一种公路三维选线方法

摘要

一种公路三维选线方法，包括以下步骤：1)获取路线经过区域的DEM和高分辨率影像图；2)进行平面初步定线；3)进行三维平纵定线；4)进行立体模型定线，确定终选路线。本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明方法可在选线过程中通过3D立体显示设备逼真模拟人左右眼的不同视觉，更加直观、立体地观看路线选址，并细化到桥梁、隧道、边坡、边沟等在地形中的布设，将公路选线与实地真实三维景观紧密结合，即刻得出路线土方量和工程造价，以利于初定选线变化后的调整和多个初定选线比较，确定终选路线是真正经济合理的路线。本发明方法不仅可用于公路选线，而且可用于对采用传统方法的选线进行选线优化，以节省整条公路的投资。

说明书

技术领域

本发明涉及公路选线，尤其是涉及一种公路三维选线方法。

背景技术

现有的公路三维选线方法包括收集和分析线路区域内有关资料、在大比例尺地形图上初定多个可选路线、实地勘测后确定终选路线。这种公路选线方法费时费力，无法看到实地立体图像，在很大程度上取决于选线人员的实际经验和技术水平，不适合用于工期相对较紧、要求较高的工程。尤其是采用这种二维方法选线选位，不能和实际地形地貌相协调，也不能和地质灾害等实际状况紧密结合，由于取样点少，在土石方数量的计算根本无法保证精度，且无法即刻得出路线土方量和工程造价，不利于初定选线变化后的调整，不利于多个初定选线比较，难以确定终选路线是真正经济合理的路线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提出一种基于数字高程模型(Digital Elevation Model，缩写为DEM)和高分辨率卫星影像，并借助3D立体显示设备实现的公路三维选线方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种公路三维选线方法的特点是：包括以下步骤：

1)获取路线经过区域的DEM和高分辨率影像图；

2)进行平面初步定线；

3)进行三维平纵定线；

4)进行立体模型定线，确定终选路线。

本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述步骤1)获取DEM和高分辨率影像图，有以下子步骤：

1-1)获取路线经过区域的DEM，获取DEM的方式，包括摄影测量法、地形图数字化法和地面测量法；

1-2)获取高分辨率影像图，包括卫星搭载的传感器拍摄的遥感图片与飞机或者气球搭载的传感器拍摄的遥感影像。

所述步骤2)进行平面初步定线，有以下子步骤：

2-1)将高分辨率影像图变换为正射影像图；

2-2)进行平面初步定线；

2-3)分块处理DEM，对大规模地形进行纹理分块映射；

2-4)裁剪地形网格。

所述步骤3)进行三维平纵定线，有以下子步骤：

3-1)采用虚拟现实技术创建并显示三维地形模型；

3-2)确定基于三维空间的道路纵坡；

3-3)动态调整路线平纵线形；

3-4)无缝叠加真实感地形和三维公路模型。

所述步骤4)进行立体模型定线，确定终选路线，有以下子步骤：

4-1)根据分步骤3-4-4)建立的公路、地形立体模型，采用VRML交互技术进入每公里桩号的视点，通过3D显示设备查看平纵组合的合理性，调整视点高度，观看设计与环境的关系，如发现不合理之处，即刻调整平面线位或路线纵坡；

4-2)通过3D显示设备多角度观看桥梁、隧道与地形的实际结合情况，对确定的桥隧桩号做进一步精确调整，沿路线前进方向飞行漫游，查看全线边坡设置是否合理；

4-3)借助3D显示设备模拟人眼左右眼不同的视觉，进入逼真的公路三维立体视图，在公路三维立体视图中通过横断面模拟、行车模拟、视距检测、环境景观协调方式进一步调节线位；

4-4)采用平面俯视、高空鸟瞰、低空飞行、路面行驶的视觉模拟形式检查公路选线方案，如果在模拟中发现平面线位有更好方案，就选择另一条平面线位，返回步骤2)进行平面定线，重新选择精确线位；

