三维gis与公路cad集成方法研究

三维gis与公路cad集成方法研究

0维gis与公路cad集成的必要性从20世纪70年代开始，人们研究了计算机科学（gis）。gis和计算机设计（3d设计，收据）相互依存。因此，在3d数据的示例中，gis无法读取数据。GIS需要集成CAD系统的数据,主要有两个原因:首先是在复杂三维造型方面,GIS自身能力有限,需要借助于CAD技术,通过CAD系统制作精细的三维模型;其次,CAD系统已在各专业领域得到了广泛的应用,产生了许多成熟的行业CAD系统,例如公路路线CAD、建筑设计CAD、工程制图CAD等,为了拓宽GIS在各领域的应用,有必要集成这些行业CAD系统的数据。三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受,不仅能够表达空间对象间的平面关系,而且能描述和表达它们之间的垂向关系,还能对空间对象进行三维空间分析和操作。公路CAD作为一个完整的计算机辅助设计系统,其主要内容包括设计方案的构思与形成,方案的比较和选择,工程的计算与优化,路线几何设计图表、构造物实体设计图表的绘制与设计文件的输出等一系列工作,它不是单纯的工程计算分析,也不是单纯的计算机自动绘图。三维GIS与公路CAD的集成是把公路设计或施工过程中的几何模型数据、属性信息与周围地形数据统一起来进行管理和表达,建立起公路三维GIS,展现公路沿线的三维虚拟场景,有利于检验设计成果的质量、辅助施工管理、服务公路建成后的养护维护。目前GIS与公路CAD集成的方式有两种:一种是内嵌式的集成,即直接在三维GIS中进行路线设计,由于其实现的难度较大,因此应用的范围和实际效果有限;另一种是通过数据交换与共享来实现GIS与各种不同的公路CAD系统的集成,这种集成方式相对独立,不依赖于具体的公路CAD软件系统,因此应用较广。1公路路线平、纵、横设计的图形平台公路CAD包括路线平、纵、横设计与公路沿线的构造物设计,其设计成果包括由平、纵、横设计成果所生成的整体路线三维模型与单个的构造物实体模型。公路路线平、纵、横设计的图形平台主要使用AutoCAD和Microstation等,根据路线平、纵、横设计成果数据,获得整个路线的三维模型,最后输出文件格式为DXF/DWG的数据。构造物的设计主要使用3DStudioMAX等,根据构造物的设计参数,直接在三维空间中对其进行三维建模、调整、修饰、赋材质、贴纹理、加入光照和相机效果等,然后导出3DS文件。1.1基于局部约束的转换公路路线设计的成果数据一经完成后就比较固定,要对成果数据进行修改也只是局部的变动(例如为了绕开某一个高压电塔而需要改变该电塔附近一个平面控制点的位置,或者为了达到填挖方的平衡而调整某一段纵坡的坡度等),所以本文中采用带约束的格式转换方法来实现三维GIS与路线三维模型的数据集成。1.1.1使用一个阶段性、覆盖时间的方法带约束的格式转换方法即先在CAD系统中设计整个或部分路线三维模型,再将这个三维模型直接进行数据格式转换,导入三维GIS,如图1所示。这种方法目的性强,适合于某个阶段或整体范围的建模。为了解决动态变化区域的三维重建问题,避免由于路线模型的局部修改而必须对整个场景模型进行重建,采用局部修改约束的方式来控制发生变化的路段范围,并对CAD模型进行局部更新,进而根据更新后变化了的路段范围内的CAD模型对GIS对象模型进行局部动态更新,从而实现阶段性整体建模与局部动态更新的协调统一。1.1.2角网几何模型路线平、纵、横设计成果最终都在横断面成果数据中得到体现,同时考虑到公路CAD系统与GIS的相对独立性,为使相同数据结构的GIS可以满足不同公路CAD设计系统数据格式的要求,采用通用数据格式的路线横断面数据在三维GIS中建立路线三维模型。本文中采用Delaunay三角网作为地形与路线的几何表达模型。地形模型直接按照Delaunay规则对离散点进行构网。路线几何模型的建立则首先计算出横断面各顶点的三维坐标,再将相邻两个横断面的对应顶点连成三角网,沿线各横断面两两相连,即构成路线的三角网模型。对于地形模型与路线模型的拼合,笔者根据约束Delaunay三角化理论,提出一种拼合方法,具体操作步骤分为5步。步骤1:构造路线相邻两横断面或多个横断面区间所围成的空间多边形的边界线;步骤2:将边界线作为特征线嵌入到地形模型中,局部重新构网;步骤3:清除边界线所围范围内的地形三角网;步骤4:叠加上横断面区间范围内的路线模型;步骤5:选取下一组横断面区间,重复步骤1~4,直至整个路线模型处理完毕。