本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于基元組合和多層次語義約束的虛擬高速鐵路場景快速建模方法，利用設(shè)計資料建設(shè)符合高速鐵路規(guī)范標準的構(gòu)造物基元模型并進行統(tǒng)一管理。然后剖析環(huán)境與線路、線路與模型、模型與模型之間的空間特征和關(guān)系屬性，構(gòu)建多層次語義約束規(guī)則，通過基元組合實現(xiàn)虛擬高速鐵路場景的快速建模。本發(fā)明專利技術(shù)具有高速鐵路線路基元模型種類齊全、模型可重復(fù)利用性高、建模自動化程度高的特點。可降低多領(lǐng)域協(xié)作建模的復(fù)雜度與難度，能為高速鐵路的選線設(shè)計、施工建造、運營維護、仿真實驗等提供虛擬場景快速建模平臺。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于地理信息系統(tǒng)、虛擬地理環(huán)境研究領(lǐng)域，特別涉及到虛擬高速鐵路場景建模技術(shù)。
技術(shù)介紹
目前中國已經(jīng)是世界上高速鐵路里程最長、規(guī)模最大的國家，我國的高速鐵路時代已經(jīng)到來。高速鐵路及其環(huán)境本身是一種復(fù)雜的“人、機、環(huán)境”系統(tǒng)，各子系統(tǒng)內(nèi)部與各子系統(tǒng)之間有著十分復(fù)雜的聯(lián)系，而構(gòu)建虛擬高速鐵路場景，實現(xiàn)高速鐵路各對象數(shù)據(jù)的分析、重組與表示，支持復(fù)雜性大系統(tǒng)的科學實驗研究和工程管理分析，具有重要意義。然而，由于高速鐵路呈長距離帶狀分布，構(gòu)造物紛繁復(fù)雜，不同階段對三維場景的需求不同，導致了種類眾多的三維場景建模手段。而在現(xiàn)有鐵路領(lǐng)域的三維建模研究中，主要存在以下一些問題1)大多側(cè)重于單一領(lǐng)域場景的幾何描述，各專業(yè)對象模型關(guān)系的定義不清晰，缺乏智能引導與控制，建模操作需要較強的綜合專業(yè)知識，場景建模達不到專業(yè)領(lǐng)域的規(guī)范要求；2)現(xiàn)有建模方法中人工參與較多，模型的可重用性差，建模自動化程度低，不僅三維建模操作復(fù)雜，而且生產(chǎn)效率低。
技術(shù)實現(xiàn)思路
顧及聞速鐵路環(huán)境的獨特空間特征與關(guān)系屬性，針對現(xiàn)有聞速鐵路二維場景建豐旲方法存在的問題，本專利技術(shù)旨在設(shè)計。其目的在于對高速鐵路環(huán)境對象進行抽象和簡化，描述其幾何特征和屬性特征，注重基元的通用性和重用性，建設(shè)高速鐵路基元模型庫，并厘清地形環(huán)境、線路和模型之間的空間特征和關(guān)系屬性，設(shè)計多層次約束語義規(guī)則，準確描述虛擬高速鐵路場景對象及各個對象之間關(guān)系，進而通過基元組合實現(xiàn)虛擬高速鐵路場景的快速建模。為高速鐵路的設(shè)計、建設(shè)、管理、仿真分析等提供一個可視化管理實驗平臺。本專利技術(shù)所涉及的基于基元組合與多層次語義約束的高速鐵路場景快速建模方法，技術(shù)步驟包括高速鐵路基元模型庫的建立；多層次約束語義規(guī)則的建立；虛擬高速鐵路場景的快速生成。聞速鐵路基兀|旲型庫的建立首先分析聞速鐵路線路場景中各對象|旲型的幾何特征和屬性信息，顧及計算機可視化表達約束，自上而下對高速鐵路線路場景進行基元劃分；其次對高速鐵路環(huán)境對象進行抽象和簡化，描述其幾何特征和屬性特征，注重基元的通用性和重用性；最后提取模型的主要特征，適當簡化后進行建模渲染，并根據(jù)模型的專業(yè)類別和結(jié)構(gòu)特性對模型進行分類，構(gòu)建基元模型庫進行統(tǒng)一管理和描述。多層次約束語義規(guī)則的建立首先根據(jù)場景建模需求和基元模型的幾何結(jié)構(gòu)和特性，確定場景建設(shè)順序和基元模型的組合順序；其次根據(jù)線路數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的空間和里程關(guān)系建立基元模型的空間語義規(guī)則，并使用絕對位置、相對位置和線性參照對其進行描述；然后根據(jù)地理空間坐標和線路的幾何特性建立基元模型的空間姿態(tài)規(guī)則，使用水平角度、豎直角度和側(cè)方位角對其進行描述；最后建立基本語義用于實現(xiàn)對基元模型的行為控制。