4-5)即时更新全线的工程量，查看每个调整后的工程造价的变化，直到确定最佳路线方案。

所述步骤1)通过摄影测量法、地形图数字化法和地面测量法三种方式，可快速获取路线经过区域的DEM，用于公路选线中；现有的公路选线过程中不使用DEM，而只利用数字化地形图。实现高分辨率影像图和数字化地形图的叠加应用，可以在平面定线过程中逼真看到地形与地貌；现有是直接在数字化地形图上定线，无法看到地形彩色影像。

所述步骤2)对DEM进行分块处理，将纠正后的正射影像图按DEM的分块格局进行纹理分块映射，可减少数据运算量达到10倍以上，以达到快速模拟显示大规模地形目的。采用边界线计算、顶点约束法，按照外部边界线裁剪地形网格，实现了三维地形的模型最终建立；现有针对地形可视化的应用，没有按路线走向的边界进行高效的裁剪，造成数据冗余，实时显示效率较低，不能用于大规模地形的公路三维选线。

所述步骤3)采用虚拟现实技术创建并显示三维地形模型，模拟人眼显示原理，更加真实显示三维地形环境，以便实现三维定线；现有的公路选线无法做到三维化。采用三维平纵定线方法进行交互式拉坡，能直观看到设计线与地形的空间关系，能准确选择合适的拉坡线，避免对实地情况不了解而出现的失误，达到准确拉坡、缩短周期的目的；现有的公路选线都是在平面中拉坡，不够直观，无法和周边地形、景观紧密结合。动态调整路线平纵线形，在选线的过程中通过DEM实时获取土石方数量，利于路线的反复良性调整，使得选线方案更加经济、更加合理；现有的公路选线只能在方案全部确定后，才能计算路线土石方数量，中间周期非常长，在要求完成时间短的情况下，往往会忽视很多有益的方案调整。运用无缝叠加真实感地形和三维公路模型的方法，可以实现公路模型和地形模型在三维空间的一体化，建立精确的公路、地形立体模型；现有的公路三维模型只能用于行车模拟中，而未与大规模地形紧密结合用于公路选线中。

所述步骤4)是立体模型定线过程，可以通过3D显示设备让选线人员模拟进入逼真的公路三维立体视图，细化到对路线边坡、边沟的调整，调整的方法多样化，更容易让选线人员发现选线过程中路线存在的问题，能让选线人员获更丰富、直观的信息，并精确完成路线选线，将精确的公路模型、三维地形通过立体显示方式进行公路选线，需要解决公路建模、实时立体显示、模型优化、场景交互的技术问题，这是现有技术无法做到的。

综上所述，本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明方法可在选线过程中通过3D立体显示设备逼真模拟人左右眼的不同视觉，更加直观、立体地观看路线选址，并细化到桥梁、隧道、边坡、边沟等在地形中的布设，将公路选线与实地真实三维景观紧密结合，即刻得出路线土方量和工程造价，以利于初定选线变化后的调整和多个初定选线比较，确定终选路线是真正经济合理的路线。本发明方法不仅可用于公路选线，而且可用于对采用传统方法的选线进行选线优化，以节省整条公路的投资。

附图说明

附图是本发明具体实施方式的流程图。

具体实施方式

下面对照附图并结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一种用于某段高速公路的三维选线方法，包括以下步骤：

步骤1)获取路线经过区域DEM和高分辨率影像图，有以下子步骤：

1-1)获取路线经过区域的DEM，获取DEM的方式，包括摄影测量法、地形图数字化法和地面测量法；

所述摄影测量法是以航空或航天遥感图像为数据源，利用遥感立体像对，采用摄影测量的方法建立空间地形立体模型，量取密集数字高程数据，建立DEM；采集数据的摄影测量仪器包括附有自动记录装置的立体测图仪、附有自动记录装置的立体坐标仪、解析测图仪，以及数字摄影测量系统；

所述地形图数字化法是以比例尺大于1∶1万的国家近期地形图为数据源，从中量取中等密度地面点集的高程数据，建立DEM，具体采集方法包括手工采集法、手扶跟踪数字化仪采集法、扫描采集法；

