多層次空間語義約束的高速鐵路場景自動建模方法

張 恒

1. 鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司工程實驗室，天津 300161； 2. 西南交通大學(xué)，四川 成都 611756

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多層次空間語義約束的高速鐵路場景自動建模方法

張 恒1,2

1. 鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司工程實驗室，天津 300161； 2. 西南交通大學(xué)，四川 成都 611756

構(gòu)建高速鐵路三維場景，將多領(lǐng)域數(shù)據(jù)整合至同一時空基準下進行可視化展示與管理分析，有助于提升高速鐵路信息化建設(shè)能力和綜合化管理水平。現(xiàn)有高速鐵路場景建模方法在建模過程方面需要較強的專業(yè)知識，增加了建模的難度，難以保證復(fù)雜場景的規(guī)范性；在建模知識與建模操作方面，缺乏統(tǒng)一的表達方法與存儲機制，不能實現(xiàn)建模知識與建模操作的有效重用，難以適應(yīng)多類型鐵路場景的構(gòu)建；在場景繪制方面，建模輸出與圖形引擎固化集成，導(dǎo)致三維場景的應(yīng)用受限。面向領(lǐng)域眾多、場景對象空間關(guān)系復(fù)雜的高速鐵路環(huán)境，本文提出了一種多層次空間語義約束的高速鐵路場景自動建模方法。主要內(nèi)容如下：

(1) 構(gòu)建了高速鐵路基元模型庫及其關(guān)系表達圖，實現(xiàn)了基元模型的準確定義和清晰描述。首先，分析了各領(lǐng)域?qū)ο笤诘乩憝h(huán)境中的空間特征和關(guān)系屬性，自上而下進行對象模型基元劃分，構(gòu)建了基元模型庫；其次，設(shè)計了模型存儲方法與調(diào)度機制，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫存儲與管理；最后，進一步厘清了基元模型之間空間語義關(guān)系，構(gòu)建了基元模型本體，實現(xiàn)了對高速鐵路場景對象及各個對象之間關(guān)系的清晰描述。

(2) 提出了多層次空間語義約束建模方法，將專業(yè)領(lǐng)域知識和建模操作分離，實現(xiàn)了對復(fù)雜建模過程的自動引導(dǎo)和約束，降低了建模的難度與復(fù)雜度，保證了場景的規(guī)范性。通過剖析基元模型組合過程中的交互操作特征，對空間布局語義、組合建模語義和空間姿態(tài)語義進行了抽象和表達，提取了多層次空間語義約束規(guī)則，從而描述了三維場景生成過程中基元模型之間的邏輯關(guān)系以及運動關(guān)系；進而提出了多層次空間語義約束建模方法，通過限制和引導(dǎo)基元組合的邏輯判斷、定位和聯(lián)接操作，生成高速鐵路概念場景。

(3) 針對鐵路場景中建模知識可重用性差、場景配置靈活度低、場景對象擴展性弱等問題，提出了知識模板構(gòu)建及其重用方法。首先，剖析建模操作特征并分析了建模知識表達方式，設(shè)計了建模知識模板結(jié)構(gòu)，并從語義、幾何、拓撲和參照系統(tǒng)幾方面詳細地闡述建模知識模板內(nèi)容，提出了建模知識模板的實例化方法，實現(xiàn)了建模知識與建模操作的參數(shù)化表達與存儲；然后，對建模知識模板和場景對象進行分類與組織，采用柔性樹狀結(jié)構(gòu)設(shè)計場景配置模板，實現(xiàn)了建模知識模板的動態(tài)調(diào)用和高速鐵路場景的靈活配置；最后，對場景模板進行了解析，實現(xiàn)了概念場景的準確理解。

(4) 提出了高速鐵路場景映射與實例化方法，將建模輸出與繪制引擎分離，實現(xiàn)了從多樣化場景建模需求的自動解析到高速鐵路場景的自動生成，擴展了場景的應(yīng)用范圍。從概念場景、場景映射和場景生成3個層次相互關(guān)系進行剖析，建立概念場景到三維場景的映射關(guān)系，線對象類型被自動分解成空間離散點，每個點能被看作與基元模型關(guān)聯(lián)的三維符號，實現(xiàn)從概念場景到場景映射關(guān)系的建立；進而將高速鐵路場景映射解析結(jié)果輸出，借助不同的三維圖形引擎進行實例化，完成場景映射到三維場景的生成。

(5) 研發(fā)了自動建模原型系統(tǒng)，并選擇案例區(qū)域，從場景建模效果與規(guī)范性、建模知識共享與重用性、多圖形引擎下場景展示等方面，開展場景建模試驗與分析。試驗結(jié)果表明：本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)高速鐵路場景的自動建模，可將專業(yè)知識與建模操作解耦，進行建模知識模板化存儲與共享，不僅可降低復(fù)雜場景的建模難度，保證場景規(guī)范性與準確性，還可提高場景的建模效率，拓展場景的應(yīng)用領(lǐng)域。

Author： ZHANG Heng(1989—)，male，received his doctoral degree from Southwest Jiaotong University on December 2016, majors in 3D GIS.

E-mail： zhangheng3s@163.com

A Procedural Modeling Method with Hierarchical Spatial Constraints for Generating High-Speed Railway Scenes

ZHANG Heng1,2

1. Engineering Laboratory, The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300161, China; 2. Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China

張恒.多層次空間語義約束的高速鐵路場景自動建模方法[J].測繪學(xué)報，2017,46(4)：534.

10.11947/j.AGCS.2017.20160638. ZHANG Heng.A Procedural Modeling Method with Hierarchical Spatial Constraints for Generating High-Speed Railway Scenes[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(4):534. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160638.

P208

D

1001-1595(2017)04-0534-01

國家自然科學(xué)基金(41271389；41401433);天津市科技支撐項目(15ZCZDSF00640)

2016-12-15

張恒(1989—)，男，2016年12月畢業(yè)于西南交通大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：朱軍教授，朱慶教授)，研究方向為三維地理信息系統(tǒng)。