CN105138788B - 一种道路三维模型全参数化建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种道路三维模型全参数化建立方法,它包括以道路设计过程出发,以道路平、纵断面的设计参数作为输入,如下具体建立步骤:通过平面直曲线拉伸、展开形成纵断面,建立道路纵断面直曲线,折叠形成道路中心线,在过渡特征点处布置超高和加宽横断面,形成道路路基面,提取边线与地形相交判定填挖段,通过交点射线法自动生成填挖断面,形成开挖面和填坡面,与进行填挖运算,生成道路三维模型。本发明克服现有的设计过程,导致输入参数意义不明确的缺点,具有快速响应设计变更,进行道路三维设计校审、土石方计算、路线规划比选、虚拟漫游的优点。
Description
技术领域
本发明涉及到道路三维建立模型的技术领域,更加具体来说是一种道路三维模型全参数化建立方法。
背景技术
目前,道路三维模型主要运用于视觉表现如虚拟现实和仿真模拟等。随着三维设计的大力发展,道路三维模型将逐步服务于生产设计,如土石方计算、二维出图、路线优选等,首先需要道路三维模型能够达到设计的精度,其次道路设计是一个不断调整方案的过程,需要道路三维模型能够快速响应设计变更。因此,建立全参数化的高精度道路三维模型对道路设计有着重要的意义。
道路三维模型建立方式主要有两种方式,一是:基于路基横断面,线性内插拟合直接生成道路三维模型,如纬地软件可自动逐桩号生成多个路基横断面生成道路三维模型。该方法主要的缺点是道路模型是通过孤立存在的,三维模型的精度依赖于横断面数量,且设计参数与三维模型缺乏关联性;
二是:基于三维数字地形,通过填挖运算间接生成道路三维模型,能够完全贴合地形。该方法主要包括道路中心线建模和填挖运算,已有文献中道路中心线多数采用分段非均匀有理B样条拟合,拟合精度完全依赖于采样点的位置和数量,忽略了设计过程,导致输入参数意义不明确。特别是道路中心线在以缓和曲线为主时,拟合改了曲线的方程性质,平曲线和竖曲线的精度均得不到保证,其次是路基通过简单直线扫掠模拟路面,忽略了横断面的超高、加宽、边沟等细节。文献通过参数化路基横断面,能够模拟如上细节,但其跳过“带帽子”边坡线过程,路基和边坡实体分别以全挖或全填整体与地形运算,会存在过挖或过填等错误,通过三维模型剖切生成的二维路基横断面精度较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的忽略设计过程、导致输入参数的意义不明确的不足之处,而提出一种道路三维模型全参数化建立方法。
本发明一种道路三维模型全参数化建立方法,它包括以道路设计过程出发,以道路平、纵断面的设计参数作为输入,具体建立步骤如下:
a.全局大地坐标系约定以Z轴代表高程,根据交点坐标N(x)、E(y)依次生成交点JDi,直线连接各交点,生成交点辅助线;
b.在所述的各个交点JDi处按照曲线要素做圆曲线,并与交点辅助线修剪;
c.在所述的各个交点JDi处,如果存在缓和曲线,则根据所述的交点JDi处的曲线要素,在交点线上生成前后直缓点,分别以所述的前后直缓点为原点建立临时坐标系,x轴为原点指向交点JDi,y轴垂直于x轴向里,根据缓和曲线参数方程生成缓和曲线,将圆曲线沿所述的交点JDi的角平分线方向内移动直至所述的缓和曲线相切,修剪圆曲线、缓和曲线和交点辅助线,得到平面直曲线;
d.将所述的直曲线沿高程方向拉伸形成柱面,将柱面展开形成纵断面,此时平面直曲线将随同展开,变成道路展开线;
e.在道路展开线上,根据变坡点桩号生成桩号点,按照设计高程分别偏移桩号点,由此在道路的纵断面上生成空间变坡点;
f.用直线连接所述的变坡点,生成纵断面变坡点辅助线,在所述的各个变坡点处按照曲线要素做圆曲线或抛物线,并与变坡点辅助线修剪,形成纵断面直曲线;
g.将纵断面按照步骤e展开的过程进行逆向折叠,此时纵断面直曲线将随同纵断面折叠回去,形成道路中心线;
h.在BP和EP处布置标准路基横断面;
i.在各个交点JDi对应处,如布置超高,则在超高过渡段特征点处,如抬肩、双坡、旋转阶段起点处继续布置超高横断面;
j.以上述超高横断面为截面,道路中心线为脊线,超高旋转轴所在轴线为引导线生成路基面;
k.在各个交点JDi对应处,如布置加宽:以上述路基面边线为基准,加宽曲线方程如线性、抛物线、回旋线做偏移边线,创建加宽过渡边线,修剪路基面,形成加宽后的路基面;
