《真三維道路智慧型設計方法及系統》是中國公路工程諮詢集團有限公司、中交宇科（北京）空間信息技術有限公司於2010年6月4日申請的專利，該專利的申請號為2010101923595，公布號為CN101872376A，公布日為2010年10月27日，發明人是王國鋒、許振輝、郭力、費昀、王小忠、秦濤。該發明涉及公路設計與虛擬現實技術領域。
《真三維道路智慧型設計方法及系統》包括：在高精度的三維地形場景中進行道路選線以及道路平、縱、橫參數設計；在所述三維地形場景中進行道路平、縱、橫設計參數的調整；根據設計參數，計算道路模型與三維地形場景的空間位置關係，生成真三維道路模型，所述真三維道路模型包含有描述道路面的三維坐標信息和道路面紋理信息；根據所述真三維道路模型與三維地形場景的空間位置關係，對道路所在區域地形進行修改，建立與真實地表無縫接合的道路模型。該發明通過在高精度的三維地形場景中進行道路選線，平、縱、橫參數設計與調整，實現了基於三維地形場景的道路設計和可視化。
2013年10月，《真三維道路智慧型設計方法及系統》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《真三維道路智慧型設計方法及系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：真三維道路智慧型設計方法及系統
- 類別：發明專利
- 公布號：CN101872376A
- 公布日：2010年10月27日
- 申請號：2010101923595
- 申請日：2010年6月4日
- 申請人：中國公路工程諮詢集團有限公司、中交宇科（北京）空間信息技術有限公司
- 地址：北京市海淀區紫竹院路116號嘉豪國際中心A座
- 發明人：王國鋒、許振輝、郭力、費昀、王小忠、秦濤
- 分類號：G06F17/50（2006.01）I
- 專利代理機構：北京同立鈞成智慧財產權代理有限公司
- 代理人：劉芳
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著交通基礎設施建設的快速發展，越來越多的各種等級的道路均需要修建。而道路設計與其他土木工程設計不同，有其自身的特點，主要表現在以下兩個方面：其一、道路是一種帶狀的實物，會受到沿線的地形、地貌、環境等因素影響；其二、道路設計是在前期勘測得到的地形圖上進行選線或現場定線，因此前期工作要花費大量的人力、物力；傳統的道路設計是先在地形圖上人工判讀數據，然後進行初步路線方案設計，在施工圖設計時，根據初步設計中已經確定好的平面線形，通過野外實地測量路線平、縱、橫數據進行設計。但是這一方法存在費時、費力、精度難以保證和動態調整困難等缺點。
發明內容
專利目的
《真三維道路智慧型設計方法及系統》提供一種真三維道路智慧型設計方法及系統，通過在真三維地形場景中選線，道路平、縱、橫參數設計與調整，實現基於三維地形場景的道路設計與可視化。
技術方案
《真三維道路智慧型設計方法及系統》包括：
在高精度的三維地形場景中進行道路選線以及道路平、縱、橫參數設計；
在所述三維地形場景中進行道路平、縱、橫設計參數的調整；
根據設計參數，計算道路模型與三維地形場景的空間位置關係，生成真三維道路模型，所述真三維道路模型包含有描述道路面的三維坐標信息和道路面紋理信息；
根據所述真三維道路模型與三維地形場景的空間位置關係，對道路所在區域地形進行修改，建立與真實地表無縫接合的道路模型；
其中，所述道路模型包括道路的主要構造物和道路的附屬設施，所述主要構造物包括橋樑和隧道，所述附屬設施包括道路的護欄、里程路標和路燈；
將橋墩模型，根據橋樑起始和終止道路中心線按照一定間隔插入道路三維模型場景中，將隧道門洞模型插入在隧道的出口和入口道路中心線上，其中，橋樑模型的高度設定為道路中心線點的高程與該點垂直方向地麵點的高程之差；隧道口門洞模型的寬度為該點路基橫斷面寬度，高度為隧道橫斷面高度；
