面向交互式铁路设计的虚拟地形改造Web服务技术研究

王孝龙，赵孔阳，郭神福，周腊梅，徐柱

面向交互式铁路设计的虚拟地形改造Web服务技术研究

王孝龙，赵孔阳，郭神福，周腊梅，徐柱

(西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756)

在铁路三维虚拟场景中，为构建贴合铁轨的数字地表模型，实现在网络环境中的线路可交互设计，并达到实时响应的要求。首先探讨交互式铁路地形改造服务的架构设计思路，并提出数字地表模型和铁路线路设计数据的预处理方案，再设计并实现基于栅格DEM的铁路地形改造算法，制定地形数据的切片存储及发布策略，完成交互式地形改造Web服务的设计。最后通过高铁虚拟仿真实验平台的实际案例表明地形改造Web服务具有良好的可用性和友好的交互效果。本研究为高速铁路等交通线路的三维模拟和场景构建及其他交通信息化工程应用提供重要参考。

虚拟地理环境；地形改造；铁路选线；格网DEM；WebGIS

自2004年颁布并经2008年调整的《中长期铁路网规划》提出“四纵四横”客运专线到2016年更新的“八纵八横”高速铁路网规划[1]，我国不断加大在铁路建设上的投入，高速铁路是未来铁路网[2]。2018年，中国铁路总公司提出以“交通强国、铁路先行”为目标引领[3]。同时，我国因在铁路建设和运营上积累了丰富的经验而引起世界各国的广泛关注，高铁“走出去”的国际市场空间巨大。在信息化的时代背景下，铁路信息化成为了现代化铁路发展的趋势[4]。面向铁路行业勘察设计、建设施工和安全运营的全生命周期三维GIS技术是核心研究和重要技术之一[5]。近年来科研人员在铁路三维虚拟仿真技术[6]上进行了诸多有益探索，由中铁二院与中南大学研制的铁路三维空间选线系统GERail通过调用公开发布的地形数据，弥补了在地理资料匮乏地区选线困难的缺陷，同时为线路方案比选与汇报演示提供了直观便捷的方式[7]；铁道第三勘察设计院(现中国铁路设计集团有限公司)设计的铁路线路虚拟踏勘系统利用高精度遥感数据解译地形地质条件，充分考虑铁路沿线地理环境，在不良地质的判释、虚拟踏勘和线路方案比选等应用上极具优势[8-9]；西南交通大学研制的虚拟高速铁路场景建模服务系统对空间关系复杂、种类繁多的高铁场景对象模型进行组织与管理，实现了三维高速铁路场景的快速建模[10]。这些研究为三维铁路GIS的发展提供了重要技术支撑。构造铁路三维场景需建立3种景物模型：表现真实地表形态的地形地貌模型，表现铁路线路的实体模型以及房屋、森林等人造或自然景观[11-12]。为达到所见即所得的铁路线路设计效果，在构建高速铁路沿线虚拟场景时需要将3类模型按照对应的空间关系进行叠置。在实际应用中，通常对数字地表模型进行预处理使数字地貌与实体模型等有较好的贴合。铁路地形改造即通过空间分析建立数字地面模型与铁路线设计数据的空间对应关系，得到附带铁路路基特征的数字地面模型[13]。蒋红斐等提出一种利用铁路路基剖面线与DEM网格线相交生成局部三角网的方法，实现了三维地形及线路整体模型的建立[14]；张衍辉设计的铁路路基、边坡生成算法实现了线路模型与地形模型在三维场景中的有效融 合[15]。石少华使用SketchUp进行场景建模、基于ArcGIS Engine编程开发可视化系统，为铁路沿线虚拟场景的构建提供了重要参考[16]。高速公路同为大型条带状交通线路工程，在构建沿线虚拟地理环境的技术路线上与铁路相似，罗琳对不同条件下多种融合算法的性能进行测试和分析，为公路路基与地形融合提供了理论支持[17]。荆倩婧[18]基于Web进行路基的参数化三维建模，以多边形裁剪的方法对路基模型与地形进行融合，实现了网络环境下的三维公路场景可视化。蒲浩等[19]提出一种顾及约束的道路三维整体模型构建及简化方法，为海量场景数据的网络传输提供借鉴。众多工程领域的应用证明，当前铁路三维GIS对沿线虚拟地理环境的研究已经较为深入，但还存在如下问题：1) 基于常规计算机图形学的虚拟系统往往侧重线路可视化呈现，在大范围、大跨度的地理场景下较难实现对地理坐标系统、投影变换等地理学问题的讨论；2) 线路周边虚拟地理环境的构建大多依赖于SketchUp、AutoCAD和ArcMap等辅助软件，需使用多种工具进行复杂操作，生产成本较高，建模流程较繁琐；3) 基于GeoServer、ArcGIS Server等软件的在线地形数据服务仅提供地形的查询功能，不提供在线修改等功能，在地形改造上可交互性较弱，难以满足对模型吻合度有要求的铁路场景建模。针对上述问题，本文面向Web环境下虚拟铁路场景的交互式快速地形改造问题进行研究。首先针对铁路地形改造中的若干关键技术进行详细分析；再探讨交互式地形改造服务的后台架构设计，提出基于Web的数字地形改造方法；最后以高铁虚拟地理环境仿真项目为实例论证其有效性及应用价值。