l.提取上述路基面边线,与地形相交,判定道路填挖段;根据交点射线法自动生成边坡线,建立开挖面和填方面;在全挖段、全填段、半挖半填段分别与地形进行布尔运算,生成高精度的道路三维模型。
在上述技术方案中:当同时不存在超高和加宽时;在BP和EP处布置标准路基横断面,并继续依次执行j和k步骤。
在上述技术方案中:在所述的步骤l中:所述的交点射线法为;
L1:开始;
L2:某桩号左/右侧边坡线,某桩号为i;i=1时;根据填挖方式建立边坡起点P0;
L3:生成第i级边坡射线Li,射线Li与地形相交,交点为Pi,若有多个交点取第一个;
L4:测量P0-Pi-1的垂直距离Hi;
L5:当Hi>控制高度时,生成第i级边坡和马道;取马道终点为边坡起点Pi;
L6:i=i+1,此时返回重新执行L3步骤;
L7:当Hi≤控制高度时,通过Pi修剪射线Li,延长△h保证能与地形运算;
L8:结束。
本发明的有益效果是:1、本发明与传统道路建模方法相比,构建过程输入参数意义明确,道路三维模型精度高,能够快速响应设计变更,进行道路三维设计校审、土石方计算、路线规划比选、虚拟漫游等优点。2、本发明结合计算机几何学和软件工程,对开发道路三维设计***软件具有一定的指导意义。3、本发明通过上述建立步骤中的参数约定和建模方法,按照设计流程进行正向建立全参数化的道路三维模型。
附图说明
图1为建立道路平面直曲线中步骤a-b示意图。
图2为步骤c中平面直曲线某交点处线型示意图。
图3为步骤c中某交点处缓和曲线结果示意图。
图4为道路平面直曲线示意图。
图5为步骤e中道路变坡点示意图。
图6为步骤g中道路中心线示意图。
图7为道路中心线在地形上的具体展示示意图。
图8为本发明建模方法与样点拟合方法曲率光顺精度对比。
图9为超高横断面路基示意图。
图10为超高和加宽的路基具体示意图。
图11为路基填挖形式判定示意图。
图12为交点射线法自动生成边坡线流程图。
图13为自动生成道路填边边坡和填方运算示意图。
图14为自动生成道路开挖边坡与开挖运算具体示意图。
图15为道路过挖现象具体示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的实施情况,但它们并不构成对本发明的限定,仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
下面结合某场地道路实例,详细描述本发明的技术方案和实施步骤。
本发明一种道路三维模型全参数化建立方法,它包括以道路设计过程出发,以道路平、纵断面的设计参数作为输入,具体建立步骤如下:
a.全局大地坐标系约定以Z轴代表高程,根据交点坐标N(x)、E(y)依次生成交点JDi,直线连接各交点,生成交点辅助线;
b.在所述的交点JDi处按照曲线要素做圆曲线,并与交点辅助线修剪(图1所示);
c.在所述的各个交点JDi处,如果存在缓和曲线,则根据所述的交点JDi处的曲线要素,在交点线上生成前后直缓点,分别以所述的前后直缓点为原点建立临时坐标系,x轴为原点指向交点JDi,y轴垂直于x轴向里,根据缓和曲线参数方程生成缓和曲线,将圆曲线沿所述的交点JDi的角平分线方向内移动直至所述的缓和曲线相切,修剪圆曲线、缓和曲线和交点辅助线,得到平面直曲线(图2-4所示);
d.将所述的直曲线沿高程方向拉伸形成柱面,将柱面展开形成纵断面,此时直曲线将随同展开,变成道路展开线;
e.在道路展开线上,根据变坡点桩号生成桩号点,按照设计高程分别偏移桩号点,由此在道路的纵断面上生成空间变坡点(图5所示);
f.用直线连接所述的变坡点,生成纵断面变坡点辅助线,在所述的变坡点处按照曲线要素做圆曲线或抛物线,并与变坡点辅助线修剪,形成纵断面直曲线;
g.将纵断面按照步骤e展开的过程进行逆向折叠,此时纵断面直曲线将随同纵断面折叠回去,形成道路中心线(图6和图7所示);
本文方法和样点拟合方法的结果及曲率分析结果对比如图8所示,从图中可知只有在采样点处才会重合,同时本方法曲率半径严格服从道路线型定义,精度相对较高。
h.在BP和EP处布置标准路基横断面;
i.在各个交点JDi对应处,如布置超高,则在超高过渡段特征点处,如抬肩、双坡、旋转阶段起点处继续布置超高横断面;j.以上述超高横断面为截面,道路中心线为脊线,超高旋转轴所在轴线为引导线生成路基面(图9所示);
k.在各个交点JDi对应处,如布置加宽:以上述路基面边线为基准,加宽曲线方程如线性、抛物线、回旋线做偏移边线,创建加宽过渡边线,修剪路基面,形成加宽后的路基面(图10所示);