地形模型与路线模型拼合后的效果见图2。1.2应用构造物的数字视频监控系统的构建由于公路构造物种类繁多,在公路三维GIS场景中需要表现的构造物有涵洞、天桥、沿线桥梁、立交、隧道、通道、挡墙等,高等级公路还包括收费站、服务区以及其他交通景观设施,所以本文中采用构造物虚拟模型库的方法来实现三维GIS与构造物实体模型的数据共享。1.2.1建立虚拟模型虚拟模型库即预先选定一系列通用的、具有代表性的构造物实体,在3DStudioMAX等平台中对这些对象进行精确的三维重建、赋材质、贴纹理;然后对模型描述进行必要的简化和优化;最后将模型以CAD通用的格式放入内存或外存,这就建立了一个虚拟的构造物模型库,如图3所示。当公路三维GIS场景中某一位置需要某个模型时,直接从组件模型库中调入相应的组件模型,同时设置几何尺寸上的设计参数,为该模型添加语义属性,并建立拓扑关系,计算出该模型在三维空间中的位置,经过合并运算,就可以将其插入到公路三维GIS场景中。1.2.2维模型数据的导入由于虚拟模型库中的构造物三维模型数据一般以CAD通用的格式,如3DS进行记录,数据描述存在大量冗余,不利于满足三维GIS的高效管理与实时绘制需要。在插入到GIS场景中时,这些数据一般还要按三维GIS定义的数据结构进行重新组织;另外,三维模型数据一般也不包含属性数据,为了满足GIS查询和分析等应用的需要,在导入三维模型数据时,需要补充GIS应用所需要的属性与拓扑信息。经过上述处理后,只需计算出各个构造物模型在空间的位置,经过简单的合并运算,就可以将地形模型、构造物三维模型与路线三维模型拼合成为一个整体。图4为一个桥梁构造物插入到路线模型后的场景。2道路三维数据的组织和管理2.1道路三维面状地物的描述方法公路三维GIS的数据模型如图5所示。具体说明如下:(1)点对象,描述独立的点状地物,如行道树、路灯、交通标志等;(2)线对象,描述三维空间的线状地物,如交通标志线等;(3)面对象,描述三维空间中的面实体,如路面、边坡表面、边沟的侧面和底面等;(4)体对象,描述有特定意义的实体,如桥梁、涵洞等工程实体或其构件,一段特定纹理的路面、边坡等;(5)组对象,表示多个对象的集合;(6)纹理对象,即单个三维面状地物的纹理影像;(7)数字地面模型,即道路周围的地形模型,采用不规则三角网(TIN)的数据结构;(8)数字正射影像模型,即通过遥感、航空摄影测量或扫描地图得到的数字影像,它实际上也是一个比较特别的纹理对象,由于其独有的特点和数据组织方式,通常将其作为单独的对象,具有多分辨率的特点。2.2空间索引基础借鉴规则格网DEM的管理方法,对TIN的索引组织按照片—块—三角形的方式进行。片是整个区域TIN数据的逻辑分区并作为空间索引的基础,每一个片包含若干数量的块;块是基本的数据存储与访问单元,块也是渲染的基本单元,并作为多种细节层次控制的基础;三角形是最小的图形单元,按照规则格网划分数据块范围,根据三角形的重心可以快速索引。这样,每块对应的记录仅需存储块内包含的三角形数和每个三角形的顶点。数字正射影像模型(DOM)的组织可同理采用片—块—像素的方式进行管理。2.3模型创建的前提采用R树索引方式组织管理三维公路CAD模型数据,方便大量CAD模型数据的快速查找与定位,并可提高数据存取效率。具体描述如下:(1)首先根据一定原则将所有CAD模型分解为若干矩形区域,分区信息(区域外接矩形)在数据库中以一个全局表进行管理,这些分区信息将作为区域数据访问的初始依据;(2)每一分区本身建立一个管理表,用于管理存储当前区域所有模型数据的几何数据表的相关信息;(3)当需要插入、删除、修改CAD模型数据时,根据模型数据的几何中心,相应地在全局管理表的分区信息以及区域管理表的数据表信息中进行定位与选择,并最终完成对数据的操作。3考虑单次刷频频率,确保了用户与三维场景的互联互通模型数据的可视化是三维GIS与公路CAD的中心任务,也是实现三维GIS与公路CAD集成并进而服务于实际应用的关键问题。在公路三维GIS的可视化环境中,既可以从宏观上了解路线和构造物周围的地形地质环境,也可以从微观上洞察某一局部地形或构造物的细节特征,从而更全面准确地辅助选线和优化设计。公路三维GIS中影响系统实时动态可视化的因素有很多,其中场景的逼真度与场景的刷新频率是两个关键因素。