基于MSTS與DEM數(shù)據(jù)的線路地形仿真與實現(xiàn)

楊 城，陳榮武，王懷松

（西南交通大學信息科學與技術(shù)學院，成都 611756）

基于MSTS與DEM數(shù)據(jù)的線路地形仿真與實現(xiàn)

楊 城，陳榮武，王懷松

（西南交通大學信息科學與技術(shù)學院，成都 611756）

三維場景仿真技術(shù)已被廣泛應用于航空、城市規(guī)劃、軌道交通等眾多領(lǐng)域。該文章基于微軟所開發(fā)的MSTS（Microsoft train simulation）列車運行仿真平臺，以真實線路為原型，結(jié)合Google Earth地標功能，對如何快速準確復原地形進行了研究，提出利用DEM（Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)導入，實現(xiàn)對仿真線路所在區(qū)域地形地貌環(huán)境的高度復原。該方法完善了仿真展示效果，提高了仿真結(jié)果的真實性與準確性。相比于傳統(tǒng)人工修改地理參數(shù)的方式，該方法在保證一定仿真精度的前提下，通過導入DEM數(shù)據(jù)，能夠大量減少復原線路地理環(huán)境的工作量。

MSTS；三維仿真；DEM；四分樹區(qū)塊

1 引 言

從自上世紀80年代起，對列車運行仿真系統(tǒng)的研發(fā)就已開始，并成功地將該仿真系統(tǒng)應用于列車司機培訓，列車事故復原以及列車控制系統(tǒng)教學展示等諸多方面，體現(xiàn)了該系統(tǒng)巨大的科教價值和經(jīng)濟價值。列車運行仿真系統(tǒng)，通過視覺影像、聲音以及人機交互來實現(xiàn)對列車真實運行環(huán)境和狀態(tài)的仿真。特別地，對于列車運行仿真系統(tǒng)，為了達到較好的仿真效果。其對場景和模型的重建要求比較高，對線路地形特征的要求也比較精確。

目前國內(nèi)一些典型的列車運行仿真系統(tǒng)，如北京交通大學開發(fā)的基于Vega的北京地鐵一號線三維視景仿真平臺［1］，以及西南交通大學軌道交通實驗室研制的靜態(tài)模擬駕駛艙［2］。它們都通過屏幕投影和控制臺復原的方式來仿真運行環(huán)境和操作過程，而仿真顯示的線路場景等地理環(huán)境信息，則是通過人工修改參數(shù)的方式復原。這種方式，對于大范圍的地形地貌的復原，工作量是巨大的，且通過人工手動還原的方式，精確度不高，仿真效果也不理想。

MSTS（Microsoft train simulation）是微軟公司為模擬列車運行狀態(tài)與列車運行環(huán)境而開發(fā)的三維場景仿真平臺。具有較強的仿真功能和較好的展示效果。該平臺具有良好的通用性和可移植性，沒有對控制臺硬件復原的要求，只需要軟件的支持，提供了各類仿真編輯工具。在該平臺下，通過對一定區(qū)域內(nèi)地形地貌的處理，搭建線路和模型，可實現(xiàn)對大鐵及地鐵的列車運行狀態(tài)以及運行場景的仿真。此外，該平臺還預留有函數(shù)接口，可根據(jù)實際需要來改變列車運行仿真環(huán)境以及實現(xiàn)新的仿真功能。

2 MSTS環(huán)境下DEM數(shù)據(jù)使用原理

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model）是用一組有序的數(shù)值陣列來表示地面高程（又稱海拔）的一種實體地面模型。DEM模型通過存儲在介質(zhì)上的大量地面點空間數(shù)據(jù)和地形屬性數(shù)據(jù)，以數(shù)字形式來描述地形地貌。在進行線路場景的地形地貌復原時，利用的即是DEM數(shù)據(jù)中地形地貌因子［3］，如海拔、坡度，坡向，坡度變化率等。且這些數(shù)字信息與真實經(jīng)緯度坐標對應。在MSTS地形生成環(huán)境中，位置信息也通過經(jīng)緯度確定，因此，可以通過經(jīng)緯度坐標將DEM數(shù)據(jù)中的地形特征與MSTS環(huán)境下生成的地形相關(guān)聯(lián)。具體原理是將某一坐標位置的DEM數(shù)據(jù)中關(guān)于地形地貌特征的數(shù)字信息寫入MSTS的地形文件中，實現(xiàn)大范圍，大批量地導入地形數(shù)據(jù)，避免人工手動修改地形參數(shù)的繁瑣，并且保證了復原地形的精度和速度。通過研究發(fā)現(xiàn)，MSTS平臺線路的地形特征信息保存在TILE文件夾*.t格式的文件中，通過DEMEX軟件導入DEM數(shù)據(jù)重寫*.t文件，即可實現(xiàn)仿真線路中地形地貌的仿真，但在這之前要確保對應線路的準確范圍，保證數(shù)據(jù)導入的準確性。

