铁路地理信息系统的三维可视化

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铁路地理信息系统的三维可视化

周美玉何鸿云

蔷罂：铁路地珲信息系统是“敏字铁格”白｝Ｉ具体化，＃三维可视忧是ＲＧＩＳ的关键技术２一。文中介绍Ｔ三维可视化的内容和实现亓法阻瑷待研究的问麓．并回瞬Ｔ已有的基础及已实现的有关应用系统。

关键词：地理信息系统：铁路：三维可视化：虐拊现实技术

一一・

，

，，ｒ二，

１引言

１９９８年】月当时的美国副总统戈尔提出了“数字地球”概念．即－种可以嵌入海量地理数据的、多分辨牢的ｉ维地球丧不。随后人们相继提出了数字围家、数。乒城ＩＨ、数宁铁路、数７海洋……等实施构想。从此，数宁化引起ｒ各国政府部Ｊ、Ｊ、科技界尤其是地理学界的擞大关注。我冈闭家领导人和学术界专家对此亦非常重

视提ｊＵｒ”数字中『司”的战略目标。日前作为“数字

巾同”的主要组成部分“数字城市”已在我国一些城市开始实施，据报导广州ｒ｜丁将于２０ｌ０年实现“数字城市”目标、、

铁道部为迎接信息时代的挑战，也不失时机的提出了“数７铁路”战略，在全路信息数宁化过程中，创建我国的铁路地理信息系统ＲＧＩＳ。“数宁铁路”是“数字中国”在铁路领域的具体应用。“数宁铁路”是对三维铁路的多分辨牢数据的描绘，它是以线路位置为主线构造我同铁路的信息模型，建立可视化铁路基础审问信息数据集，将铁路资源形象化、数字化，利Ⅲ网络通讯技术统一处理及共享全国铁路信息资源。

周美玉珏南交大智能控制与仿真二Ｅ赣研究啐｜心。载擐６１００３耋｝威帮摩何鸿酱舀庵交太智能控制与仿真王程研窥审心恚桎６ｔ；Ｑ∞ｌ一藏都带

土石方工程数量计算．ｉ维建模及动态仿真等。同５及网６分别给ⅢｒＤｉｇｉＲｏａｄ系统为常德至张家界高速公路构建的一段ｉ角网ＤＴＭ，及其在此基础上与没计线模型叠加成的公路ｉ维整体模型：

模插值精度，现已经过ｒ数百公里

的高速公路和近千公里的铁路设计的考验．

ｔＩ．用途广：本文所述算法不仅适合于构建ＤＴＭ，还可适合于其它二维平面散点域的约束

Ｄｅｌａｕｎａｖ■角化问题，并可以进一步推广到三维空

｜１；】Ｊ。

６参考文献

１

ａ

ＭｌｉｅｓＲＥＳｏｌｕｔｉｏｎ

Ｎｅｔｗｏｒｋｏｆ

ｔｏ

Ｐｒｏｂｌｅｍ６７—－１５（ＰｒｏｂａｂｉｌｉｔｙＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ

Ｔｒｉａｎｇｌｅｓ）ＳＩＡＭ，１％９（１１）．３９９～４０２；

ＣｏｍｐｕｔｅｒＪｏｕｒｎａｌ，

图５顾及地性线的三角网ＤＴＭ

图６公路三维整体模型

２

ＳｉｂｓｏｎＲＬｏｃａｌｌｙＥｑｕｉａｎ，ｅｕｌａｒＴｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎｓ

１９７８，２１（３）：２４３—２４５

３

５结束语

＿木文研究提出的算法具有以下特点：

ａ．速度快：在关键环节上优化了算法，使算法具有

Ｏ（Ｎ）的复杂度。，

ＬｉｎｇａｓＡＴｈｅＧｒｅｅｄｙａｎｄＤｅｌａｕｎａｙＴｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎｓ

