基于线性参照模型的线路三维场景快速构建方法研究*

张正雄，霍 亮,2,3，朱 杰，赵鹏辉，宋继哲

(1.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 102616; 2.现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 102616；3.北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心,北京 102616；4.国家基础地理信息中心,北京 100830)

线路包括铁路、道路、电力线路等[1]。线路三维可视化展示与管理分析，对进一步提高各部门业务水平和管理能力具有重要意义[2]。三维线路场景[3]往往涉及范围广、场景空间关系比较复杂，如果以手工的方式对各个单独个体对象进行精细建模，会很大程度的降低场景构建的效率[4]。因此，如何更加高效的对线路场景进行构建，提高三维线路可视化效率是目前亟待解决的问题。

现有的三维线路快速可视化方案研究已有了较多的成果。2014年，王金弘、朱军等人通过建立线性参照模型实现场景对象定位与语义添加，从而对三维铁路场景进行构建。2014年马小龙等人提出分割铁路场景对象并制作三维符号，然后通过数据库的形式存储三维符号，实现符号化建模。上述研究在一定程度上解决了构建三维线性场景的问题，但存在线路可视化效率不高的问题。

针对上述三维场景构建效率不够高的问题，本文设计了一种基于线性参照模型的三维线性场景快速建模方法。该方法首先将三维线路抽象简化，并分割为个体对象，建立对象属性表。同时，将建模对象以事件表的形式存储，通过建立线性参照模型，获取模型的空间位置。利用动态分段技术完成属性数据与对象的连接，然后设计三维符号库系统，通过将点数据进行三维符号化来完成三维线性场景。最后，建立符号的多细节层次表达规则，在不同尺度下利用三维符号对不同详细程度的三维线性场景进行表达。实验证明，该方法能够有效提高三维线性场景的构建效率，并可以将属性数据与场景对象进行联接，用于三维线性场景的可视化管理和分析。

1 线性参照模型建立

本文的技术路线图如图1所示。

图1 技术路线图

线性参照系统数据模型定义为具有线性特征的交通运输数据在线性参照系统空间通过与已知参照点间的偏移来进行位置度量的方法[5]，可创建线性参考数据，并对其进行、显示、查询、编辑、分析等操作。

本节介绍了线性参照模型的建立过程，建立线性参照模型即根据已有数据资料，计算模型点位事件表和生成点位图层。首先依据已有线路资料，设计线路模型对象属性表；然后通过计算线路场景的属性信息数据得到点事件表，最后确定对象所在位置。生成模型对象的图层。

事件表详细计算流程如图2所示。根据已知线路起始里程及模型相关信息，计算模型属性信息，并输出点位事件表。

首先对线路数据进行坐标转换。线路场景为了方便表达和检索设备，往往以里程的方式表达位置，如表1所示。里程是典型的线性参照系统，以线路和中心里程值组合方式来定义。而目前场景中通常以地理坐标来定位要素。里程和地理坐标是两种完全不同的参考系，需解决两者对应关系，实现一维线性坐标到地理坐标的转换。

图2 计算点位事件表流程

第一步设置控制点，实现对线路里程指定，建立一维线性坐标系与地理坐标系的对应关系

第二步通过里程正算将里程转换为经纬度坐标。

表1 里程表

然后，设计模型属性表[6]。以桥梁模型为例，如表2为场景对象中桥梁[7]的属性表，主要包括桥梁 ID、线路编号、起始里程和终止里程。表3为模型对象的属性表，主要包括模型长、宽、高、间隔、高速调整值等属性。通过桥梁属性和对应的桥梁模型属性可以计算得到用于模型定位的点事件表，如表4所示。

表2 桥梁属性表

表3 桥梁模型属性表

表4 点位事件表

2 三维符号库系统设计

三维地图符号是在三维几何构形上的抽象简化,通过分类、分级、分等、量化等方式来描述三维物体的类型、性质、态势、定量化等信息[7]。符号化建模的优势在于采用统一的符号对相似的地物进行统一表达，不必对每个地物进行单独建模，不仅节约了大量人力物力，而且使得场景构建效率更高。

