城市交通態(tài)勢(shì)三維圖建模論文

城市交通態(tài)勢(shì)三維建模（電氣信息學(xué)院--醫(yī)學(xué)信息工程王強(qiáng)中1143032027）為了對(duì)本文提出的數(shù)據(jù)模型和算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)， 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是在某個(gè)城市中選擇了一塊比較典型的，比例尺為 1:500的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)。另外，一些附屬設(shè)施、交通事件等數(shù)據(jù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要進(jìn)行模擬的。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)語言是 visualC++6.0、ATL3.0以及OpenGL1.3三維圖形庫。1,、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)集道路（包括立交橋）三維模型的建立、編輯、三維瀏覽、分析、查詢?yōu)橐惑w,整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。地形數(shù)據(jù)道路網(wǎng)三維幾何、屬線性基準(zhǔn)附屬設(shè)施性、拖布數(shù)據(jù)三維模型建立可視化圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2、系統(tǒng)功能整個(gè)系統(tǒng)是基于組件的形式開發(fā)， 按功能模塊進(jìn)行劃分，每個(gè)組件完成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能，最后將這些功能模塊進(jìn)行有機(jī)的組合，集成到統(tǒng)一的界面內(nèi)，如圖 2所示。

主程序k圖2系統(tǒng)功能圖3、三維數(shù)據(jù)可視化LOD模型的實(shí)時(shí)生成算法，其三維數(shù)據(jù)可視化引擎設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是視相關(guān)的多分辨率主要的目的有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用服務(wù)：（1）、提供三維模型的多種可視化工具，能夠從不同的角度、位置、方向觀察立體模型；（2）、能夠自動(dòng)生成不同精度、不同層次的 LOD主程序k圖2系統(tǒng)功能圖3、三維數(shù)據(jù)可視化LOD模型的實(shí)時(shí)生成算法，其三維數(shù)據(jù)可視化引擎設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是視相關(guān)的多分辨率主要的目的有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用服務(wù)：（1）、提供三維模型的多種可視化工具，能夠從不同的角度、位置、方向觀察立體模型；（2）、能夠自動(dòng)生成不同精度、不同層次的 LOD模型，滿足不同的可視化需求和應(yīng)用；（3） 、能夠進(jìn)行任意路線的飛行或地面行駛，從而能夠?qū)θS場(chǎng)景模型進(jìn)行全方位的漫游；（4） 、為大范圍、大數(shù)據(jù)量的三維模型的快速漫游提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和技術(shù)支持。在建立三維數(shù)據(jù)引擎的基礎(chǔ)上， 在對(duì)模型進(jìn)行三維交互顯示時(shí)， 根據(jù)設(shè)定的算法可以設(shè)定需要生成的LOD模型的質(zhì)量。從而可以構(gòu)造道路和地形模型不同精度的 LOD模型。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了道路數(shù)據(jù)二維和三維顯示的一體化，如圖 3所示。三維空間分析交通分析三維可視化引擎網(wǎng)絡(luò)分析■模擬導(dǎo)航三維建模坐標(biāo)轉(zhuǎn)換移動(dòng)目標(biāo)管理數(shù)據(jù)庫訪問引擎三維數(shù)據(jù)編輯圖3二維、三維顯示一體化4、三維建模對(duì)于地形上的道路及其附屬設(shè)施， 除了點(diǎn)狀地物（如路燈等）和線狀地物外，所有地物模型只要與地形模型相交的，都應(yīng)該被鑲嵌在地形模型中，成為地形模型中的一部分或一層，只有這樣才能在三維顯示時(shí)取得正確的表達(dá)效果。 因此道路面及其都造物必須鑲嵌在地形模型中，用道路模型替換地形模型中屬于此范圍的三角形， 使得地面模型和道路模型無縫集成在一起。具體思路是先建立地形模型，然后分段將道路兩邊界的外輪廓線提出來， 對(duì)每段的外圍輪廓線按逆時(shí)針方向排序，組成守衛(wèi)相連的封閉鏈，每段封閉鏈以約束邊的形式對(duì)地面地形離散點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)理，并將落在三角形剔除，模型的地形模型進(jìn)行插值處該封閉鏈范圍內(nèi)的最后得到除去道路三角網(wǎng)，步驟如圖4所示。地形離散點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)理，并將落在三角形剔除，模型的地形將邊界點(diǎn)按逆時(shí)針排序，組成首尾相連的封閉鏈分段提取道路兩邊的邊界點(diǎn)將封閉鏈以限制邊的形式插入到地面模型剔除圭寸閉鏈范圍內(nèi)的三角形圖4建立地面模型步驟圖5是按上述操作步驟得到的地面模型表達(dá)，路面三角形被剔除。

