一种基于基元组合与多层次语义约束的高速铁路场景快速建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于基元组合和多层次语义约束的虚拟高速铁路场景快速建模方法，利用设计资料建设符合高速铁路规范标准的构造物基元模型并进行统一管理。然后剖析环境与线路、线路与模型、模型与模型之间的空间特征和关系属性，构建多层次语义约束规则，通过基元组合实现虚拟高速铁路场景的快速建模。本发明专利技术具有高速铁路线路基元模型种类齐全、模型可重复利用性高、建模自动化程度高的特点。可降低多领域协作建模的复杂度与难度，能为高速铁路的选线设计、施工建造、运营维护、仿真实验等提供虚拟场景快速建模平台。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地理信息系统、虚拟地理环境研究领域，特别涉及到虚拟高速铁路场景建模技术。
技术介绍
目前中国已经是世界上高速铁路里程最长、规模最大的国家，我国的高速铁路时代已经到来。高速铁路及其环境本身是一种复杂的“人、机、环境”系统，各子系统内部与各子系统之间有着十分复杂的联系，而构建虚拟高速铁路场景，实现高速铁路各对象数据的分析、重组与表示，支持复杂性大系统的科学实验研究和工程管理分析，具有重要意义。然而，由于高速铁路呈长距离带状分布，构造物纷繁复杂，不同阶段对三维场景的需求不同，导致了种类众多的三维场景建模手段。而在现有铁路领域的三维建模研究中，主要存在以下一些问题1)大多侧重于单一领域场景的几何描述，各专业对象模型关系的定义不清晰，缺乏智能引导与控制，建模操作需要较强的综合专业知识，场景建模达不到专业领域的规范要求；2)现有建模方法中人工参与较多，模型的可重用性差，建模自动化程度低，不仅三维建模操作复杂，而且生产效率低。
技术实现思路
顾及闻速铁路环境的独特空间特征与关系属性，针对现有闻速铁路二维场景建丰旲方法存在的问题，本专利技术旨在设计。其目的在于对高速铁路环境对象进行抽象和简化，描述其几何特征和属性特征，注重基元的通用性和重用性，建设高速铁路基元模型库，并厘清地形环境、线路和模型之间的空间特征和关系属性，设计多层次约束语义规则，准确描述虚拟高速铁路场景对象及各个对象之间关系，进而通过基元组合实现虚拟高速铁路场景的快速建模。为高速铁路的设计、建设、管理、仿真分析等提供一个可视化管理实验平台。本专利技术所涉及的基于基元组合与多层次语义约束的高速铁路场景快速建模方法，技术步骤包括高速铁路基元模型库的建立；多层次约束语义规则的建立；虚拟高速铁路场景的快速生成。闻速铁路基兀|旲型库的建立首先分析闻速铁路线路场景中各对象|旲型的几何特征和属性信息，顾及计算机可视化表达约束，自上而下对高速铁路线路场景进行基元划分；其次对高速铁路环境对象进行抽象和简化，描述其几何特征和属性特征，注重基元的通用性和重用性；最后提取模型的主要特征，适当简化后进行建模渲染，并根据模型的专业类别和结构特性对模型进行分类，构建基元模型库进行统一管理和描述。多层次约束语义规则的建立首先根据场景建模需求和基元模型的几何结构和特性，确定场景建设顺序和基元模型的组合顺序；其次根据线路数据和模型数据的空间和里程关系建立基元模型的空间语义规则，并使用绝对位置、相对位置和线性参照对其进行描述；然后根据地理空间坐标和线路的几何特性建立基元模型的空间姿态规则，使用水平角度、竖直角度和侧方位角对其进行描述；最后建立基本语义用于实现对基元模型的行为控制。虚拟高速铁路场景的快速生成首先基于线路设计资料，系统解析基元组合和多层次语义约束规则，确定线路所对应的基元模型和组合方式；其次按照顺序语义获取基元模型，使用空间位置语义和姿态语义约束基元模型的组合行为，加入地形和影像数据，并采用细节层次模型优化场景；最后利用三维渲染引擎进行场景解析和实例化，得到虚拟高速铁路场景。本专利技术在对高速铁路各专业领域的构造物进行分析建模的基础上，使用多层次语义对模型的组合关系进行约束，通过基元模型快速组合构建虚拟高速铁路场景。该方法降低了高速铁路场景建模的难度，减少了建模过程中的人工参与程度，提高了高速铁路三维建模的自动化水平。本专利技术可为高速铁路的选线设计、施工建造、运营维护、耦合仿真等提供了有效的三维场景建模手段。附图说明图1基元模型多层次语义约束结构2空间位置和姿态计算流程3虚拟高速铁路场景建设总体流程图具体实施例方式结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。I)基元模型库的建立首先，分析高速铁路线路场景中各对象模型的几何特征和属性信息，顾及计算机可视化表达约束，自上而下对高速铁路线路场景进行基元划分，确定各专业建模对象和建模顺序。其次，对高速铁路环境对象进行抽象和简化，描述其几何特征和属性特征，对专业对象进行基元模型划分。其中，按照对象组成特征，可分为基本基元和组合基元。基本基元是不可再分的单元，如扣件上的螺母；组合基元由基本基元构成，如扣件由弹条、锚固螺栓、螺母和轨下垫板等基元组成。然后，提取基元模型的主要特征，适当简化后进行建模渲染，并根据模型的专业类别和结构特性对建设的基元模型进行分类。