虛擬高速鐵路場景的快速生成首先基于線路設(shè)計資料，系統(tǒng)解析基元組合和多層次語義約束規(guī)則，確定線路所對應(yīng)的基元模型和組合方式；其次按照順序語義獲取基元模型，使用空間位置語義和姿態(tài)語義約束基元模型的組合行為，加入地形和影像數(shù)據(jù)，并采用細節(jié)層次模型優(yōu)化場景；最后利用三維渲染引擎進行場景解析和實例化，得到虛擬高速鐵路場景。本專利技術(shù)在對高速鐵路各專業(yè)領(lǐng)域的構(gòu)造物進行分析建模的基礎(chǔ)上，使用多層次語義對模型的組合關(guān)系進行約束，通過基元模型快速組合構(gòu)建虛擬高速鐵路場景。該方法降低了高速鐵路場景建模的難度，減少了建模過程中的人工參與程度，提高了高速鐵路三維建模的自動化水平。本專利技術(shù)可為高速鐵路的選線設(shè)計、施工建造、運營維護、耦合仿真等提供了有效的三維場景建模手段。附圖說明圖1基元模型多層次語義約束結(jié)構(gòu)2空間位置和姿態(tài)計算流程3虛擬高速鐵路場景建設(shè)總體流程圖具體實施例方式結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的技術(shù)方案作進一步說明。I)基元模型庫的建立首先，分析高速鐵路線路場景中各對象模型的幾何特征和屬性信息，顧及計算機可視化表達約束，自上而下對高速鐵路線路場景進行基元劃分，確定各專業(yè)建模對象和建模順序。其次，對高速鐵路環(huán)境對象進行抽象和簡化，描述其幾何特征和屬性特征，對專業(yè)對象進行基元模型劃分。其中，按照對象組成特征，可分為基本基元和組合基元。基本基元是不可再分的單元，如扣件上的螺母；組合基元由基本基元構(gòu)成，如扣件由彈條、錨固螺栓、螺母和軌下墊板等基元組成。然后，提取基元模型的主要特征，適當簡化后進行建模渲染，并根據(jù)模型的專業(yè)類別和結(jié)構(gòu)特性對建設(shè)的基元模型進行分類。如軌道板結(jié)構(gòu)根據(jù)劃分為CRTS I型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)、CRTS II型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)、CRTS III型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)、CRTS I型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)、CRTS II型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。最后，構(gòu)建基元模型庫進行統(tǒng)一管理和描述。2)多層次語義約束規(guī)則的建立根據(jù)高速鐵路專業(yè)領(lǐng)域知識確定地形環(huán)境與線路、線路與模型和模型與模型之間的約束關(guān)系，包括組合順序、空間位置和空間姿態(tài)的約束關(guān)系。第I步，建立組合順序語義約束規(guī)則，根據(jù)場景建模需求和高速鐵路的構(gòu)造對場景進行層次劃分，并按照從上到下的次序確定各層次場景的建設(shè)順序；然后根據(jù)基元模型的幾何結(jié)構(gòu)和特性，按照由總到分、由繁到簡的順序確定各層次基元模型的組合順序。第2步，建立空間位置語義約束規(guī)則，首先利用線路和基元模型的空間關(guān)系計算基元模型的空間位置，使用絕對坐標對平面位置和高程進行描述；接著利用基元模型的幾何結(jié)構(gòu)特性計算基元模型的空間位置，并使用相對坐標對其進行描述；最后利用線性參照對線路數(shù)據(jù)和基元模型的里程關(guān)系進行描述。第3步，建立空間姿態(tài)語義約束規(guī)則，根據(jù)模型的地理空間坐標和線路的幾何特性計算線路的空間姿態(tài)，表現(xiàn)為沿X、Y、Z三個軸線方向的旋轉(zhuǎn)角，并使用豎直角度、側(cè)方位角和水平角度對其進行描述。建立姿態(tài)語義約束規(guī)則時，需要利用線路的坡度計算模型的豎直方位角，然后根據(jù)線路的超高計算模型的側(cè)方位角，并利用模型的地理空間坐標和線路的曲線數(shù)據(jù)計算模型的水平方位角。各層次語義約束都提供一些基本語義，包括旋轉(zhuǎn)、平移、變換、添加、刪除、修改等，以實現(xiàn)對模型對象行為的控制，從而建立起約束模型對象行為的多層次語義規(guī)則。3)空間位置和姿態(tài)計算流程在高速鐵路場景快速建模過程中，空間位置和姿態(tài)調(diào)整參數(shù)是關(guān)鍵，其基本計算流程如圖2所示，主要包括4個步驟。