1 交互式铁路地形改造服务架构设计

本文基于众多应用服务器和数据库服务器等构成的云计算集群构建了B/S架构的铁路地形改造方案，如图1。

在前端用户交互部分，本文基于支持多种OGC规范的JavaScript开源库Cesium[20]，依托Web浏览器实现铁路线路交互设计和沿线三维虚拟地理环境的构建等功能，有效的简化了生产流程。

在后端云计算集群，技术架构如图2所示。地形的改造与传输请求由Cesium的TerrainProvider接口处理，通过HTTP协议将设计数据上传至服务器。收到前端的地形改造请求后，地形改造集群基于改造参数和云端改造算法对原始地形数据重构。最终，将改造后地形数据切片并归档存储，同时将结果返回到前端浏览器。应用服务器采用WebPY框架，分别基于GDAL和CTB(Cesium Terrain Builder)实现地形改造和地形切片功能[21]。数据存储方面，采用Tomcat作为地形切片文件的发布容器，使用MongoDB存储地形服务元数据。

图1 系统架构示意图

图2 地形改造服务框架

2 铁路地形改造服务技术

在铁路地形改造服务的构建中，主要存在数字高程模型及线路设计数据的预处理、铁路地形改造的算法设计、切片文件的存储及发布3大技术难点，如图3。

2.1 数据预处理方法

为实现铁路地形的改造，需要对基础地形数据与线路设计数据进行预处理。其中，基础地形数据主要包括铁路沿线地形的数字高程模型，其包含了铁路沿线的地形场信息；线路设计数据包括线路坐标数据，设计高程等信息。

数字高程模型的表示方法通常有等高线法、规则格网法和三角网法。规则格网DEM因其数据结构简单、易于管理，是目前运用最广泛的形式[22]。在大跨度带状的铁路地形改造过程中，通常仅涉及线路周边地形的数据重构，因此将大幅DEM数据进行分块切割存储以减少冗余计算，如图4(a)。同时，对多块数据进行多线程操作也能提高改造 效率。

经分块的DEM按图4(b)进行组织，同时生成如图4(c)所示的文件集描述文件(包含所有分块文件的名称及其边界范围)，方便在地形改造时查找。

在铁路线路数据的处理过程中，设计线路支持以JSON，KML和Shapefile等格式传入，其通常包含如图5所示的线路信息。其中Data字段为线路折点的坐标位置，数组元素依次为由起始点到终止点的经度、纬度；Pieces字段为线路设计改造路段与设计高程值，如起始点到第80个 (下标为79) 折点所包含路段的设计高程为579 m。