根據道路的平縱橫三參數設計，得到各樁號點的坐標（X、Y、Z），此坐標正是道路中心線上點的坐標，通過設定平移參數即可將路燈模型平移到道路的邊緣，路燈模型插入點坐標的計算公式如下：
式中：（x1，y1）是道路中線上一點的坐標，s是模型在道路上水平偏移的距離，k是由（x1，y1）和（x，y）兩點構成的直線的斜率，也是由（x1，y1）、（x2，y2）兩點構成直線的斜率的負倒數，計算公式為：
，式中：（x1，y1）是道路中線上一點的坐標，（x2，y2）是沿著道路前進方向上與（x1，y1）相鄰的另一道路中線點坐標，計算出路燈模型插入點坐標之後，即可將已經做好的路燈模型插入到相應的坐標處。
該發明提供了一種真三維道路智慧型設計系統，包括：
道路參數設計模組，用於在高精度的三維地形場景中進行道路選線以及道路平、縱、橫參數設計；
道路參數調整模組，用於在所述三維地形場景中進行道路平、縱、橫設計參數的調整。
有益效果
《真三維道路智慧型設計方法及系統》實施例中，計算機將道路設計數據轉換成可視化的直接對象，設計者可藉助人的形象思維來快速準確地理解這些道路設計數據，可以有效地對道路設計結果進行決策，把握設計的質量；在道路三維可視化平台中導入高精度的三維地形場景數據，在此基礎上進行道路（平、縱、橫）參數設計與調整，生成不同方案的填挖方報告，從而選擇最優的線路設計，降低設計造價成本、工程造價成本；利用計算機技術把道路設計數據與地理空間數據結合，建立含地形地貌環境特徵的待建公路工程三維景觀，並進行場景布置，設計要素分析、多媒體查詢、實時動態道路設計場景漫遊等，能夠真實、動態地反映道路勘察設計的結果；隨著道路三維可視化地理環境的建立，設計人員可以在計算機上看到與真實公路一樣的景觀細節，道路設計者觀察到某些地方需要修正，可以直接在三維場景中對該路段設計數據進行修改，從而為道路設計提供更精確的依據；道路三維可視化平台有助於專業鴻溝的跨越，道路選線設計是一項涉及面很廣、決策性很強的綜合性工作，道路三維可視化將為決策者提供更加直觀的決策依據，為各個專業的配合協調提供更加方便直觀的工具。
附圖說明
圖1為《真三維道路智慧型設計方法及系統》真三維道路智慧型設計方法實施例的流程示意圖；
圖2為該發明真三維道路智慧型設計系統實施例的結構示意圖。
自動建模模組，用於根據設計參數，計算道路模型與三維地形場景的空間位置關係，生成真三維道路模型，所述真三維道路模型包含有描述道路面的三維坐標信息和道路面紋理信息；
地形修測模組，用於根據所述真三維道路模型與三維地形場景的空間位置關係，對道路所在區域地形進行修改，建立與真實地表無縫接合的道路模型；
所述道路模型包括道路的主要構造物和道路的附屬設施，所述主要構造物包括橋樑和隧道，所述附屬設施包括道路的護欄、里程路標和路燈。
權利要求
1.一種真三維道路智慧型設計方法，其特徵在於，包括：在高精度的三維地形場景中進行道路選線以及道路平、縱、橫參數設計；在所述三維地形場景中進行道路平、縱、橫設計參數的調整；根據設計參數，計算道路模型與三維地形場景的空間位置關係，生成真三維道路模型，所述真三維道路模型包含有描述道路面的三維坐標信息和道路面紋理信息；根據所述真三維道路模型與三維地形場景的空間位置關係，對道路所在區域地形進行修改，建立與真實地表無縫接合的道路模型；其中，所述道路模型包括道路的主要構造物和道路的附屬設施，所述主要構造物包括橋樑和隧道，所述附屬設施包括道路的護欄、里程路標和路燈；將橋墩模型，根據橋樑起始和終止道路中心線按照一定間隔插入道路三維模型場景中，將隧道門洞模型插入在隧道的出口和入口道路中心線上，其中，橋樑模型的高度設定為道路中心線點的高程與該點垂直方向地麵點的高程之差；隧道口門洞模型的寬度為該點路基橫斷面寬度，高度為隧道橫斷面高度；根據道路的平縱橫三參數設計，得到各樁號點的坐標（X、Y、Z），此坐標正是道路中心線上點的坐標，通過設定平移參數即可將路燈模型平移到道路的邊緣，路燈模型插入點坐標的計算公式如下：
