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第1篇 铁路线路三维可视化设计理论、方法与系统应用3

第1章 线路三维可视化设计概述3

1.1三维可视化工程设计3

1.2我国铁路三维设计的发展需求3

1.3国内外研究现状4

1.3.1国外研究现状4

1.3.2国内研究现状6

1.4线路三维可视化设计系统开发主要技术方法7

1.4.1基于OpenGL的开发方法7

1.4.2基于OSG开发方法11

1.4.3基于Google Earth的开发方法15

第2章 海量三维地理信息获取方法34

2.1铁路三维设计的影像主要类型34

2.1.1航空遥感影像34

2.1.2卫星遥感影像36

2.2建模信息获取38

2.2.1数据获取方法38

2.2.2数字地形模型获取38

2.2.3正射影像图获取40

2.3数字化地质信息获取与建模44

2.3.1矢量化遥感地质信息获取44

2.3.2栅格遥感解译影像的获取45

2.3.3数字化非遥感地质信息获取46

2.3.4数字地质对象建模方法47

第3章 三维地形环境建模51

3.1离散点数据集Delaunay三角剖分算法51

3.1.1数字地形模型51

3.1.2 Delaunay三角剖分53

3.1.3格网划分的分割-合并算法54

3.1.4关键问题54

3.2三维地形环境建模优化57

3.2.1地形数据组织与调度58

3.2.2多分辨率纹理模型构造与实现61

3.2.3关键技术65

3.3三维立体显示技术69

3.3.1立体视觉原理69

3.3.2立体显示的主要方式70

3.3.3 OpenGL立体显示技术71

3.3.4 OSG立体显示技术72

3.4三维路径漫游功能的开发74

3.4.1路径漫游功能简介74

3.4.2漫游路径设置方法74

3.4.3曲线生成插值算法75

3.4.4漫游实现81

3.4.5漫游相关计算83

3.5三维地形的投影模式85

3.5.1正射投影模式85

3.5.2透视投影模式85

第4章 线路三维设计关键技术87

4.1三维线路模型建模方法87

4.1.1设计线的三维自动化建模87

4.1.2三维线路曲面模型89

4.2隧道三维建模方法94

4.2.1隧道横断面形式的确定94

4.2.2圆弧拱断面形式计算95

4.2.3圆形断面形式计算100

4.2.4隧道曲线处平滑处理102

4.2.5隧道参数设置实现103

4.3桥梁三维建模方法104

4.3.1桥梁三维建模104

4.3.2桥梁参数设置实现105

4.3.3桥梁绘制实现106

4.4线路整体三维建模106

4.4.1建立CDT相关理论107

4.4.2线路封闭区域确定与分割算法108

4.4.3基于CDT理论的整体模型构建法110

4.4.4基于OpenGL实现真实感图形绘制112

4.5三维地面坐标的获取115

4.5.1正射投影模式下的获取116

4.5.2透视投影模式下的获取117

4.6三维线路数据结构设计119

4.6.1路基数据结构120

4.6.2桥梁数据结构121

4.6.3隧道数据结构122

4.6.4边沟数据结构123

4.6.5线路数据结构123

4.6.6边坡模型生成算法126

4.6.7路基三维模型组成129

第5章 线路三维景观建模130

5.1铁路线路构造物三维模型建模理论和方法130

5.1.1面向对象的图形辅助仿真建模130

5.1.2铁路构造物分类132

5.1.3建模方法和建模工具的选择133

5.2铁路构造物三维模型库133

5.2.1模型库的概念133

5.2.2模型库的体系结构134

5.2.3模型库的功能设计135

5.2.4模型数据库管理的实现135

5.3模型在三维环境中的应用136

5.3.1三维模型与三维场景的匹配136

5.3.2三维模型匹配方法137

5.3.3模型匹配三维场景的实现138

5.4铁路线路附属设施三维建模140

5.4.1接触网模型库模块140

5.4.2接触网模型参数设置141

5.4.3接触网模型实现141

5.5铁路线路树木三维景观建模144

5.5.1树木三维可视化技术144

5.5.2树木三维建模实现145

5.5.3三维树木景观参数设置146

5.5.4三维树木景观建模实现146

第6章 三维地质环境建模与线路设计应用151

6.1三维地质环境建模151

6.1.1研究现状151

6.1.2建模基本思路151

6.1.3矢量化建模方法152

6.1.4 栅格化建模方法156

6.1.5三维空间地质对象冲突检测159

6.2基于LM神经网络的工程地质综合评价模型160

6.2.1 BP神经网络概述160

6.2.2改进BP算法-LM算法161

6.2.3 LM神经网络模型建立163