(a) 原始DEM分块示意图；(b) 分块DEM目录；(c) DEM的描述文库

图5 设计线路数据示例

铁路线路设计数据经前端由用户提交至后台，地形改造服务程序将其按图6过程处理。首先对不同数据格式的线路设计数据进行校验并格式化为同一线数据对象，然后进行坐标投影；接着将线路数据切割分段；再将分段的线路坐标转换为栅格行列号；最后进行插值。

图6 线路数据预处理流程图

其中，坐标投影即把铁路设计线路内折点的地理坐标转换为平面投影坐标；线路分段即按分块DEM信息找到与线路有重叠的所有DEM文件，并根据其边界范围将整条线路切割为多个分段，线路分段前后分别如图7(a)和7(b)所示。

坐标再转换即根据分块DEM信息将分段线路数据由平面投影坐标转换为栅格行列号坐标。在栅格中的线路数据仍以非连续的栅格点集形式呈现，为便于计算，还需在节点间插入连续的点加密，将其转换成较为平滑的线状形态。坐标再转换与插值过程如图8所示。

(a) 分段前；(b) 分段后

图8 坐标再转换与插值

2.2 基于栅格DEM的铁路地形改造算法

构造铁路三维虚拟地理环境需要将铁路实体模型叠加到地形模型上，由于铁路设计高程会高于或低于地表高程的真实值，因此应针对设计线路数据对沿线地形进行相应的修改以使之完全契合铁路实体模型。由于隧道和桥梁对地形的整体性不构成破坏，故可视为地物模型不作地形改造。

路基是铁路建设的基础，根据沿线地形等条件的不同，铁路路基可分为填方形成的路堤和挖方形成的路堑，如图9。在虚拟场景中，为使铁轨设施无缝铺建在路基面上，需对线路向周边延伸的沿线范围进行改造，在地形层面上构造出路堤和路堑。

(a) 路堑型；(b) 半堤半堑型

基于栅格DEM的铁路地形改造的主要算法思想是按照设计数据沿铁路线路向中心线两侧搜索，将涉及路基、边坡等铁路附属设施的栅格单元高程值进行修改。根据铁路线路走势平缓的特点，将铁路中心线的走向按照类别简化为图10(a)所示的8个方向，由于采样点间距密度大，这种简化不影响铁路场景的可视化且较为实用。经走向简化，铁路中心线上的点即可分为两类：当其与前一点走向相同时为普通点；当其与前一点的走向不同时为转弯点。走向简化后的线路有如下图10(b)所示的8种转弯点，此时将角度小于180°的一侧作为线路内侧；角度大于180°的一侧作为线路外侧。

设一分辨率为的栅格DEM中，任意格网单元高程为H()；栅格下的铁路线[1,2,3,…]上一点p的设计高程H(p)，该点走向(p)；路基设计宽度为，边坡斜率。地形改造算法遍历中由起点到终点的每一个格网单元p，按如下步骤操作。

Step 1：路基面的地形改造

(a) 线路走向划分；(b) 线路转弯情形

Step 2：填挖判别

比较路基左边缘点实际高程H(S)和设计高程H(S)的大小，依式(1)判别地形填挖方式，代表高程阈值。其中隧道和桥梁情况视作地物模型由前端浏览器做可视化，不做填挖处理。同理判别右边缘，最后对“左填右桥”等特殊情况进行处理。

Step 3：边坡与原始地形求交

记录搜索的单元格序列[S+1,S+2,…,S+M]，同理处理右侧边坡，普通点的地形改造如图11(a) 所示。

Step 4：转弯点识别

点p的走向(p)为该点与前一点所连线段的走向orientation(p-1,p)，若其与点p-1走向orientation(p-2,p-1)相同则判定为普通点，跳出并进行下一轮循环处理点p+1；若不同则判定点p是转弯点进行步骤5处理。

