and combining w ith landmark of Google Earth was studied.By importing DEM（Digital Elevation Model）data to realize the terrain recovering of the simulation zone which contains the route has improved the authenticity and accuracy of simulation result.Under the premise of ensuring the accuracy，compared w ith traditionalmethod thatmodifying geographical parametersmanually，importing DEM data could reduce the workload of the recovering of geographical environment greatly.

MSTS；3D simulation；DEM；quad tree grid

TP 391.9

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