第I步，讀取線路與基元模型之間的約束關(guān)系，并根據(jù)建模里程和模型屬性計算基元模型的起點里程；第2步，首先使用線路曲線數(shù)據(jù)計算起點里程的空間平面位置，并根據(jù)線路與基元模型的位置約束關(guān)系計算模型的空間平面位置，接著使用線路坡度數(shù)據(jù)計算起點里程的高程，最后根據(jù)線路與基元模型的高程約束關(guān)系計算基元模型的高程；第3步，根據(jù)坡度數(shù)據(jù)計算基元模型的豎直角度，超高數(shù)據(jù)計算模型的側(cè)方位角，曲線數(shù)據(jù)計算模型的平面方位角；第4步，根據(jù)模型屬性計算模型下一里程，重復(fù)步驟2、3、4直至終止里程，并計算模型的縮放比例。4)基于基元組合與多層次語義約束的高速鐵路場景快速建模圖3顯示基于基元組合與多層次語義約束的高速鐵路場景快速建模流程。第I步，確定場景建模對象和范圍，首先讀取線路的設(shè)計資料，包括曲線、坡度、超高、橋梁、隧道等設(shè)計資料；然后根據(jù)建模的對象需求和范圍，獲取需要建模的對象，并計算各對象的建模范圍。第2步，建立多層次語義約束規(guī)則，根據(jù)場景的建設(shè)需求和基元模型對象之間的約束關(guān)系，包括模型對象的組合順序約束、位置關(guān)系約束和姿態(tài)調(diào)整約束，計算各基本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種基于基元組合與多層次語義約束的高速鐵路場景快速建模方法，用于根據(jù)設(shè)計資料快速生成虛擬高速鐵路場景，其特征在于：建立了高速鐵路基元模型庫和多層次語義約束規(guī)則，并且能夠快速生成虛擬高速鐵路場景；所述高速鐵路基元模型庫建立包括：厘清高速鐵路各構(gòu)造物的領(lǐng)域范圍和相互關(guān)系，依據(jù)高速鐵路各對象規(guī)范標準，對構(gòu)造物進行精細化建模和逼真性渲染，并構(gòu)建對應(yīng)的多層次細節(jié)模型，使用統(tǒng)一的方式對基元模型進行描述和管理；所述多層次約束語義規(guī)則建立包括：根據(jù)地形環(huán)境與線路、線路與模型、模型與模型之間的空間特征和關(guān)系屬性，建立多個層次的語義約束規(guī)則，以支持場景組合描述；所述虛擬高速鐵路場景快速生成包括：根據(jù)高速鐵路線路設(shè)計資料，基于基元模型庫和多層次語義約束規(guī)則，組合相關(guān)構(gòu)造物并處理對應(yīng)的地形，生成虛擬高速鐵路場景。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于基元組合與多層次語義約束的高速鐵路場景快速建模方法，用于根據(jù)設(shè)計資料快速生成虛擬高速鐵路場景，其特征在于:建立了高速鐵路基元模型庫和多層次語義約束規(guī)則，并且能夠快速生成虛擬高速鐵路場景； 所述聞速鐵路基兀|旲型庫建立包括:厘清聞速鐵路各構(gòu)造物的領(lǐng)域范圍和相互關(guān)系，依據(jù)高速鐵路各對象規(guī)范標準，對構(gòu)造物進行精細化建模和逼真性渲染，并構(gòu)建對應(yīng)的多層次細節(jié)模型，使用統(tǒng)一的方式對基元模型進行描述和管理； 所述多層次約束語義規(guī)則建立包括:根據(jù)地形環(huán)境與線路、線路與模型、模型與模型之間的空間特征和關(guān)系屬性，建立多個層次的語義約束規(guī)則，以支持場景組合描述； 所述虛擬高速鐵路場景快速生成包括:根據(jù)高速鐵路線路設(shè)計資料，基于基元模型庫和多層次語義約束規(guī)則，組合相關(guān)構(gòu)造物并處理對應(yīng)的地形，生成虛擬高速鐵路場景。2.根據(jù)權(quán)利I要求所述的基于基元組合與多層次語義約束的高速鐵路場景快速建模方法，其特征在于:由于所述高速鐵路構(gòu)造物基元模型庫建立中涉及多個高速鐵路專業(yè)領(lǐng)域，包括線路設(shè)計、鐵道工程、列車控制、牽電等，故需根據(jù)各專業(yè)要求和各專業(yè)之間的關(guān)系提取構(gòu)造物主要特征，適當簡化后進...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱軍，王金宏，徐柱，曹云剛，胡亞，張阿麗，尹靈芝，秦川，
申請(專利權(quán))人：西南交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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