Step 5：转弯点的路基边坡再处理

转弯点除向两侧延展改造路基与边坡外，还需将外侧每个单元格沿(p)的反向延伸至与前一点的路基边坡相交。

假设p为转弯点且其左侧为外侧，依次遍历[1,2,…,S,S+1,S+2,…,S+M]中第个元素S，沿着(p)的反方向搜索个单元格与前一点的路基边坡改造单元相交，并线性插入高程值，完成转弯点处路基和边坡的再处理。转弯点的改造策略如图11(b)所示。

(a) 普通点的地形改造；(b) 转弯点的地形改造

2.3 铁路地形数据的切片存储与发布

一次性从服务器端请求地形文件存在响应时间久、请求效率低及服务器负载压力大的问题，为减少地形数据在客户机和服务器间的传输时间，通常预先在服务器端分块生成不同尺度的地形瓦 片[23]。这里，经铁路地形改造生成的栅格DEM文件采用TMS(Tile Map Service)的规则进行切片，切片后的地形由一组具有不同尺度的瓦片集(Tile Set)组成。每个瓦片集中，瓦片格式规则、大小相同，下一级的瓦片集覆盖的空间范围由上一级的四叉分割而来，整体形成四叉树结构，如图12。

铁路地形数据的切片程序基于CTB实现，CTB是用于创建Cesium库所使用地形切片的开源工具，其软件依赖关系如图13所示。

改造后的地形文件及切片文件存储到同一目录下发布，其文件组织结构如图14所示，根目录下同名目录内为改造后的铁路地形栅格文件，RailwayLine为铁路中心线设计数据，EdgeLine为铁路边界特征线，DEMInfo为分块DEM的描述文件，TileInfo为切片描述文件，Task是日志文件。

(a) 等0级；(b) 第1级

图13 Cesium-terrain-builder软件依赖

3 应用案例

西南交通大学《数字高程模型》课程中的《高速铁路虚拟场景建模与列车运行仿真》实验通过铁路线路交互设计、高速铁路虚拟建造和列车动态运行仿真等方式展示数字高程模型在铁路设计、建造和运营维护中的作用[25]。

在实验过程中用户将自行设计的高铁线路数据上传至云服务器，云计算集群经短暂处理与计算后返回改造后的铁路地形数据。经客户端浏览器进行渲染后，用户即可看到基于设计线路构建的铁路线路及沿线虚拟地理环境，实现所见即所得的可视化效果。铁路路基边坡在地形改造前后的对比如图15(a)和15(b)所示；下载该范围DEM到本地，在ArcMap中查看可见如图15(c)铁路沿线地形；在浏览器端渲染的地形格网如图15(d)所示，加载地图影像和铁路及列车模型后进行虚拟仿真，其效果如图15(e)和15(f)所示。

图14 地形文件目录

(a) 路基边坡在地形改造前；(b) 路基边坡在地形改造后；(c) 铁路沿线地形；(d) 地形格网；(e) 加载铁路模型虚拟仿真效果；(f) 加载列车模型虚拟仿真效果

4 结论

1) 可交互设计的地形改造，改变了借助多种GIS软件工具作业的传统方式。

2) 地形改造计算在线完成，降低了客户端的计算压力。

3) 地形改造服务结合前端可视化系统，达到了线路在线设计所见即所得的效果。

[1] 周丰, 孙洪涛. 新时代背景下中长期规划高速铁路网适应性探讨[J]. 铁道标准设计, 2019, 63(11): 30-34. ZHOU Feng, SUN Hongtao. Discussion on the adaptability of the medium and long-term high-speed railway network planning for a new era[J]. Railway Standard Design, 2019, 63(11): 30-34.

[2] 余巧凤, 梁栋. 中长期高速铁路网规划相关问题研究[J]. 铁道经济研究. 2017(1): 5-9. YU Qiaofeng, LIANG Dong. Research on the related problems of the medium and long-term high-speed railway network planning[J]. High-speed Railway Economy, 2017(1): 5-9.