ａｖｅｒａｇｅ

ｃａｓｅ

ａｒｅｎｏｔＢａｄ

ｉｎｔｈｅ

ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＬｅｔｔｅｒｓ，

１９８６（２２），２５—３１

４

Ｒｅｐａｒａｔａ

Ｆ

Ｐ，Ｓｈａｍｏｓ．Ｍｌ计算几何导沦庄心谷北京：科学出

｝，｝ｉ）１彤优：建立的乏角网ＤＴＭ严格满足约束Ｄｅｌａｌｌｌ／ａｇ‘弁｜网的特性。

ｎ楠度高：建网过程考虑了地性线的处理，保证了数

版社，１９ｑＩ（中南大学铁道校区土建学院，湖南长沙４１１ｍ７５）

（收稿日期：２１）（１１—０７—２

●

瑚１．９

铁路地理信息系统专集（２）

用声音提示公里标、半公里标或百米标，在图像处理中用插值算法建市帧号与公里数的对应关系，再在标定过的公里标处进行校正。ｔＬ｝ｊ这种方法建立的帧号一公罩数的数据文件其精度可达１米。摄像得到的视频网像经采样、编码处理存入｝ｔ‘算机或数字磁带上，经解码处理重现视频图像．再将以公里为基础的各种属性数据库（如车站、线路、信弩、供电、机车、车辆等几何信息或管理信息）融合存视频图像上，用户可在视频图像上检索需要的信息，其生成流程如图ｌ所示。罔２为一示例。此外还提供专用软件可对局部图像进行放大。我们已为某铁路局局管部分线路建立了基于视频图像的线路信息查询系统。进一步的设想是利用图形方式建立灾难图形库，库中存有各种货物列４：和客运列车在直道和各种弯道上的脱轨图形、泥石流图像……等，＿Ｌ｝Ｊ基于视点的计算方法在指定的位置将厍中图形叠加在视频罔象上，以供分析决策。但在视频图像上提取儿何信息是非常困难的，这ｆｆ王是一个需要研究的课题。

日前多数地理信息系统都只有二维地冈的数据存储、管理、查询和显示功能，二维地图及其ＧＩＳ中的矢量闭形数据没有充分利用铁路沿线地形的高度信息和航牵影像』二的纹理信息。为了弥补这些不足，人们用计算机辅助设计和互维动画来表现＝：维刘象，｛Ｅ【在ＣＡＤ和３ＤＳ中生成的：维动ＩｍＪ只能为人们被动播放，而不能进行交旺、不能为人们所挎制，如漫游、旋转、放大等。凼此创建ｉ维、可实时交互的地理信息系统是十分必要

的ｊ

从仿真角度来看３ＤＧＩＳ是基于Ｗｅｔ，的在线实时仿真系统。交互式罔形仿真必然是实时的。它是指采用计算机【荨｜形『冬ｌ像技术，根据仿真应用的目的，构造仿真对象的ｉ维模型，人们根据自己的意念实时控制和再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果，拓展人与计算机的交流方式．利用虚拟现实技术实现人与虚拟环境的无缝

接口。，

２

ＲＧＩＳ的可视化

铁路地理信息系统的三维可视化是利．１＿Ｈ多维建模和

虚拟现实技术重新构建主要的铁路线路和基础设施，以便生动地展示铁路线路、沿线的周边环境、固定设施的配套情况，利用多源数据融合，将现实的多媒体素材、地理信息、管理信息等无缝集成在鼍维场景框架中，通过ＷｅｂＧＩＳ将这些信息在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上发布，以实现三维铁路信息的全路共享，人们可随心所欲地利用这些信息。

多维厦建的基础是计算机图形图像学。

方式、

一一

图１铁路沿线视频图像生成方式图２基于视频图象的线路查询

ｉ维可视化

可有：种实现片式：基于视频图像片式和基于重构图形２．１基于视频图像方式

对部分既有线路可以川计算机图像处理力‘法数字化，蹦像处理是基于视频网像。为了获得铁路沿线的路边地物，如桥梁、隧道、道口、车站等信息的图像，可在测量年上安装一台或多台摄像机，摄像机安装在测量车的前端和两侧。摄像过程巾在每一帧图像加上棚应的卒Ｍ地理位置信息，要精确地确定帧图像和地理位置问的对应关系是比较困难的。随着数字摄影测量技术的飞速发展，人们ｒⅡ从立体视频系统中精确地确定影像上物体相对于测量运载器的空间位置。测量运载器是由Ｉ！星定位系统综合定位，帧图像上任何点的坐标都可得到。似这种采集数据的方法代价昂贵。