圖5不包含路面的地形模型5、道路及構(gòu)造物的建模道路面及其構(gòu)造物模型是道路附屬設(shè)施模型空間定位載體， 是進(jìn)行空間分析的主要依據(jù)。道路三維模型的數(shù)據(jù)開源有多種，如從影像中提取道路特征數(shù)據(jù)、采用 GPS或全站儀野外測(cè)量的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)、地圖數(shù)字化所得數(shù)據(jù)、道路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等。下面以道路數(shù)據(jù)來描述道路模型的構(gòu)建。道路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)主要有縱、 橫斷面數(shù)據(jù)?？v斷面其實(shí)是道路中心線， 一般以里程樁號(hào)表示，主要包括樁號(hào)、三維坐標(biāo)（ X、Y、Z）和方位角（A）。橫斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包括樁號(hào)、偏距、高程和編碼等。編碼是說明點(diǎn)的類型（如路邊、水溝、邊坡等） ，通過編碼可以確定相鄰斷面之間點(diǎn)的連接關(guān)系。左邊和右邊用單雙號(hào)區(qū)分。根據(jù)縱、橫斷面信息，可求出所有橫斷面上各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，按順序存入頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組。計(jì)算公式為：x=Xo+d*cos（A）,y=yo+d*sin（A）。X。、y。為中心線樁號(hào)點(diǎn)坐標(biāo)， A為橫斷面方位角。圖 6為道路橫斷面設(shè)計(jì)圖。圖6道路橫斷面設(shè)計(jì)示意圖

三角形部分：由于路面和構(gòu)造物都是采用三角網(wǎng)來表達(dá)， 其剖分方法基本一樣。以路面為例，相鄰橫斷面編號(hào)為1和99（或1和100）的點(diǎn)按逆時(shí)針順序組成多邊形， 一般為四邊形，如（11,,991,992,12）,也有三角形的（如兩點(diǎn)重合）。然后對(duì)多邊形進(jìn)行三角形剖分，如圖 7所示。路面及構(gòu)造物具有各自的材質(zhì)和紋理特征， 同一構(gòu)造物的不同側(cè)面有時(shí)也具有各自的材質(zhì)和紋理特征，如排水溝，兩個(gè)側(cè)面17-15、11-13的材質(zhì)、紋理特征與溝底面13-15不同。因此進(jìn)行三角形剖分后， 還需對(duì)三角形進(jìn)行管理。 路面模型構(gòu)建好后，鑲嵌到地面模型成為一個(gè)整體，如圖8所示。I97；I00I97；I00圖7相鄰斷面之間的三角形部分圖8集成道路和地面模型6、立交橋模型的建立立交橋是道路網(wǎng)三維表達(dá)的難點(diǎn)，由于其在城市交通中的重要地位，必須對(duì)其進(jìn)行較詳細(xì)的描述。從三維建模的角度劃分，立交橋可以分為空中部分和地面部分。其中地面部分的表達(dá)與一般道路類似，僅表達(dá)路面即可。而空中部分必須對(duì)橋面、側(cè)面和底面均進(jìn)行建模，

才能有比較好的顯示效果。立交橋數(shù)據(jù)來源有多種，如從遙感影像中提取立交橋數(shù)據(jù)， 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（如CAD），野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等。從數(shù)據(jù)格式上來看，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)除了具有道路特征數(shù)據(jù)外（如道路邊線），還包括縱、橫斷面數(shù)據(jù)，因此可以構(gòu)建出比較完整的形狀，如圖 9所示。（a）集成橋梁模型（b）橋梁模擬視圖圖9立交橋懸空部分的表達(dá)立交橋模型的構(gòu)建與道路建模的區(qū)別在于空中部分必須對(duì)橋面、 側(cè)面和橋底面均進(jìn)行建模，構(gòu)建方法也是通過三角形剖分， 其過程與圖7基本相同。對(duì)于三角形的頂點(diǎn)統(tǒng)一按逆時(shí)針排序。為了節(jié)約資源，一般只顯示模型的正面，而對(duì)于橋的底面，在顯示時(shí)，必須對(duì)其三角的頂點(diǎn)反向。7、道路附屬設(shè)施的建模從建模的角度考慮，道路附屬設(shè)施分為以下三種情況：（1）點(diǎn)狀模型，通過三維模型+位置來表達(dá)，如路燈、交通信號(hào)燈、交通燈、路標(biāo)、廣告牌等。這類模型一般在第三方軟件（ 3DMAX）中建好，然后倒入數(shù)據(jù)庫中。為了數(shù)據(jù)管理的方便，這類模型一般不帶有紋理信息，通過顏色、材質(zhì)進(jìn)行渲染，如圖 10所示。