[3] 陆东福. 交通强国铁路先行为促进经济社会持续健康发展作出更大贡献——在中国铁路总公司工作会议上的报告(摘要)[J]. 中国铁路, 2018(1): 1-6. LU Dongfu. Report on the work conference of China railway corporation (summary)[J]. China Railway, 2018(1): 1-6.

[4] 范登科. BIM与GIS融合技术在铁路信息化建设中的研究[J]. 铁道工程学报, 2016, 33(10): 106-110. FAN Dengke. Research on the fusion technology of BIM and GIS applied in railway infomation deploymen[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2016, 33(10): 106-110.

[5] 闵世平, 赵亮亮. 三维GIS技术在铁路全生命周期中的应用探讨[J]. 铁道工程学报, 2014, 31(10): 15-20. MIN Shiping, ZHAO Liangliang. The application of 3D GIS technology in the whole life cycle of railway[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2014, 31(10): 15-20.

[6] Singh H, Garg R D. Web 3D GIS application for flood simulation and querying through open source technology[J]. Journal of the Indian Society of Remote Sensing, 2016, 44(4): 485-494.

[7] 殷继兴, 胡光常.Google Earth在铁路前期规划设计中的应用[J]. 高速铁路技术, 2012, 3(1): 1-4. YIN Jixing, HU Guangchang. Application of Google Earth at preparation phase of railway planning and design[J]. High Speed Railway Technology, 2012, 3(1): 1-4.

[8] 李桂芳. 基于三维空间场景的铁路选线技术研究[J]. 铁道标准设计, 2012(10): 19-21. LI Guifang. Technical research on railway route selection based on three-dimensional scene[J]. Railway Standard Design, 2012(10): 19-21.

[9] 刘桂卫, 宁新稳, 杜辉, 等. 铁路三维地质遥感判释软件系统研发与应用[J]. 铁道工程学报, 2016, 33(6): 16- 21. LIU Guiwei, NING Xinwen, DU Hui, et al. Analysis and application of 3D remote sensing interpretation system in railway[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2016, 33(6): 16-21.

[10] 张恒, 朱军, 徐柱, 等. 面向高速铁路的三维模型数据库管理与建模服务[J]. 计算机应用研究, 2015, 32(9): 2708-2711. ZHANG Heng, ZHU Jun, XU Zhu, et al. Study on database management and modeling services of 3D models for high-speed rail[J]. Application Research of Computers, 2015, 32(9): 2708-2711.

[11] YU Bing, XU Zhu, L Guoxiang. Method of realistic three-dimensional modeling of campus based on Google Earth and its application[J]. Engineering of Surveying & Mapping, 2010(1): 61-64.

[12] 史晓涛. 铁路选线设计中实时三维动态定线方法的研究[J]. 中国科技纵横, 2010(11): 349-350. SHI Xiaotao. Study on the real-time three-dimensional dynamic alignment method in railway line selection design[J]. China Science & Technology Panorama Magazine, 2010(11): 349-350.

[13] 王明生, 张振平. 基于GIS的铁路路基三维可视化技术研究[J]. 工程图学学报, 2009, 30(1): 66-69. WANG Mingsheng, ZHANG Zhenping. Study on railway roadbed 3D visualization based on GIS[J]. Journal of Engineering Graphics, 2009, 30(1): 66-69.

[14] 蒋红斐, 詹振炎. 顾及地形的铁路线路模型建立方法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2002(8): 778-780. JIANG Hongfei, ZHAN Zhenyan. Engineering approach of overlaying railway line onto digital terrain model[J]. Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics, 2002(8): 778-780.

[15] 张衍辉. 铁路线路三维建模与实现方法研究[D]. 北京:北京交通大学, 2012: 29-37. ZHANG Yanhui. Research on 3D modeling and implementation of railway line[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2012: 29-37

[16] 石少华. 铁路线路三维可视化建模研究[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2014: 3-5. SHI Shaohua. Study on three-dimensional visual modeling of railway lines[D]. Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University, 2014: 3-5.