由于线路场景分割对象种类相对较为繁多，本章采用数据库的形式存储和管理线路符号，目的在于在借助数据库在处理较大数据量数据时的优势，提高三维符号的管理能力，进而提高场景构建效率。首先依据相关设计规则对对场景进行对象划分；在根据已有资料和相关建模规则，构建线路场景的三维符号。然后构建线路符号库，并将三维符号[8]以二进制流的形式存到数据库表中。最后，为实现场景的灵活配置和多类型场景构建，提供多种类型的三维符号供用户选择。技术框架如下图3所示。

图3 三维符号库技术框架

本文以符号的方式来表达构成线路场景的基元模型，三维对象的模型化过程可分为数据采集、三维抽象、几何建模、纹理贴图、模型优化几个步骤[9]。图4展示了构建三维符号库的步骤。

图4 三维符号库构建流程

在完成三维符号制作与三维符号库构建之后，需要建立线路对象实体与符号库中模型信息的映射关系，将三维符号进行命名编码，与获取的属性信息整理为SQL数据表，如模型唯一编码(ID)，模型名称(Name)等字段。同时，将Name字段设为模型信息主表的外键与主表相关联。三维模型表结构如表5所示。

3 三维符号表达规则建立

表5 模型属性表结构

本文从空间布局、组合建模、空间姿态三个方面来建立线路三维符号表达规则，如图5所示。线路场景往往地理条件复杂，场景对象之间的空间拓扑关系，布局规则需进行约束，以保证建模场景为符合实际条件的真实场景。其中，空间布局约束规则是对模型空间位置和空间布局进行约束，包括场景对象划分、空间位置定位、空间关系约束；组合建模约束规则用以描述不同类型模型之间的约束规则，包括同类相邻、同类相离、类型相异；空间姿态语义约束对模型富豪的空间姿态进行约束，包括模型角度渐变、角度姿态、坐标系统等。

图5 场景语义约束

通过五元组函数0={G,P,D,T,E}分别对三维符号的几何、位置、姿态、拓扑、外观进行约束。符号的几何特性包括模型长度、宽度、高度、半径等[4]。CityGML是一种开放的标准化数据模型，用于存储城市和地形的数字三维模型。CityGML对三维对象定义了不同的标准细节模型，具有从LOD0到LOD4的不同级别的定义，主要用来描述模型中包含的细节定义。本文借鉴CityGML思想，建立符号的多尺度表达规则。以铁路为例，铁路场景对象在不同比例尺下，有着不同的制图表达，需要制作细节符号来表达场景对象，即在大比例尺下，用更加精细的模型表达。如在构建隧道模型符号时，根据模型与视角的距离，建立不同的细节符号。将视距划分为三个等级，不同的等级对应不同层级的符号模型LOD。当视距大于L1时显示LOD1下的符号，主要展示隧道线；视距大于L1小于L2，显示LOD200下的符号，主要展示隧道外部轮廓信息；当视距大于L3时，主要展示隧道内部详细结构，如壁灯等。

4 场景映射与实例化分析

本文采用铁路场景进行实验，首先建立线性参照模型，将一维线性坐标系铁路线路数据应用于地理坐标系下的三维场景中，计算点位时间表并生成点位事件图层，为构建三维场景奠定了基础。然后对铁路场景进行划分，制作三维符号并设计三维符号库进行存储。最后，以符号的形式将点位图层映射到三维场景中，完成铁路场景的构建。构建场景如图6所示。

图6 铁路场景构建效果图

实践证明，本文采用的线性参照模型构建场景方法能够构建较为逼真可靠[10]的三维线路场景，且在一定程度上提高了三维场景的构建效率，达到了三维场景的快速建模需求。

5 结 语

本文提出了基于线性参照系统的虚拟高速铁路建模方法，并选择案例区域进行了建模试验。该方法在一定程度上提高了线路场景构建效率，但是对于线路场景语义描述未做深入研究。今后会结合铁路信息模型(RIM)[11]进一步进行语义建模研究，使场景具有更丰富的现实语义信息，对于拓展至更多类型线路场景，建立更灵活的配置模板任然有很大的研究空间。