我们现在采用的是比较经济实用的方法，将摄像机放在机车上，由于机车的速度不可能恒定，摄像过程中

２．２基于计算机图形方式

图形建模是ＧＩＳ二维可视化的主要方式。ＲＧＩＳ系统三维可视化开发可分为虚拟环境制作和图形驱动两个方面。虚拟环境制作主要包括模型设计、场景构造、纹理设计制作、特效设计等，它要求构造逼真的三维模型和制作逼真的纹理效果；图形驱动主要包括场景驱动、模型调动处理、分布交互、大地形处理等，它要求高速逼真地再现虚拟环境，实时响应交互操作等。

图３所示为基于网形建模的方式生成铁路线路和专用建筑虚拟场景，三维重构包涵三部分内容：沿线地形；

●

铁路地理信息系统专集（２】∞０１．９

线路和周边场景；铁路专用建筑物和设备ｊ

一体．不管那种软件，对铁路这个特殊的产业来说都有二次开发问题，因此必须结合铁路特点来研究ｉ维可视

化。

数据库巾含有地形库、铁路专Ⅲ设备库、沿线的艾化特征（地物）库等，采用树和动态数组结合的数据结构，井结合而向对象的技术实现三维场景模型的组织。

南建模方式产乍的三维场景有正确的几何关系，冈此也能比较正确的叠加特殊场景，如铁路路基遭大水或泥石流袭击、翻车脱轨等灾难现象重现。例如最近美国纽约世贸巾心遭恐怖分了袭击的“９・１Ｉ”事件，中

图３铁路三维可视化场景生成流程

央电视台就报导了美国利用二三维交互仿真技术实现＝摊

重建，以供分析。

地形重构原始资料可从航空摄影中得到，也可从周家地理信息巾心或测绘局得到数字高程模制ＤＥＭ，使用１ｉ姚则ｉ角形网格ＴＩＮ生成真实地形结构，再在ｉ角形删格七贴上相应的图象纹理就建立起真实地形，纹理来ｆ１经处理的航片或卫片。

铁路线路干¨建筑物的儿何结构数据来自于设计蓝Ｈ，利用计算机罔形学原理建立多边形结构模型，同样住多边形上贴以真实建筑物的纹理，得到了一维逼真的场女｝，纹理来自以大量的真实铁路、建筑物和专用设符』Ｅ射照片。■维实体建模技术已趋成熟，日前有多种建

模工县，如Ｍｕ｜ｔｉＧｅｎＣｒｅａｔｏｒ，Ｍ及与ＡＨ－ｖｉｅｗ数据接【ｌ的ＴｅｒｒａｉｎＶｉｓｔａ、ＳｉｔｅＢｕｉｌｄｅｒ和ＣｖｂｅｒＣｉｔｖ等。

图４基于计算机图形方式生成的信息查询

场景马ｆＩ动要靠ｉ维图形寅时渲染引擎，根据人眼的滞留效应，帧速率在１２帧，秒以下就有明显的跳跃感，一般要求帧速率在２５—３０帧，秒。从建模的角度来讲，要提高｜萼｜形的显示速度就必须降低需要处理的多边形数ｆＩ．为此建立景物细节层次模型ＬＯＤ是十分必要的。耍关注的是合理组织各种细节层次模型。其他的如纹理映射，Ｊ王走样技术等均要适应实时性要求。驱动类软件目前应用较多的有ＯｐｅｎＧＶＳ、Ｐｅｒｆｏｒｍｅｒ以及我们自主开发