式中：（x1，y1）是道路中線上一點的坐標，s是模型在道路上水平偏移的距離，k是由（x1，y1）和（x，y）兩點構成的直線的斜率，也是由（x1，y1）、（x2，y2）兩點構成直線的斜率的負倒數，計算公式為：，式中：（x1，y1）是道路中線上一點的坐標，（x2，y2）是沿著道路前進方向上與（x1，y1）相鄰的另一道路中線點坐標，計算出路燈模型插入點坐標之後，即可將已經做好的路燈模型插入到相應的坐標處。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述在高精度的三維地形場景中進行道路選線以及道路平、縱、橫參數設計包括：在高精度的三維地形場景中進行道路選線及平、縱、橫參數設計，將設計結果按預設的檔案格式存儲，對所述設計結果進行處理；在三維地形場景中對所述處理後的設計結果進行調整。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，還包括：統計填挖方時，按單位橫斷面將道路區域劃分為若干梯形與三角形條塊，相鄰兩斷面均為填方或者挖方，則此兩橫斷面之間部分類似於一稜柱體，計算該稜柱體的體積即相當於此相鄰兩橫斷面間的填挖方量。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括：整體線路模型的建立、道路區域紋理映射、道路構造物及附屬物的添加。
5.根據權利要求1～4任一所述的方法，其特徵在於，還包括：在道路模型可視化時修改道路區域內的三維地形，生成與真實地表無縫接合的道路場景。
6.一種真三維道路智慧型設計系統，其特徵在於，包括：道路參數設計模組，用於在高精度的三維地形場景中進行道路選線以及道路平、縱、橫參數設計；道路參數調整模組，用於在所述三維地形場景中進行道路平、縱、橫設計參數的調整；自動建模模組，用於根據設計參數，計算道路模型與三維地形場景的空間位置關係，生成真三維道路模型，所述真三維道路模型包含有描述道路面的三維坐標信息和道路面紋理信息；地形修測模組，用於根據所述真三維道路模型與三維地形場景的空間位置關係，對道路所在區域地形進行修改，建立與真實地表無縫接合的道路模型；其中，所述道路模型包括道路的主要構造物和道路的附屬設施，所述主要構造物包括橋樑和隧道，所述附屬設施包括道路的護欄、里程路標和路燈；將橋墩模型，根據橋樑起始和終止道路中心線按照一定間隔插入道路三維模型場景中，將隧道門洞模型插入在隧道的出口和入口道路中心線上，其中，橋樑模型的高度設定為道路中心線點的高程與該點垂直方向地麵點的高程之差；隧道口門洞模型的寬度為該點路基橫斷面寬度，高度為隧道橫斷面高度；根據道路的平縱橫三參數設計，得到各樁號點的坐標（X、Y、Z），此坐標正是道路中心線上點的坐標，通過設定平移參數即可將路燈模型平移到道路的邊緣，路燈模型插入點坐標的計算公式如下：
式中：（x1，y1）是道路中線上一點的坐標，s是模型在道路上水平偏移的距離，k是由（x1，y1）和（x，y）兩點構成的直線的斜率，也是由（x1，y1）、（x2，y2）兩點構成直線的斜率的負倒數，計算公式為：，式中：（x1，y1）是道路中線上一點的坐標，（x2，y2）是沿著道路前進方向上與（x1，y1）相鄰的另一道路中線點坐標，計算出路燈模型插入點坐標之後，即可將已經做好的路燈模型插入到相應的坐標處。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述道路參數設計模組還用於在高精度的三維地形場景中進行道路選線及平、縱、橫參數設計，將設計結果按預設的檔案格式存儲，對所述設計結果進行處理；在三維地形場景中對所述處理後的設計結果進行調整；根據所述調整後的設計結果統計填挖方量。