如轨道板结构根据划分为CRTS I型板式无砟轨道结构、CRTS II型板式无砟轨道结构、CRTS III型板式无砟轨道结构、CRTS I型双块式无砟轨道结构、CRTS II型双块式无砟轨道结构。最后，构建基元模型库进行统一管理和描述。2)多层次语义约束规则的建立根据高速铁路专业领域知识确定地形环境与线路、线路与模型和模型与模型之间的约束关系，包括组合顺序、空间位置和空间姿态的约束关系。第I步，建立组合顺序语义约束规则，根据场景建模需求和高速铁路的构造对场景进行层次划分，并按照从上到下的次序确定各层次场景的建设顺序；然后根据基元模型的几何结构和特性，按照由总到分、由繁到简的顺序确定各层次基元模型的组合顺序。第2步，建立空间位置语义约束规则，首先利用线路和基元模型的空间关系计算基元模型的空间位置，使用绝对坐标对平面位置和高程进行描述；接着利用基元模型的几何结构特性计算基元模型的空间位置，并使用相对坐标对其进行描述；最后利用线性参照对线路数据和基元模型的里程关系进行描述。第3步，建立空间姿态语义约束规则，根据模型的地理空间坐标和线路的几何特性计算线路的空间姿态，表现为沿X、Y、Z三个轴线方向的旋转角，并使用竖直角度、侧方位角和水平角度对其进行描述。建立姿态语义约束规则时，需要利用线路的坡度计算模型的竖直方位角，然后根据线路的超高计算模型的侧方位角，并利用模型的地理空间坐标和线路的曲线数据计算模型的水平方位角。各层次语义约束都提供一些基本语义，包括旋转、平移、变换、添加、删除、修改等，以实现对模型对象行为的控制，从而建立起约束模型对象行为的多层次语义规则。3)空间位置和姿态计算流程在高速铁路场景快速建模过程中，空间位置和姿态调整参数是关键，其基本计算流程如图2所示，主要包括4个步骤。第I步，读取线路与基元模型之间的约束关系，并根据建模里程和模型属性计算基元模型的起点里程；第2步，首先使用线路曲线数据计算起点里程的空间平面位置，并根据线路与基元模型的位置约束关系计算模型的空间平面位置，接着使用线路坡度数据计算起点里程的高程，最后根据线路与基元模型的高程约束关系计算基元模型的高程；第3步，根据坡度数据计算基元模型的竖直角度，超高数据计算模型的侧方位角，曲线数据计算模型的平面方位角；第4步，根据模型属性计算模型下一里程，重复步骤2、3、4直至终止里程，并计算模型的缩放比例。4)基于基元组合与多层次语义约束的高速铁路场景快速建模图3显示基于基元组合与多层次语义约束的高速铁路场景快速建模流程。第I步，确定场景建模对象和范围，首先读取线路的设计资料，包括曲线、坡度、超高、桥梁、隧道等设计资料；然后根据建模的对象需求和范围，获取需要建模的对象，并计算各对象的建模范围。第2步，建立多层次语义约束规则，根据场景的建设需求和基元模型对象之间的约束关系，包括模型对象的组合顺序约束、位置关系约束和姿态调整约束，计算各基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于基元组合与多层次语义约束的高速铁路场景快速建模方法，用于根据设计资料快速生成虚拟高速铁路场景，其特征在于：建立了高速铁路基元模型库和多层次语义约束规则，并且能够快速生成虚拟高速铁路场景；所述高速铁路基元模型库建立包括：厘清高速铁路各构造物的领域范围和相互关系，依据高速铁路各对象规范标准，对构造物进行精细化建模和逼真性渲染，并构建对应的多层次细节模型，使用统一的方式对基元模型进行描述和管理；所述多层次约束语义规则建立包括：根据地形环境与线路、线路与模型、模型与模型之间的空间特征和关系属性，建立多个层次的语义约束规则，以支持场景组合描述；所述虚拟高速铁路场景快速生成包括：根据高速铁路线路设计资料，基于基元模型库和多层次语义约束规则，组合相关构造物并处理对应的地形，生成虚拟高速铁路场景。

【技术特征摘要】
1.一种基于基元组合与多层次语义约束的高速铁路场景快速建模方法，用于根据设计资料快速生成虚拟高速铁路场景，其特征在于:建立了高速铁路基元模型库和多层次语义约束规则，并且能够快速生成虚拟高速铁路场景； 所述闻速铁路基兀|旲型库建立包括:厘清闻速铁路各构造物的领域范围和相互关系，依据高速铁路各对象规范标准，对构造物进行精细化建模和逼真性渲染，并构建对应的多层次细节模型，使用统一的方式对基元模型进行描述和管理； 所述多层次约束语义规则建立包括:根据地形环境与线路、线路与模型、模型与模型之间的空间特征和关系属性，建立多个层次的语义约束规则，以支持场景组合描述； 所述虚拟高速铁路场景快速生成包括:根据高速铁路线路设计资料，基于基元模型库和多层次语义约束规则，组合相关构造物并处理对应的地形，生成虚拟高速铁路场景。2.根据权利I要求所述的基于基元组合与多层次语义约束的高速铁路场景快速建模方法，其特征在于:由于所述高速铁路构造物基元模型库建立中涉及多个高速铁路专业领域，包括线路设计、铁道工程、列车控制、牵电等，故需根据各专业要求和各专业之间的关系提取构造物主要特征，适当简化后进...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱军，王金宏，徐柱，曹云刚，胡亚，张阿丽，尹灵芝，秦川，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：