3 DEM數(shù)據(jù)導入前仿真地形區(qū)域的創(chuàng)建

本文以成都至遂寧段即成渝線部分鐵路線路為仿真背景，通過三維仿真的方式搭建成都至遂寧沿線的地形地貌還原線路場景，實現(xiàn)列車運行場景的仿真。在MSTS地形生成器中，地形區(qū)域的選取和大小由線路坐標和四分樹區(qū)塊的數(shù)量決定。因此要復原線路場景，就需要得到沿線線路的坐標位置信息，以方便地形區(qū)域的創(chuàng)建和選取。

3.1 線路位置信息的獲取

通過Google earth確定復原線路的走向，利用Google earth中地標功能，依據(jù)實際線路的位置和走向，沿線順序放置地標單元，并在隧道口，橋梁及高架入口等位置修改地標屬性，方便后期線路鋪設(shè)階段在對應位置放置模型，以及對該局部區(qū)域內(nèi)地形地貌的細節(jié)處理，實現(xiàn)線路場景的最大程度復原。

地標存儲的是線路上各個點的坐標，為提高仿真線路的分辨率，也為了后期線路鋪設(shè)能夠嚴格按照真實線路的走向進行，地標單元應盡量密集放置，平直軌道線路上兩相鄰地標距離控制在200米以內(nèi)，曲線軌道線路上控制在50米以內(nèi)，成都東至遂寧段線路依據(jù)真實線路走向順序放置地標單元如圖1所示。

圖1 仿真線路地標定位走向圖Fig.1 Trend of location landm arks of the simu lation route

將地標位置信息保存后，得到KML格式的地標文件。將其轉(zhuǎn)換成MSTS線路地形編輯器可識別的MKR文件后，放置到創(chuàng)建地形文件的主目錄中即可被加載識別。

3.2 最小四分樹區(qū)塊的創(chuàng)建

MSTS為創(chuàng)建地形環(huán)境提供了線路地形生成器，在該生成器中，提供了世界范圍的平面地圖，通過確定線路起點和終點，以及線路特征點的坐標，如緯度在最高處和最低處的點，創(chuàng)建初始地形區(qū)域并生成最小四分樹網(wǎng)格區(qū)塊［4］以減少存儲空間的消耗，如圖2所示。

圖2 初始區(qū)域最小四分樹網(wǎng)格區(qū)塊圖Fig.2 Them inimum Quad Tree grid block diagram of initial region

圖2中藍色區(qū)域代表被選中最小四分樹區(qū)塊，由于初始化區(qū)域的最小四分樹網(wǎng)格是根據(jù)線路中幾個樣本點確定的，因此并不能保證將整條線路即所有地標都包含在內(nèi)。為了創(chuàng)建準確的地形區(qū)域，需要結(jié)合2.1中得到的MKR地標文件去校對，然后不斷對初始化的最小四分樹網(wǎng)格區(qū)塊進行添加或刪除操作，直到確保所有的地標都被包含在所創(chuàng)建的地形區(qū)域中。從初始化區(qū)域到最終精確區(qū)域的確定，其方法流程如圖3所示。

圖3中紅色方塊代表一個基本的最小四分樹網(wǎng)格區(qū)塊，綠色點代表MKR地標文件保存的線路的位置信息，觀察圖3（右）可見，經(jīng)過圖3（左）所示的方法流程后，最后實現(xiàn)線路上所有的點都包含在新最小四分樹網(wǎng)格區(qū)塊中，即線路準確區(qū)域已創(chuàng)建。

圖3 精確區(qū)域創(chuàng)建流程圖（左）區(qū)域創(chuàng)建對比圖（右）Fig.3 The flow diagram of creating precise area（left）area comparisondiagram（right）

4 DEM遙感影像數(shù)據(jù)的導入

下載該區(qū)域范圍的DEM數(shù)據(jù)包，該文使用的DEM數(shù)據(jù)格式為TIFF，精度為90米。DEMEX軟件加載DEM數(shù)據(jù)包后，根據(jù)2.2中的準確區(qū)域，重寫TILE文件夾中*.t地形文件，編輯器生成對應的緩存文件*.raw即完成了指定區(qū)域內(nèi)DEM數(shù)據(jù)的導入。如圖4所示。

圖4 仿真線路區(qū)域內(nèi)DEM數(shù)據(jù)導入效果圖Fig.4 The rendering of DEM data im port

圖4中紅色網(wǎng)格即是三維仿真線路的場景環(huán)境區(qū)域。線路的鋪設(shè)，模型的放置均在該區(qū)域內(nèi)進行。通過MSTS的線路編輯器可查看線路區(qū)域內(nèi)任意位置的地形地貌。如圖5所示。