具有相片质感的、逼真的三维场景能够给人带来直观的视觉效果,产生身临其境的感觉;较高的刷新频率,可以保证场景中运动目标动作的流畅性,提高用户与三维场景的交互效果。逼真的视觉效果会增加参与场景生成的数据量,使场景的刷新频率降低,影响三维场景的实时交互性,因此,在保证一定视觉要求的前提下如何尽可能简化构成场景的数据是提高公路三维GIS可视化效果的重点。3.1模型中的细节程度细节层次(LevelofDetail,LOD)模型是指对同一个场景或场景中的物体,使用具有不同细节的描述方法得到一组模型,供绘制时选择使用。物体的细节程度越高,则描述得越精细,数据量越大;物体的细节程度越低,则描述得越简单,数据量越小。视点相关的LOD模型在进行视景渲染时,并不是将所有的模型最详细的细节都参与计算,而是根据物体距离视点的远近和偏离视线的角度大小来使用细节详细程度不同的模型,距视点不同距离区域的细节层次的水平不同,并且随着视点的移动作相应的变化。3.2有效点集合的筛选对于地形模型的简化,笔者采用基于顶点删除的简化算法。算法原理描述如下:(1)从原始点的集合中初步选出与当前视点相关的有效点集合;(2)针对有效点集合,根据某种误差度量值由小到大排序;(3)进行如下迭代,在候选的顶点序列中,取出代价最小(删除该顶点后引起的误差最小)的顶点,将其删除,然后对移去顶点而在地形三角网中产生的空洞进行局部三角剖分。在上述计算过程中,采用了距离加权的方法,即将顶点到视点的距离作为权因子加到顶点的误差度量值上,从而满足了视点相关的要求。3.3基于海量数据的动态调度机制由于路线模型采用三角网面片来描述,而每一面片的顶点取自相邻两横断面间的对应顶点,因此横断面的密度直接影响路线模型的精度与复杂度。横断面间距越小,则路线模型越精确,其复杂度也越高;反之,则模型越粗糙。为了能有效地简化模型,需要合理分配横断面间距。根据人体的视觉特点,横断面间距的分配原则是近处宜密,远处宜疏;疏密的程度如何定量来描述,文献中提出了一种间距分配方案:设断面中桩距视点的距离为D,当D<200m时,间距取20~30m;当200m≤D<600m时,间距取30~50m;当600m≤D≤1200m时,间距取50~75m;当D>1200m时,间距取75~100m。依据上述方案删除过密的桩号断面,保留线路起终断面、桥隧等构造物的控制断面、平曲线主点桩号断面。经过反复试验,这种分配方案的效果较好。为了高效输出公路三维可视化场景,采用基于海量数据的动态调度机制,将各种类型数据分层存储在外部存储介质上,利用对地形数据的自动分页来动态调用所需的部分数据参与显示,使用视点相关的LOD技术来提高动态分页调入的效率,减小存储在内存中的几何模型和纹理图像数据的大小,使显示的速度和显示质量在当前的硬件条件下有一个平衡。公路三维GIS中的地形与道路模型经过模型简化、动态调度数据、透视变换、消隐处理、光照模拟与纹理映射等处理后,就能够输出公路三维可视化场景。图6为经过纹理映射后的公路三维场景。4道路三维基础设施的结构基于上述分析,公路三维GIS的体系结构模型设计为以下5部分:源数据获取处理、建立模型、空间数据库管理、三维显示和应用,如图7所示。5维相对于静态设计而言,设计的基本程序主要公路三维GIS在工程建设中的应用体现在以下几个方面:(1)辅助路线设计。将公路三维GIS与路线平、纵、横设计相结合,使三维可视化技术能贯穿整个路线设计过程的始终,从而实现二维与三维相结合的设计思想。每一次路线方案的调整,均能根据调整后的成果数据实时呈现三维仿真成果,辅以飞行浏览功能,更能模拟出汽车行驶时驾驶员的动态视觉映像,如舒适感、美感、疲劳感与安全感等,从而使路线设计由静态设计转换为动态设计,显著提高设计质量与设计效率。(2)辅助控制分析。由于公路三维GIS是一个可以量测的系统,因此该系统能起到辅助施工控制的作用。比如,利用GIS提供的位置查询、属性查询、坡度查询、填挖方计算、缓冲区分析、水淹模型等功能,能够方便地实现CAD系统中无法实现的空间数据检索、分析、汇总的功能。(3)辅助决策管理。如在公路景观设计中的应用,景观方案在公路特别是高等级公路的建设中受到越来越多的重视,好的景观设计方案不仅能显著地美化公路,还能增强公路与周围环境的协调性。在公路三维GIS中,由于集成地形景观与边坡、中央分隔带、行道树、沿线绿化带等各种虚拟的景观设施,能充分评价道路设计与自然地形的协调效果。又如将工程档案(如涵洞施工期间的影像照片、进度报告等)与构造物实体直接链接起来