【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道工程技术与应急救援领域，具体地说是一种空间语义约束的隧道环境参量融合建模方法。
技术介绍
1、隧道工程是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。根据其所在位置可分为山岭隧道工程、水下隧道工程和城市隧道工程三大类。为缩短距离和避免大坡道而从山岭或丘陵下穿越的称为山岭隧道工程；为穿越河流或海峡而从河下或海底通过的称为水下隧道工程；为适应铁路通过大城市的需要而在城市地下穿越的称为城市隧道工程。
2、在隧道工程中，需要对隧道选线、纵断面设计、横断面设计以及辅助坑道设计等，还包括洞门设计、开挖方法和衬砌类型的选择，而这些施工设计都需要对隧道内部的环境和参量进行考量。通常在隧道场景建模过程中，采用了不同的建模方法对地形、隧道构件与隧道环境参量进行单独建模，而这导致了它们在数据结构和组合方式存在显著差异，无法快速进行场景中多种模型的融合。
3、在应急救援领域中，隧道属于遮蔽空间，在发生灾害时，其特点是视野狭隘、通信受限、内部情况复杂，为了实现安全、准确的救援，最大程度的保障救援人员的安全，需要对隧道、隧道周边的地形及隧道中的环境参量进行快速融合建模。
4、因此，设计了一种空间语义约束的隧道环境参量融合建模方法，实现了空间语义规则约束下的隧道构件与三维地形融合，同时将环境参量与地形-隧道模型精确融合。
技术实现思路
1、本专利技术旨在改善现有技术的缺陷，并提供一种空间语义约束的隧道环境参量融合建模方法，在空间语义
2、为了实现上述目的，本专利技术提供了一种空间语义约束的隧道环境参量融合建模方法：
3、包括隧道基础场景建模，隧道场景环境参量三维可视化建模，空间语义约束规则构建以及空间语义约束的隧道环境参量融合建模；
4、隧道基础场景建模为：
5、s1，通过数字高程模型为基础数据，构造隧道三维地形网格，通过遥感影像进行纹理映射，从而建立隧道入口及隧道上方的三维地形场景；地形场景的数据包括：地形格网单元的坐标和高程值，每个地形格网单元坐标计算公式为：
6、xstart和ystart分别表示地形起始点坐标，
7、gsize表示每个格网的尺寸，gcol和grow表示当前格网的列号和行号，r表示总行数；
8、s2，通过逆时针的方式遍历三角网模型中每个三角形的顶点，存储这些顶点的坐标以及对应的索引，使得在整个地形三角网模型中，点、线和面之间的拓扑关系得以完整描述和存储；
9、s3，通过保存顶点数据以及对应的索引号，从而得到地形坐标索引的数据结构；通过实时接入并读取地形坐标索引数据，并结合遥感影像进行网格模型的纹理映射，能够快速构建出隧道周边的三维地形场景；
10、s4，用现有的隧道横断面设计图，进行标准化处理，仅保留衬砌内边缘线和外边缘线，剔除其他无关线条后得到隧道横断面的基础草图，将经过处理的隧道横断面图形导入到建模软件中，通过放样拉伸操作生成隧道主体的几何模型并进行导出，得到的隧道构件模型；
11、隧道场景环境参量三维可视化建模为：
12、s10，通过协同克里金插值法数值计算来填充隧道中的空白区域，以实现对整个隧道空间中的环境参量数据进行连续且全面的可视化展示，选取与隧道某环境参量以外其他环境参量为协变量，主变量z(pi)的协变量为zc(pj)，计算公式为：
13、
14、式中z*(p0)为协同克里金插值法的预测值；z(pi)(i＝1,2,...,m)为采样点主变量环境参量数据；zc(pj)(j＝1,2,...,n)为协同变量环境参量数据；λi和μj为协同克里金模型中的加权系数；
15、引入lagrange系数得到以下公式：
16、
17、γ1为主变量的变异函数模型，γ2为协同变量的变异函数模型；γ12,γ11为主协变异函数模型；对上式进行求解得到加权系数λi和μj，代入即可得到协同克里金的预测值z*(p0)；
18、s20，采用图形处理器gpu实现光线投射算法体绘制，通过硬件加速的纹理映射来提高渲染速度，投射算法包括顶点着色器和片元着色器，顶点着色器用于转换数据顶点坐标，并将计算结果传递给片元着色器，片元着色器执行光线投射、数据重采样、传递函数设计以及光线合成步骤；
19、s30，光线投射为：
20、根据发出的射线对隧道环境参量体数据进行采样，在进行采样前首先需要检测射线与体数据包围盒是否相交，并计算得到采样起点与终点；
21、采用aabb即axis-aligned bounding box包围盒作为体数据包围盒，通过ray-aabb算法求解射线与环境参量体数据包围盒的交点；
22、在gpu片元着色器中通过基于aabb包围盒的相交检测算法即slab method，判断射线与包围盒是否相交并计算其交点，slab指两个平行面之间的空间，对于环境参量体数据的aabb包围盒可以看作是三组平行面组成的三个slab的交集；
23、根据包围盒六个面的法线方向，将其为三个近面与三个远面，如果射线与三个slab的相交部分存在重合那么该射线必定与aabb包围盒相交，具体算法如下：
24、s301，建立射线方程：假设射线起始点为rayo，dir为射线方向向量，s为采样步长，则射线方程可表示为：ray(t)＝rayo+s*dir；
25、s302，检测射线与aabb包围盒是否相交：根据建立的射线方程计算与slab的交点，判断三个相交区域是否存在重叠部分来检测该射线是否与体包围盒相交，检测公式如下：max(sxnear,synear,sznear)<min(sxfar,syfar,szfar)其中sxnear,synear,sznear为与三个slab的交点中较小的值，sxfar,syfar,szfar为较大的s值；
26、s303，求采样起点与终点坐标：通过相交检测的交点即为射线与体包围盒的交点，起点坐标为rayo+max(sxnear,synear,sznear)*dir，终点坐标为rayo+min(sxfar,syfar,szfar)*dir，起点和终点所确定的线段长度即为射线穿越距离；
27、s304，通过计算射线与体包围盒的交点，从而剔除无效采样过程，并用于后面的重采样与光线合成计算部分；
28、s40，数据重采样为：
29、对体数据进行重采样，将其转变为连续的数据场；根据重采样点相邻体素的属性值通过插值计算，将插值结果作为采样点的值，具体步骤为：
30、s401，第一次插值，根据采样点周围八体素的属性值，进行x方向上的插值，得到点i1-1,i1-2,i1-3,i1-4的值，公式为：
31、
32、s402，第二次插值，根据s本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种空间语义约束的隧道环境参量融合建模方法，其特征在于，包括隧道基础场景建模，隧道场景环境参量三维可视化建模，空间语义约束规则构建以及空间语义约束的隧道环境参量融合建模；
【技术特征摘要】
1.一种空间语义约束的隧道环境参量融合建模方法，其特征在于，包括隧道基础场景建模，隧道场...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐胜华，江文星，马钰，王勇，王琢璐，罗安，车向红，
申请(专利权)人：中国测绘科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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