所述地面测量法用于建立小范围大比例尺区域的DEM，是利用测量设备测量地面目标点的三要素：方向、距离和高差，得出目标点的三维坐标，存储为建立DEM的原始数据；所述测量设备包括GPS、全站型电子速测仪(Electronic Total Station)，以及测距经纬仪；

1-2)获取高分辨率影像图，包括卫星搭载的传感器拍摄的遥感图片与飞机或者气球搭载的传感器拍摄的遥感影像；

所述遥感图片与遥感影像的分辨率至少为1m，其中卫星遥感图片包括分辨率为1m的IKONOS卫星图像、分辨率为0.61m的QuickBird卫星图像。

2)进行平面初步定线，有以下子步骤：

2-1)将高分辨率影像图变换为正射影像图，变换后与地形数据进行精确配准，使卫星图片显示的地区和地形数据表示的范围、边界一致；

2-2)进行平面初步定线；将数字化地形图与正射影像图在同一坐标体系叠加为平面地形图，在平面地形图上，根据公路路线走向，调整路线平面线形，即平面初步定线；包括按照平面地形图上公路与真实环境的直观位置关系，初步确定平面线形，得到平面路线的曲线要素和逐桩坐标；

所述真实环境包括河流、村庄、公路、等高线、高程；

所述正射影像图是具有正射投影性质的遥感影像，是经过几何等纠正后的影像，可直接用于影像判读、量测和专题制图；

2-3)分块处理DEM，对大规模地形进行纹理分块映射，包括以下分步骤：

2-3-1)根据步骤2-2)平面初步定线获取的逐桩坐标数据确定路线走向范围，以覆盖路线走向范围且尽量避免数据重叠为原则，分块处理DEM，并以多块无缝拼接的DEM表示三维带状地形；

所述无缝拼接，指DEM以不同大小的矩形块存在，在三维空间紧密连接，各个块之间没有重叠，也不存在缝隙；

2-3-2)将正射影像图按DEM的分块格局进行纹理分块映射；

所述纹理分块映射是将大块影像图分割处理，分割后的每块正射影像的顶点坐标、影像分辨率、图像长度、图像宽度与DEM数据建立一一对应关系；

2-4)裁剪地形网格，按照平面初步定线的范围裁剪地形网格，包括以下分步骤：

2-4-1)根据步骤2-2)平面初步定线获取的逐桩坐标数据，计算被裁剪地形的外部边界线，所述外部边界线包括表示右路线中线向左侧扩散的轮廓线的路线左侧边界点集合、表示右路线中线向右侧扩散的轮廓线的路线右侧边界点集合、起点路线法线、终点路线法线；

2-4-2)将分步骤2-4-1)中边界以外的数据点筛选在外，逐一选择第一至最后一块DEM数据；

2-4-3)采用顶点约束法判断和选择合理边界点；

所述顶点约束法是根据DEM格网的精度，选择构成矩形四个顶点的坐标，判断四点是否被筛选在边界线外，如果四点均被筛选在边界线外，则其内部的大量DEM数据点就不再做边界判断；

2-4-4)将每块DEM数据中未被筛选的点进行三维空间构网，形成具有沿路线走向属性的地形模型，模型用于三维平纵定线。

3)进行三维平纵定线，确定基于三维空间的道路纵坡，包括以下子步骤：

3-1)采用虚拟现实技术创建并显示三维地形模型，包括以下分步骤：

3-1-1)采用虚拟现实技术建立裁剪好的地形模型和路线平面模型；

所述虚拟现实是指由计算机生成的人造世界，在所述人造世界中，人可以用自然方式操作对象，与对象互动；

所述自然方式是人声和人体动作；

所述人体动作包括头部转动、眼动和手势；

所述虚拟现实采用三维设备或传感设备以及VRML完成交互操作；

3-1-2)采用VRML实现公路路线漫游实时交互，以及二维数据和三维空间的交互；

3-1-3)采用3D显示设备和VRML的立体显示驱动相结合，实时显示真实的三维地形，实现立体视觉显示，在人左右眼形成视线角度不同的图像；

所述3D显示设备包括立体滤色眼镜、头盔式3D显示器和3D投影设备。

3-2)确定基于三维空间的道路纵坡，包括以下分步骤：

3-2-1)从DEM数据中获取路线中线地面高程，用于辅助纵断面拉坡及观看拉坡线与地面线相交的情况；

3-2-2)通过3D显示设备实时化显示叠加高分辨率影像的DEM模型，将分步骤3-2-1)获取的路线中线地面高程，在DEM模型表面以紧贴地表分布的线段方式显示，用于拉坡时参考；