8.根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述道路參數調整模組還用於統計填挖方時，按單位橫斷面將道路區域劃分為若干梯形與三角形條塊，相鄰兩斷面均為填方或者挖方，則此兩橫斷面之間部分類似於一稜柱體，計算該稜柱體的體積即相當於此相鄰兩橫斷面間的填挖方量。
9.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述自動建模模組還用於整體線路模型的建立、道路區域紋理映射、道路構造物及附屬物的添加。
10.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述地形修測模組還用於在道路模型可視化時修改道路區域內的三維地形，生成與真實地表無縫接合的道路場景。
實施方式
將橋墩模型，根據橋樑起始和終止道路中心線按照一定間隔插入道路三維模型場景中，將隧道門洞模型插入在隧道的出口和入口道路中心線上，其中，橋樑模型的高度設定為道路中心線點的高程與該點垂直方向地麵點的高程之差；隧道口門洞模型的寬度為該點路基橫斷面寬度，高度為隧道橫斷面高度；
根據道路的平縱橫三參數設計，得到各樁號點的坐標（X、Y、Z），此坐標正是道路中心線上點的坐標，通過設定平移參數即可將路燈模型平移到道路的邊緣，路燈模型插入點坐標的計算公式如下：
式中：（x1，y1）是道路中線上一點的坐標，s是模型在道路上水平偏移的距離，k是由（x1，y1）和（x，y）兩點構成的直線的斜率，也是由（x1，y1）、（x2，y2）兩點構成直線的斜率的負倒數，計算公式為：，式中：（x1，y1）是道路中線上一點的坐標，（x2，y2）是沿著道路前進方向上與（x1，y1）相鄰的另一道路中線點坐標，計算出路燈模型插入點坐標之後，即可將已經做好的路燈模型插入到相應的坐標處。
上述真三維道路智慧型設計方法及系統，在高精度三維地形場景數據和自定義數據導入系統之後，在高精度三維地形場景中對道路的平、縱、橫參數進行設計，從而繪製出新的道路三維線形，並按照專業道路設計檔案的輸出格式進行保存，使之與專業的道路設計軟體進行互動，完成道路選線的詳細設計，通過在高精度的三維地形場景中選線、道路參數設計與調整，實現了基於三維地形場景的道路設計和可視化。
下面結合文中附圖，對《真三維道路智慧型設計方法及系統》實施例中的技術方案進行描述。
圖1為該發明真三維道路智慧型設計方法實施例的流程示意圖，如圖1所示，該發明實施例包括如下步驟：
步驟101、在高精度的三維地形場景中進行道路選線及平、縱、橫參數設計；
步驟102、在三維地形場景中進行道路平、縱、橫設計參數的調整；
步驟103、根據設計參數、計算道路模型與三維地形場景的空間位置關係，生成真三維道路模型，其中，真三維道路模型包含有描述道路面的三維坐標信息和道路面紋理信息；
步驟104、根據真三維道路模型與三維地形場景的空間位置關係，對道路所在區域地形進行修改，建立與真實地表無縫接合的道路模型。
該發明實施例提供的真三維道路智慧型設計方法，通過在高精度的三維地形場景中選線、參數設計與調整，實現了基於三維地形場景的道路設計和可視化。
進一步地，在上述圖1所示實施例中，高精度的地形場景數據是由DEM和DOM疊加而成。DEM是數字高程模型，是一個按一定結構組織在一起的數據組，代表地形特徵的空間分布；進一步地，空間分布由平面坐標系統（X，Y）與各個平面坐標系統中的地麵點的高程（Z）所形成空間三維數據，也就是說，數字高程模型是地形起伏的數字表達，由對地形表面取樣所得到的一組三維數據（x，y，z）的坐標數據以及對地形表面提供連續描述的算法組成；DOM是對掃描處理後的數位化的航空像片或者高解析度衛星遙感圖像數據製作形成該發明實施例中所述的航空影像，對逐像元進行幾何糾正和鑲嵌後，具有精度高、信息豐富、直觀真實的特點，同時是具有地圖幾何精度和影像特徵的圖像；