的Ｒｅａｌ３Ｄ等。阿４是基于计算机罔形方式生成的铁路场

Ｅ｜前主要的研究内容有：

ａ

ｉ维罔彤编辑器：在■维同形编辑器巾可导人多

种现有格式的一ｉ维模型，并对其编辑处理。、

ｈ．ｉ维图形引擎：建立在ＯｐｅｎＧＬ上的实现ｉ维图形的实时骐动显示、场景模型的调度管理平台。

ｎ＝ｉ维场景数据库：合理的数据库结构和海量数据的存储与管理，同时应提供与ＧＩＳ系统的接口：

ｄ二维素材编辑器：合理的系统结构和组织，将一：维素材（如地图等）按场景组织进行显示驱动；

ｅ．数据库操作：使用面向对象数据库结构，将所有信息按照合理的数据结构进行划分，提供相关信息的快

速查询。

景，根据查询的内容存罔上点击相应的设备弹出对话框和订炎信息，陔网上点击的是路荩信息。

此外，同内外开发了众多（ｗｓ商用软件，为３Ｄ（－；ｉＳ提供一一体化解决方案．如中地的ＭＡＰＧＩＳ．ＥＳＲＩ的

ＡｒｅＧＩＳ，ＥＲＤＡＳ的ＩＭＡＧＩＮＥＧＩＳ等．其中ＩＭＡＧＩＮＥ

原始信息的获取需要化费较大的代价。．由于现代测量技术的发展，使得我们可从数字遥感立体网像上以全

Ｖｉｒｔｕａｌ（ｊＩｓ

ｉ维可视化分析软件集建模、驱动、分析于

—一

∞Ｏ＇．９

铁路地理信息系统专集（２

在该平台上．可快速高敛地完成包括３Ｄ（：Ｉｓ系统在内的ｉ维Ｈ形陶像应用系统的开发，而无需涉及对ｊ维冈形降ｌ像的底层操作。该平台为３ＤＧＩＳ系统在内的ｉ维图形阁像应川系统的快速开发提供了条件，并支持网络环境下的＿＿＝维｜；冬｜形图像应朋系统的开发。

Ｒ—ｌ３Ｄ开发的二ｉ维图形图像廊川系统运行在Ｗｉｎ—

ｄｏｗｓ

ｌ＝｜Ｊ动厅式荻取数字高稃模型ＤＥＭ，；｛Ｅ『可能以半自动方式提取建筑物平面ｆ》性和高度信息立体数宁影像系统南高分辨率数‘芦摄像ＨＬｌ３，及控制和仔储单元组成．摄影系统采膈ｃ（：Ｄ传感器，摄像机的快门、曝光时间间隔、迭加的时问码部ｍ々¨装咎拄制，得到的数宁影象被爪缩存储住数‘，磁带Ｌ，这为铁蹄线路景观可视化的实现

提供Ｊ，数据条件

９８／ＮＴ平台下，对硬件平台的要求为基于Ｐｍ配有

２．２．１我们的基础

－维矧彤刚像的处理是一个庞大的、小断发展的专业知ｉ！；；ｊ体系、我们仿真中心罔ＪＢ罔像部是专业从事ｉ维罔彤罔像研究的机构，目前拥有ＳＧＩ

Ｏｎｙｘ

２、Ｏｅｌａｎｅ、

ＯｏｅｎＧＬ加速卡的ＰＣ机，内存容量根据视景的大小而定，

一般不应低于１２８ＭＢ．ＯｐｅｎＧＬ加速卡可采用ＴＮＴ２或

Ｖｏｏｄ００５等通川的商业加速Ｒ。２．２．２结论

Ｒ（；ＩＳ的ｊ维可视化应包括３个方面：地形可视化；线路和周边场景可视化；铁路争用建筑物和设备可视化。町卒见化的主要方式是计算机ｆ司形生成方法。３ＤＧＩＳ的主要意义在于对铁路线路的描述摆脱基丁二维地陶和实物模型的表现方式，代之以计算机生成的－维实体模型表现形式．人们町从不同观察位置任意选择路径，以漫游方式视察整个铁路线路和铁路设施，查询各种属性的数据库，使决策者、设计者、ＪＨ户对铁路线路景观的现状和规划设计有直观的。维立体印象。ＲＧＩＳ的■维可视化可为铁路减灾、防灾、救援服务。