圖10道路附屬設(shè)施的建模--交通燈（2）線狀模型，通過線對(duì)象+高度加圖片來表達(dá)，如高速公路的護(hù)欄，道路中間的隔欄等。為了節(jié)約資源，對(duì)這一類型一般是以其幾何線段上加上高度組成多邊形。 然后貼上圖片，雖然效果不是很好，但是可以很大程度的減少數(shù)據(jù)量，如圖 11中的防護(hù)欄。圖11附屬設(shè)施的建模--線狀模型（3）道路標(biāo)線。道路標(biāo)線有車道線、人行道斑馬線、換道指示線、路口車道轉(zhuǎn)向指示線等，這些標(biāo)線在三維中一般以多邊形表達(dá)， 因此只需要幾何信息。斑馬線和車道線一般是以若干個(gè)四邊形組成，比較好處理，交通換道指示線一般是以箭頭（多邊形）表示，而目前的硬件又不支持復(fù)雜多邊形的渲染，在顯示前必須對(duì)箭頭多邊形進(jìn)行三角形剖分，如圖 12所示。圖12路面標(biāo)線的表達(dá)8、空間分析與編輯空間分析和操作是任何一個(gè) GIS系統(tǒng)都必不可少的一項(xiàng)功能，其能夠建立用戶和三維模型之間通信的橋梁。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的空間分析功能包括： 長(zhǎng)度、面積、體積等的量算，空間坐標(biāo)及其線性參照系統(tǒng)坐標(biāo)的查詢，道路的屬性信息查詢，道路的縱、橫斷面和地形的剖面分析。系統(tǒng)的編輯功能主要包括：①道路網(wǎng)拓補(bǔ)數(shù)據(jù)的建立與編輯；②基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的編輯，包括對(duì)地形、二維矢量數(shù)據(jù)、標(biāo)記等進(jìn)行編輯處理；③ 三維模型數(shù)據(jù)的編輯，主要包括模型的姿態(tài)、縮放、平移等操作，以及模型對(duì)象的屬性編輯，如改變交通信號(hào)燈模型的顯示比例、模型的材質(zhì)、紋理等；④三維操作編輯，包括飛行路線編輯、媒體編輯和動(dòng)畫編輯；⑤模型構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)一些規(guī)則模型的構(gòu)建；⑥線性基準(zhǔn)的編輯，包括線性參照系統(tǒng)弧段的連接、 斷開、合并等操作；⑦附屬設(shè)施的編輯，包括路面標(biāo)線、防護(hù)欄桿等的編輯。在上述的編輯操作中，人們習(xí)慣使用線性參照坐標(biāo)，使得很多操作基于空間坐標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。如由于某種原因，在高速路上1.6~1.7km的防護(hù)欄改變?yōu)闄跅U，用戶希望能夠在系統(tǒng)中表現(xiàn)出來，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。 如果僅采用空間坐標(biāo)系來組織數(shù)據(jù)， 對(duì)道路數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行動(dòng)態(tài)分段表達(dá)，那么完成這種簡(jiǎn)單操作也非常的麻煩， 即使給出具體的空間坐標(biāo)， 也需要經(jīng)過一系列空間操作才能確定需要修改的護(hù)欄的準(zhǔn)確位置。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于道路及其附屬設(shè)施數(shù)據(jù)均采用動(dòng)態(tài)分段的方法組織數(shù)據(jù)， 給基于線性參照坐標(biāo)的操作帶來很大方便， 如完成上述操作只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單操作。通過組合 SQL語句查詢出道路A上落在1.6