該發明實施例中的設計數據具體還可以為：DWG格式矢量數據、TIF格式影像數據、Shp格式矢量數據、興趣點POI數據、3DS模型數據。DWG格式數據是AUTOCAD導出的地形圖矢量數據；TIF格式是遙感影像的數據格式的一種；Shp格式數據是ARCGIS導出的地質圖矢量數據；興趣點POI是用戶感興趣的點，興趣點POI數據包含該點所有相關的信息；3DS模型數據是三維的模型數據，檔案後綴可以為.x，.xpl，.3ds等。
進一步地，在上述圖1所示實施例中，步驟101具體可以為：
在高精度的三維地形場景中進行道路選線及平、縱、橫參數設計，將設計結果按預設的檔案格式存儲，對所述設計結果進行處理；其中，預設的檔案格式具體可以為專業設計軟體通用的檔案格式；
在三維地形場景中對所述處理後的設計結果進行調整；通過對處理後的設計結果進行調整，可以實現道路設計參數的詳細設計。
進一步地，在上述圖1所示實施例中，統計填挖方時，按單位橫斷面將道路區域劃分為若干梯形與三角形條塊，相鄰兩斷面均為填方或者挖方，則此兩橫斷面之間部分類似於一稜柱體，計算該稜柱體的體積即相當於此相鄰兩橫斷面間的填挖方量。
進一步地，在上述圖1所示實施例中，生成真三維道路模型的過程包括：整體線路模型的建立、道路區域紋理映射、道路構造物及附屬物的添加。
真三維道路建模的過程其實是通過道路的詳細設計數據與地形數據的實時計算過程。該計算過程如下：從平面線位數據和縱斷面數據，得到道路中心線上任意點的三維坐標；從橫斷面數據，得到橫斷面上各特徵點相對於路中點的平距和高差，在計算出路中心點的坐標和高程後，可得到該特徵點的坐標和高程。這些特徵點包括：橫斷面上的路中心點、分隔帶綠化帶邊緣點、車行道的內外側端點、人行道內外側端點、邊坡線上的變化點、坡腳點、邊坡兩側的地面高程變化點等。然後，根據相鄰兩個橫斷面上各個特徵點構建多邊形曲面，形成道路各個路段的三維模型。
最後將各個路段的三維模型連線起來，並對不同的多邊形面根據模型性質映射不同的紋理，形成整體的三維道路模型。
此外，橋樑和隧道是道路的主要構造物。該發明實施例可以通過將橋墩模型，根據橋樑起始和終止道路中心線按照一定間隔插入道路三維模型場景中，將隧道門洞模型插入在隧道的出口和入口道路中心線上的方法來實現，其中，橋樑模型的高度設定為道路中心線點的高程與該點垂直方向地麵點的高程之差；隧道口門洞模型的寬度為該點路基橫斷面寬度，高度為隧道橫斷面高度。
該發明實施例中道路的附屬設施包括道路的護欄、里程路標、路燈等；各種道路附屬設施模型的添加過程是一樣的。該發明實施例以路燈模型為例進行示例性說明，首先根據道路的平縱橫三參數設計，得到各樁號點的坐標（X、Y、Z），此坐標正是道路中心線上點的坐標，通過設定平移參數即可將路燈模型平移到道路的邊緣。該發明實施例中通過路燈模型插入點坐標的計算公式如下：
式中：（x1，y1）是道路中線上一點的坐標，s是模型在道路上水平偏移的距離，k是由（x1，y1）和（x，y）兩點構成的直線的斜率，也是由（x1，y1）、（x2，y2）兩點構成直線的斜率的負倒數，計算公式為：，式中：（x1，y1）是道路中線上一點的坐標，（x2，y2）是沿著道路前進方向上與（x1，y1）相鄰的另一道路中線點坐標。
計算出路燈模型插入點坐標之後，即可將已經做好的路燈模型插入到相應的坐標處。
進一步地，在上述圖1所示實施例中，要生成與真實地表無縫接合的道路模型，必須根據真三維道路模型與三維場景的空間位置關係，對道路所在區域地形進行修改，即對道路所在區域DEM的修改。