０２等高梢专业ｌ萼｜Ｊ［；ｒ作站以及【冬｜象处理设备，虚拟现实孥用没备，如数据ｒ套、头盔和立体眼镜以及跟踪装置，捌有齐备的ｉ维图形丹发工具如ＭｕｈｉＧｅｎｌｌ、ＩＲＩＳＰｅｒｈｕｍ”等，涉及的领域包括高速列车视景仿真ｆ｜ｉ维｜琴｜形和【司像疗式）、城市规划的３ＤＧＩＳ系统、房产开发的虚拟现寅系统等，并已为成都市国家级经济技术开发区、成都海峡两岸经济技术开发区等地区开发ｒ二维地图和ｊ维同形相结合的工程漫游及信息查询系统．在开发区内用户可从不同观察位置（空中或地上）任意选择路径，以漫游方式视察整个Ｔ程，在一磐特定的位置或区域有声音、文’７、『司片或录象资料详细介绍此处的特点，并可查询丁程项口ｒ｛ｔ的各种信息。此系统根据需要可实时改变建筑结构，也可改变肖时灭夺的气象条件。系统足在ＰＩＩＩ并配有ＯｐｅｎＧ［。加速Ｋ的㈨机平台上实现的。添加头盔和数据手套后的虚拟现实应用系统，能使用户产生身ｌ临其境的感觉，

Ｉｌｅａｌ

３参考文献

１郭达志，杜培军，盛业华，数字地球与３维地理信息系统研究。测绘学报，２（ＸＸ），２９（３）

２昊姣黎。三维数字城市的研究与应用，西南交通大学硕士论文．２００１

３Ｄ是我们自主研究开发的基于微机的ｊ维图形

３Ｄ

３正彤，虚拟现实技术的研究及扯校园漫游中的应用，西南交通

大学硕士论文，２０００

４邱静，计算机图象生成技术的研究及其在机车仿真器视景系统中的应川。西南交通人学博士论文．１９９８

图像开发平台，罔形部分南ｉ维视景建模工具ＲｅａｌＭｒＭｅｌｅｒ和ｉ维视景实时渲染引擎Ｒｅａｌ

３Ｄ

Ｒｅｎｄｅｒ两部分

组成，是基下ＯｐｅｎＧｌ．的了维罔形开发平台；罔像部分有自行开发的处理Ｔ具及线路Ｊ钏象查询平白，它是在ｗｉｎ－

ｄ（１ｗｓ

９８／ＮＴ环境下采用ＶＣ＋＋６．００开发的实用平台。用户

（收稿日期：２１）０１一０７－２９）

●■

铁路地理信息系统的三维可视化

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

周美玉， 何鸿云

周美玉(西南交大智能控制与仿真工程研究中心,教授,610031,成都市)， 何鸿云(西南交大智能控制与仿真工程研究中心,主任,610031,成都市)铁路计算机应用

RAILWAY COMPUTER APPLICATION2001,10(9)2次

参考文献(4条)

1. 邱静 计算机图象生成技术的研究及其在机车仿真器视景系统中的应用[学位论文] 19982. 王彤 虚拟现实技术的研究及在校园温游系统中的应用[学位论文] 20003. 吴姣黎 三维数字城市的研究与应用[学位论文] 2001

4. 郭达志;杜培军;盛业华 数字地球与3维地理信息系统研究[期刊论文]-测绘学报 2000(03)

引证文献(2条)

1. 王玉 基于GIS技术的牵引供电信息管理系统的研发[学位论文]硕士 2005

2. 王英杰. 贾利民. 秦勇. 王东锐 地理信息系统在铁路上的应用[期刊论文]-中国铁道科学 2002(5)

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