圖5 地形地貌網(wǎng)格圖（左）地形地貌地表圖（右）Fig.5 Topography grid（left）land form surface（right）

5 模型放置與仿真效果

MSTS平臺具有良好的開源特性，支持第三方對模型庫的擴充，目前模型庫中已有的模型基本能夠完成絕大多數(shù)鐵路、地鐵、有軌電車等軌道交通線路的仿真，對于特定模型，可通過3Ds MAX等三維建模軟件創(chuàng)建后添加進模型庫，在REF文件中添加對應的聲明代碼即可在編輯環(huán)境下使用該模型。通過MSTS平臺自帶和新添加的模型，以地標為位置依據(jù)，參考實景及衛(wèi)星照片，可對成都至遂寧段鐵路線路進行三維重建。

圖6 線路鋪設(shè)和模型放置前效果圖（左）仿真區(qū)域衛(wèi)星圖（右）Fig.6 Before laying the railway model（left）satellite image of simulation area（right）

根據(jù)圖6（左）確定坐標范圍，結(jié)合衛(wèi)星照片圖6（右），在MSTS平臺中的模型庫中選取合適的模型，以地標為參照，放置模型和鋪設(shè)軌道后效果圖如圖7所示。

6 結(jié)束語

圖7 三維仿真完成后效果圖Fig.7 Completion of the rendering 3d simulation

該論文以成都至遂寧段鐵路線路為原型，在MSTS平臺下利用DEM遙感影像數(shù)據(jù)導入，完成對列車運行所在區(qū)域地形地貌環(huán)境的復原。從仿真結(jié)果來看，該方法對仿真展示效果和準確性有較大提高，相對于傳統(tǒng)的人工復原三維場景地理環(huán)境的方式，該方法能夠大量減少創(chuàng)建線路地形環(huán)境的工作量，其仿真結(jié)果也更加真實，準確。當然，基于MSTS平臺，該方法在以后的研究中還可以進一步通過以下兩個方面完善：

（1）使用ASTER GDEM高分辨率格式的DEM數(shù)據(jù)［5］，使誤差從90米降低至30米。

（2）使用高精度的地形地貌貼圖，使列車運行的線路地理環(huán)境更加逼真。

［1］ 閆偉萍.基于CTCS－2的列車視景仿真系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［D］.西南交通大學，2009.

YANWeipin.The research and implementof train scene simulation system based on ctcs－2［D］.Southwest Jiaotong University，2009.

［2］ 王妍.基于DEM的地形信息提取與景觀空間格局分析［D］.西南大學，2006.

WANG Yan.Landform information obtains and Landscape spatial pattern analyses based on DEM［D］.Southwest University，2006.

［3］ 宋曉偉.地鐵列車運行控制視景仿真系統(tǒng)中三維建模技術(shù)的研究與實現(xiàn)［D］.北京交通大學，2007.

SONG Xiaowei.Research and Implement of3Dmodeling Technology in Scene Simulation System of Subway Trains Operation［D］.Beijing Jiaotong University，2007.

［4］ Modeling of Earth＇s Gravity Fields Visualization Based on Quad Tree［J］.Geo－Spatial Information Science，2010，13（3）：216－220.

［5］ 張朝忙.中國地區(qū)SRTM3 DEM與ASTER GDEM高程精度質(zhì)量評價［D］.華中農(nóng)業(yè)大學，2013.

ZHANG Chaomang.Elevation quality evaluation of SRTM3 DEM and ASTER GDEM Data in China［D］.Huazhong Agricultural University，2013.

楊 城 男（1990－），四川達州人，碩士生，主要研究方向為交通信息工程及控制。

陳榮武 男（1971－），湖南東安人，高級工程師，主要研究領(lǐng)域為交通信息工程及控制、計算機應用。

Simulation and Implementation of Route Terrain Based on MSTS and DEM data

YANG Cheng，CHEN Rongwu，WANG Huaisong

（School of Information Science＆Technology，South WestJiaotong University，Chengdu 611756，China）

3D simulation technology has been w idely applied to many fields such as aviation，urban planning，rail transportation etc.How to recover the terrain of the simulation zone quickly and accurately based on MSTS（train simulation M icrosoft）platform by taking the real route as prototype and combining w ith landmark of Google Earth was studied.By importing DEM（Digital Elevation Model）data to realize the terrain recovering of the simulation zone which contains the route has improved the authenticity and accuracy of simulation result.Under the premise of ensuring the accuracy，compared w ith traditionalmethod thatmodifying geographical parametersmanually，importing DEM data could reduce the workload of the recovering of geographical environment greatly.

MSTS；3D simulation；DEM；quad tree grid

TP 391.9

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