多层次空间语义约束的高速铁路场景自动建模方法

张 恒

1. 铁道第三勘察设计院集团有限公司工程实验室，天津 300161； 2. 西南交通大学，四川 成都 611756



多层次空间语义约束的高速铁路场景自动建模方法

张 恒1,2

1. 铁道第三勘察设计院集团有限公司工程实验室，天津 300161； 2. 西南交通大学，四川 成都 611756

构建高速铁路三维场景，将多领域数据整合至同一时空基准下进行可视化展示与管理分析，有助于提升高速铁路信息化建设能力和综合化管理水平。现有高速铁路场景建模方法在建模过程方面需要较强的专业知识，增加了建模的难度，难以保证复杂场景的规范性；在建模知识与建模操作方面，缺乏统一的表达方法与存储机制，不能实现建模知识与建模操作的有效重用，难以适应多类型铁路场景的构建；在场景绘制方面，建模输出与图形引擎固化集成，导致三维场景的应用受限。面向领域众多、场景对象空间关系复杂的高速铁路环境，本文提出了一种多层次空间语义约束的高速铁路场景自动建模方法。主要内容如下：

(1) 构建了高速铁路基元模型库及其关系表达图，实现了基元模型的准确定义和清晰描述。首先，分析了各领域对象在地理环境中的空间特征和关系属性，自上而下进行对象模型基元划分，构建了基元模型库；其次，设计了模型存储方法与调度机制，实现了数据库存储与管理；最后，进一步厘清了基元模型之间空间语义关系，构建了基元模型本体，实现了对高速铁路场景对象及各个对象之间关系的清晰描述。

(2) 提出了多层次空间语义约束建模方法，将专业领域知识和建模操作分离，实现了对复杂建模过程的自动引导和约束，降低了建模的难度与复杂度，保证了场景的规范性。通过剖析基元模型组合过程中的交互操作特征，对空间布局语义、组合建模语义和空间姿态语义进行了抽象和表达，提取了多层次空间语义约束规则，从而描述了三维场景生成过程中基元模型之间的逻辑关系以及运动关系；进而提出了多层次空间语义约束建模方法，通过限制和引导基元组合的逻辑判断、定位和联接操作，生成高速铁路概念场景。

(3) 针对铁路场景中建模知识可重用性差、场景配置灵活度低、场景对象扩展性弱等问题，提出了知识模板构建及其重用方法。首先，剖析建模操作特征并分析了建模知识表达方式，设计了建模知识模板结构，并从语义、几何、拓扑和参照系统几方面详细地阐述建模知识模板内容，提出了建模知识模板的实例化方法，实现了建模知识与建模操作的参数化表达与存储；然后，对建模知识模板和场景对象进行分类与组织，采用柔性树状结构设计场景配置模板，实现了建模知识模板的动态调用和高速铁路场景的灵活配置；最后，对场景模板进行了解析，实现了概念场景的准确理解。

(4) 提出了高速铁路场景映射与实例化方法，将建模输出与绘制引擎分离，实现了从多样化场景建模需求的自动解析到高速铁路场景的自动生成，扩展了场景的应用范围。从概念场景、场景映射和场景生成3个层次相互关系进行剖析，建立概念场景到三维场景的映射关系，线对象类型被自动分解成空间离散点，每个点能被看作与基元模型关联的三维符号，实现从概念场景到场景映射关系的建立；进而将高速铁路场景映射解析结果输出，借助不同的三维图形引擎进行实例化，完成场景映射到三维场景的生成。

(5) 研发了自动建模原型系统，并选择案例区域，从场景建模效果与规范性、建模知识共享与重用性、多图形引擎下场景展示等方面，开展场景建模试验与分析。试验结果表明：本文方法能够实现高速铁路场景的自动建模，可将专业知识与建模操作解耦，进行建模知识模板化存储与共享，不仅可降低复杂场景的建模难度，保证场景规范性与准确性，还可提高场景的建模效率，拓展场景的应用领域。

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

张恒.多层次空间语义约束的高速铁路场景自动建模方法[J].测绘学报，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

国家自然科学基金(41271389；41401433);天津市科技支撑项目(15ZCZDSF00640)

2016-12-15

张恒(1989—)，男，2016年12月毕业于西南交通大学，获工学博士学位(指导教师：朱军教授，朱庆教授)，研究方向为三维地理信息系统。