3-2-3)开始三维平纵定线，在三维视图上采取可视化的方式，调整公路路线的平面线形、纵坡、竖曲线，从路线的起点开始，依次显示每个公里桩号的三维视图，通过交互的方式进行拉坡，调整变坡点及纵坡、竖曲线数值，拉坡过程中通过拉坡线和地面高程线的垂直距离，直接查询填挖高度；

3-2-4)拉坡至路线的终点后，以数据文件表示形成的纵坡线，绘制路线竖曲线图，参照图纸在三维空间调整不合理变坡点的位置；

3-2-5)调整变坡点及纵坡后，通过3D显示设备进入路线三维视图，调整视点高度，模拟实地勘察，确定路线平面、纵坡以及沿线构造物桩号，所述沿线构造物包括桥梁、隧道、分离立交桥；

3-2-6)实时计算出基于DEM的工程造价，包括全线土石方量、每段土石方量、每公里土石方量，公路模型与地形模型的相交点均采用双曲抛物面内插法差值，以立体模型处理填挖面积。

3-3)动态调整路线平纵线形，包括以下分步骤：

3-3-1)在三维视图上继续调整不合理的平面线形，并相应调整路线平面、纵坡包括沿线构造物桩号；

3-3-2)根据路线的平纵线形，分析每公里土石方量，调整优化土石方量过大路段，直到路线方案更加合理；

3-3-3)对于路线平面存在问题、改动较大的，或者拉坡后需要重新选择路线平面的，重复步骤2)进行平面初步定线。

3-4)无缝叠加真实感地形和三维公路模型，包括以下分步骤：

3-4-1)先构成完整的闭合折线，再针对每一段闭合折线对地形重新裁剪分块；

3-4-2)针对分块地形按坐标映射关系叠加高分辨率卫星影像；

3-4-3)在三维空间中绘制公路模型；所述公路模型包括路基、路面、边坡、边沟、标线、栏杆、绿化带、土路肩、硬露肩，其左右边沟、边坡与地形模型在三维空间上融为一体；

3-4-4)根据桥梁、隧道、立交设置叠加桥梁、隧道、立交模型以及车辆、标志牌、树木、云彩模型，建立公路、地形立体模型。

4)进行立体模型定线，在三维空间以三维可视方式调整包含路线横断面实体的公路立体模型，进而调整路线方案，确定终选路线，所述立体模型包括公路模型、地形模型，包括以下子步骤：

4-1)根据分步骤3-4-4)建立的公路、地形立体模型，采用VRML交互技术进入每公里桩号的视点，通过3D显示设备查看平纵组合的合理性，调整视点高度，观看设计与环境的关系，如发现不合理之处，即刻调整平面线位或路线纵坡；

4-2)通过3D显示设备多角度观看桥梁、隧道与地形的实际结合情况，对确定的桥隧桩号做进一步精确调整，沿路线前进方向飞行漫游，查看全线边坡设置是否合理；

4-3)借助3D显示设备模拟人眼左右眼不同的视觉，进入逼真的公路三维立体视图，在公路三维立体视图中通过横断面模拟、行车模拟、视距检测、环境景观协调方式进一步调节线位；

4-4)采用平面俯视、高空鸟瞰、低空飞行、路面行驶的视觉模拟形式检查公路选线方案，如果在模拟中发现平面线位有更好方案，就选择另一条平面线位，返回步骤2)进行平面定线，重新选择精确线位；

4-5)即时更新全线的工程量，查看每个调整后的工程造价的变化，直到确定最佳路线方案。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。