6.3基于超地图模型的地质环境识别技术170

6.3.1超地图概念170

6.3.2三维选线环境超地图模型171

6.3.3基于超地图模型的地质环境识别173

6.3.4基于超地图模型选线应用175

第7章 高速列车运动仿真三维建模177

7.1国内外研究现状177

7.1.1国内研究现状177

7.1.2国外研究现状177

7.1.3国内外研究分析178

7.2基于面向对象方法的系统分析178

7.2.1面向对象方法178

7.2.2模型的简化及参数确定179

7.3机车车辆几何模型的建立及模拟180

7.3.1车辆仿真系统的组成180

7.3.2机车车辆运动系统的建立181

7.3.3轨道几何模型的模拟182

7.3.4列车单元模型建模方法182

7.4系统动态运动的生成183

7.4.1系统运动数据的生成183

7.4.2基于线路函数的动画关键帧的生成184

7.4.3图像帧的数据结构定义及实现186

7.5系统集成框架设计与实现187

7.5.1系统集成框架187

7.5.2机车车辆动态运行场景的参数设置188

7.6机车车辆动态运行3D声音的实现188

7.6.1 DirectSound的3D模拟空间189

7.6.2三维环境中3D音效产生原理190

7.6.3基于DirectSound声音实时仿真实现191

7.7列车动态运行场景的仿真模拟194

第8章 三维线路设计实现与系统196

8.1系统概述196

8.1.1主要特点196

8.1.2系统结构196

8.2项目管理198

8.2.1连接数据库198

8.2.2技术标准设置198

8.2.3新建项目198

8.2.4打开项目199

8.3方案管理200

8.3.1新建方案200

8.3.2打开方案200

8.3.3保存方案201

8.3.4平面方案的自动生成205

8.4环境建模206

8.4.1打开影像环境206

8.4.2纹理导入206

8.4.3遥感地质数据206

8.4.4超地图模型207

8.4.5路基纹理设置207

8.4.6树木纹理设置208

8.4.7接触网参数设置208

8.4.8桥梁模型设置209

8.4.9动车组模型设置209

8.5绘图模式210

8.5.1线框模式210

8.5.2纹理模式210

8.5.3色彩模式210

8.6选线设计211

8.6.1输入与导入交点211

8.6.2三维线路建模211

8.6.3路基参数设置212

8.6.4纵断面设计212

8.7三维漫游213

8.7.1自动漫游214

8.7.2交互漫游214

8.7.3高空漫游214

8.7.4录制AVI动画215

8.8数据报表215

8.9模型库管理216

8.9.1动车组模型库216

8.9.2线路构造物模型库216

8.9.3接触网模型库218

第2篇 城市轨道交通线路三维可视化设计理论、方法与系统应用221

第9章 三维城市景观建模221

9.1城市三维景观快速建立方法221

9.1.1 Google街景的三维城市景观221

9.1.2 Virtual Earth 3D222

9.2场景数据获取方法223

9.2.1建筑基础型数据获取方法223

9.2.2城市道路基础数据获取方法224

9.3城市建模数据处理226

9.3.1城市景观数据获取226

9.3.2初始场景数据处理228

9.3.3基于桥梁坐标的道路数据分类方法230

9.3.4引桥坐标算法231

9.3.5匝道坐标算法233

9.3.6场景数据输出234

9.3.7建筑物模型纹理处理235

9.3.8建筑物三维模型库241

9.4城市三维景观建模242

9.4.1 CityEngine建模常用函数242

9.4.2总体建模流程243

9.4.3建筑物建模流程244

9.4.4道路建模流程244

9.4.5建筑物建模246

9.4.6道路建模247

9.4.7高架桥建模256

9.4.8立交桥建模257

9.5三维城市景观建模实现259

第10章 数字管线三维建模261

10.1三维管线建模的一般方法261

10.1.1基于三维图形库底层建模261

10.1.2完全使用建模软件建模262

10.1.3基于三维地理信息软件二次开发建模262

10.2管线数据库设计263

10.2.1地下管线数据模型263

10.2.2管线数据表结构264

10.2.3管点数据表结构266

10.3城市地下管线三维建模267

10.3.1功能设计思路267

10.3.2 Skyline绘制管线方法268

10.3.3管点实体模型库270

10.3.4三维管点的生成272

10.3.5三维管线生成274

第11章 城轨线路三维地质建模理论与方法277

11.1城市轨道交通三维地质建模数据模型277