l.提取上述路基面边线,与地形相交,判定道路填挖段(图11所示);根据交点射线法(算法原理见图12所示)自动生成边坡线,建立开挖面和填方面;在全挖段、全填段、半挖半填段分别与地形进行布尔运算,生成高精度的道路三维模型;当同时不存在超高和加宽时;在BP和EP处布置标准路基横断面,并继续依次执行j和k步骤(图13和图14所示)。
在所述的步骤l中:所述的交点射线法为如下;在所述的步骤l中:所述的交点射线法为;
L1:开始;
L2:某桩号左/右侧边坡线,某桩号为i;i=1时;根据填挖方式建立边坡起点P0;
L3:生成第i级边坡射线Li,射线Li与地形相交,交点为Pi,若有多个交点取第一个;
L4:测量P0-Pi-1的垂直距离Hi;
L5:当Hi>控制高度时,生成第i级边坡和马道;取马道终点为边坡起点Pi;
L6:i=i+1,此时返回重新执行L3步骤;
L7:当Hi≤控制高度时,通过Pi修剪射线Li,延长△h保证能与地形运算;
L8:结束。
原有的建模方法如背景技术阐述的两种建模方法跳过“带帽子”直接进行道路实体与地形的开挖和填坡运算,会存在边坡过挖、过填、镂空等现象需人为校准改正,而通过交点射线法生成的开挖和填坡面则不会出现这种情形(如图15所示)。
上述未详细说明的部分均为现有技术。
Claims (2)
1.一种道路三维模型全参数化建立方法,它从道路设计过程出发,以道路平、纵断面设计参数作为输入,其特征在于:具体建立步骤如下:
a.全局大地坐标系约定以Z轴代表高程,根据交点坐标N(x)、E(y)依次生成交点JDi,直线连接各交点,生成交点辅助线;
b.在所述的交点JDi处按照曲线要素做圆曲线,并与交点辅助线修剪;
c.在所述的各个交点JDi处,如果存在缓和曲线,则根据所述的交点JDi处的曲线要素,在交点线上生成前后直缓点,分别以所述的前后直缓点为原点建立临时坐标系,x轴为原点指向交点JDi,y轴垂直于x轴向里,根据缓和曲线参数方程生成缓和曲线,将圆曲线沿所述的交点JDi的角平分线方向内移动直至所述的缓和曲线相切,修剪圆曲线、缓和曲线和交点辅助线,得到平面直曲线;
d.将所述的直曲线沿高程方向拉伸形成柱面,将柱面展开形成纵断面,此时直曲线将随同展开,变成道路展开线;
e.在道路展开线上,根据变坡点桩号生成桩号点,按照设计高程分别偏移桩号点,由此在道路的纵断面上生成空间变坡点;
f.用直线连接所述的变坡点,生成纵断面变坡点辅助线,在所述的变坡点处按照曲线要素做圆曲线或抛物线,并与变坡点辅助线修剪,形成纵断面直曲线;
g.将纵断面按照步骤e展开的过程进行逆向折叠,此时纵断面直曲线将随同纵断面折叠回去,形成道路中心线;
h.在BP和EP处布置标准路基横断面;
i.在各个交点JDi对应处,如布置超高,则在超高过渡段特征点处,继续布置超高横断面,所述的超高过渡段特征点包括抬肩、双坡和旋转阶段起点;
j.以上述超高横断面为截面,道路中心线为脊线,超高旋转轴所在轴线为引导线生成路基面;
k.在各个交点JDi对应处,如布置加宽:以上述路基面边线为基准,加宽曲线方程按照线性做偏移边线,创建加宽过渡边线,修剪路基面,形成加宽后的路基面;
l.提取上述路基面边线,与地形相交,判定道路填挖段;根据交点射线法自动生成边坡线,建立开挖面和填方面;在全挖段、全填段、半挖半填段分别与地形进行布尔运算,生成高精度的道路三维模型;
在所述的步骤l中:所述的交点射线法为;
L1:开始;
L2:某桩号左/右侧边坡线,某桩号为i;i=1时;根据填挖方式建立边坡起点P0;
L3:生成第i级边坡射线Li,射线Li与地形相交,交点为Pi,若有多个交点取第一个;
L4:测量P0-Pi-1的垂直距离Hi;
L5:当Hi>控制高度时,生成第i级边坡和马道;取马道终点为边坡起点Pi;
L6:i=i+1,此时返回重新执行L3步骤;
L7:当Hi≤控制高度时,通过Pi修剪射线Li,延长△h保证能与地形运算;
L8:结束。
2.根据权利要求1所述的一种道路三维模型全参数化建立方法,其特征在于:当同时不存在超高和加宽时;在BP和EP处布置标准路基横断面,并继续依次执行j和k步骤。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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