進一步地，在上述圖1所示實施例中，還包括：在道路模型可視化時修改道路區域內的三維地形，生成與真實地表無縫接合的道路場景；其中，修改道路區域內的三維地形的過程具體為：
首先沿道路的中心線分別向左右構造給定寬度（W）的平行線，左右平行線上對應於中心線的數據點的高程值與中心線上點的高程值相等；
道路平行線與相鄰兩橫斷面之間封閉成一個四邊形，並對該四邊形進行三角剖分；
逐格線求得平行線左右側邊線與DEM的所有交點的三維坐標，並將所有交點插入DEM格網中。對於與道路四邊形不發生關係的DEM格線不做處理；對於與道路四邊形發生關係的DEM格線而言，沒有被道路四邊形切掉的部分形成新的多邊形，對其進行三角剖分；
DEM格線中有數據的剖分，加上道路的簡單剖分，即可建立與地形融合在一起的三維道路模型；
進一步地，在上述圖1所示實施例的基礎上得到了真三維道路模型，將道路設計數據轉換成可視化的道路模型（直接對象），從而設計者可以直觀形象地理解這些道路設計數據，有效地對道路設計結果進行決策，把握設計質量。
在真三維的道路模型上，可以進行成果瀏覽、飛行路徑，錄製AVI、指定特定場景、模擬駕駛、進行製作方案的對比、連線PPT演示，通過上述手段可以極大豐富真三維設計成果的演示效果，為專家評審提供便利，同時給道路設計者以直觀的視覺效果。
進一步地，上述圖1所示實施例，得到真三維道路模型的基礎上，通過在三維地形場景下對道路設計參數進行設計與調整，統計填挖方量，生成填挖方統計報告，使設計者可以迅速的選擇最優設計方案，節約道路工程的成本。
進一步地，上述圖1所示實施例，得到真三維道路模型的基礎上，設計者可以在計算機上看到與真實道路一樣的景觀細節，並且可以直接在三維場景中對道路設計參數進行修改，從而為道路設計提供了更高的精確依據。
進一步地，上述圖1所示實施例，在得到真三維道路模型後，直觀的三維真實效果可以讓決策者、方案評審者共同參與到設計之中，便於交流溝通。
圖2為該發明真三維道路智慧型設計系統實施例的結構示意圖，如圖2所示，該實施例包括：道路參數設計模組21、道路參數調整模組22、自動建模模組23、地形修測模組24；
其中，道路參數設計模組21在高精度的三維地形場景中進行道路選線以及道路平、縱、橫參數設計；道路參數調整模組22在所述三維地形場景中進行道路平、縱、橫設計參數的調整；自動建模模組23根據設計參數，計算道路模型與三維地形場景的空間位置關係，生成真三維道路模型，所述真三維道路模型包含有描述道路面的三維坐標信息和道路面紋理信息；地形修測模組24根據所述真三維道路模型與三維地形場景的空間位置關係，對道路所在區域地形進行修改，建立與真實地表無縫接合的道路模型。
該發明實施例提供的真三維道路智慧型設計實現系統，通過道路參數設計模組21將高精度三維地形場景的設計數據導入系統之後，在高精度三維地形場景中對道路的平、縱、橫參數進行設計，並按照專業道路設計檔案的輸出格式進行保存，使之與專業的道路設計軟體進行互動。
進一步地，在上述圖2所示實施例，道路參數調整模組22，將專業道路設計軟體導出的設計數據，導入系統中，在三維地形場景下對道路平、縱、橫設計參數進行調整，用於統計填挖方量，生成填挖方統計報告，並完成道路詳細設計。
進一步地，在上述圖2所示實施例，還包括：自動建模模組23，用於整體道路模型的建立、道路區域紋理映射、道路構造物及附屬物的添加。
進一步地，在上述圖2所示實施例，還包括：地形修測模組24，用於在道路模型可視化時修改道路區域內的三維地形，生成與真實地表無縫接合的道路場景。
榮譽表彰
2013年10月，《真三維道路智慧型設計方法及系統》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