[17] 罗琳. 高速公路路基与地形融合算法研究[D]. 青岛: 中国石油大学(华东)计算机与通信工程学院, 2013: 25-42. LUO Lin. A research on the fusion algorithm of roadbed and terrain of highway[D]. Qingdao: Faculty of Computer and Communication Engineering, China University of Petroleum (East China), 2013: 25-42.

[18] 荆倩婧. 高速公路路基三维建模及可视化研究[D]. 济南: 山东大学, 2019: 30-46. JING Qianjing. Research on the three-dimensional modeling and visualization of highway roadbed[D]. Jinan: Shandong University, 2019: 30-46.

[19] 蒲浩, 李伟, 赵海峰. 网络环境下道路三维整体建模与简化方法[J]. 计算机应用, 2013, 33(2): 525-529. PU Hao, LI Wei, ZHAO Haifeng. Integrated model construction and simplification methods for Web 3D road[J]. Journal of Computer Applications, 2013, 33(2): 525-529.

[20] XU Zhao, ZHANG Lu, LI Heng, et al. Combining IFC and 3D tiles to create 3D visualization for building information modeling[J]. Automation in Construction, 2020(109):1-16.

[21] ahuarte47. cesium-terrain-builder[EB/OL]. [2019].https:// github.com/ahuarte47/cesium-terrain-builder.

[22] 王家耀, 崔铁军, 苗国强. 数字高程模型及其数据结构[J]. 海洋测绘, 2004(3): 1-4. WANG Jiayao, CUI Tiejun, MIAO Guoqiang. Digital elevation model and data structure[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2004(3): 1-4.

[23] XU D, YUAN Z, YU T, et al. The research of remote sensing image segmentation and release which are based on Tile Map Service[C]// International Symposium on Geomatics for Integrated Water Resources Management. IEEE, 2012: 1-4.

[24] Cesium G S. Tile Coordinates Imagery Provider[EB/OL]. 2019-09-07/2019-11-25.https://cesium.com/docs/cesiumjs-ref-doc/TileCoordinatesImageryProvider.html.

[25] 赵孔阳, 王孝龙, 郭神福, 等. 高铁虚拟场景建模与列车运行仿真系统[EB/OL]. 2019-10-01/2019-11-25. https://geoidea.net/projects/hsr.

ZHAO Kongyang, WANG Xiaolong, GUO Shenfu, et al. High-speed Train & VGE Simulation[EB/OL]. 2019-10- 01/2019-11-25. https://geoidea.net/projects/hsr.

Research on terrain reconstruction web service technology for interactive railway design

WANG Xiaolong, ZHAO Kongyang, GUO Shenfu, ZHOU Lamei, XU Zhu

(Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to build a terrain model that seamlessly fits the railway track, a web-based interaction terrain reconstruction method was offered. First, the architecture of interactive railway terrain reconstruction service was proposed. And the solutions of DEM and route design data were then given for web publishment. To ensure high efficiency of data transmission and file storage, the storage and publishing strategy of terrain tiles were established for the web service. And an algorithm of railway terrain reconstruction based on grid DEM was presented, which showed significant results in the experiments. Finally, the application of this method on High Speed Railway Simulation Platform indicated that great applicability and friendly using experience could be provided. This study provides important reference for the three-dimensional simulation and virtual geographical environment construction of traffic lines such as high-speed railway engineering.

virtual geographic environment; terrain reconstruction; railway route selection; Grid DEM; WebGIS

P208

A

1672 - 7029(2020)11 - 2711 - 11

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20200029

2020-01-10

中国铁路总公司科技研究开发计划重大课题(2017X001-B)

徐柱(1972-)，男，湖南长沙人，教授，博士，从事地理信息系统理论、技术与应用的教学和研究；E-mail：xuzhucn@gmail.com

(编辑 蒋学东)