11.1.1三维地质建模数据来源与特点277

11.1.2工程地质三维数据模型277

11.1.3数据模型分析280

11.1.4广义三棱柱数据模型280

11.2建模数据预处理与数据结构282

11.2.1数据预处理282

11.2.2数据结构284

11.3三维地质体建模286

11.3.1基于GTP体元的三维地体建模286

11.3.2断层三维建模287

11.3.3基于虚拟钻孔的误差修正289

11.4基于工程地质三维模型的分析及可视化技术291

11.4.1钻孔、钻孔间的剖面查询291

11.4.2虚拟钻探取芯292

11.4.3工程地质剖面的生成293

11.4.4三维模型的可视化表达293

11.4.5三维地质模型的基坑开挖294

第12章 城市轨道交通线路平面子系统设计297

12.1数据结构设计297

12.1.1平面设计标准数据结构297

12.1.2交点类数据结构298

12.1.3曲线要素类数据结构299

12.1.4曲线里程类数据结构300

12.1.5曲线桩点坐标类数据结构301

12.1.6断链类数据结构302

12.1.7车站中心数据结构302

12.1.8曲线点和整里程点数据结构303

12.1.9项目信息等数据结构304

12.2右线坐标及参数计算306

12.2.1右线交点坐标获取306

12.2.2线路参数计算307

12.2.3曲线要素计算307

12.2.4曲线段坐标计算315

12.2.5右线五大桩里程及坐标计算317

12.2.6右线里程及里程标坐标计算318

12.2.7车站中心里程计算318

12.3左线坐标及参数计算319

12.3.1左线交点坐标计算319

12.3.2左线曲线里程计算320

12.4断链生成与处理320

12.4.1左右线平行直线段判断320

12.4.2断链位置确定及信息计算321

12.5平面线路方案展示322

12.5.1线路绘制322

12.5.2线路元素标注324

12.6平面线路动态调整327

12.6.1删除交点327

12.6.2修改交点327

12.6.3拖动交点328

12.6.4插入交点329

第13章 城市轨道交通线路纵断面子系统设计330

13.1数据结构设计330

13.1.1纵断面设计标准数据结构330

13.1.2基础数据结构331

13.1.3设计数据的数据结构333

13.2数据获取334

13.2.1地面线数据335

13.2.2断链数据337

13.2.3平曲线数据338

13.2.4车站数据338

13.2.5地质信息数据339

13.2.6高程控制点数据339

13.3辅助信息绘制340

13.3.1坐标轴绘制340

13.3.2背景网格绘制341

13.3.3设计信息栏目绘制341

13.4纵断面线路设计342

13.4.1设计线绘制342

13.4.2设计线坡段数据存储与显示343

13.4.3竖曲线插入与显示343

13.4.4设计线高程计算与显示347

13.4.5车站中心高程确定348

13.4.6导出三维坐标349

13.5纵断面设计方案调整349

13.5.1鼠标获取变坡点349

13.5.2编辑变坡点349

13.5.3编辑坡线351

13.6坡线设计规范检查351

13.6.1最大坡度检查351

13.6.2最小坡度检查352

13.6.3最小坡段长检查352

13.6.4竖曲线检验353

第14章 城市轨道交通线路三维建模354

14.1线路三维横断面坐标计算354

14.1.1完全并行等高段横断面坐标计算355

14.1.2非完全并行段右线横断面坐标计算359

14.1.3非完全并行段左线横断面坐标计算363

14.2线路三维模型生成366

14.2.1线路三维线框生成366

14.2.2隧道三维建模366

14.2.3桥梁三维建模367

14.3线路三维漫游368

14.3.1漫游路径获取368

14.3.2 Skyline三维漫游方法370

14.3.3镜头位置逐帧调整372

14.3.4漫游路径点跳转识别方法373

14.4城轨线路三维动态调整方法376

第15章 城市轨道交通三维设计系统378

15.1开发平台简介378

15.1.1 Skyline平台简介378

15.1.2 Skyline二次开发接口378

15.1.3 Ersi CityEngine建模软件380

15.2系统简介381

15.2.1系统功能简介381

15.2.2运行环境382

15.3系统主要功能382

15.3.1海量城市三维场景构建382

15.3.2 -维管线建模385

15.3.3线路平面设计387

15.3.4线路纵断面设计393

15.3.5线路三维模型构建396

15.3.6线路三维漫游展示398

参考文献400