CN117611768B - 一种基于cad图纸的道路参数化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAD图纸的道路参数化建模方法，包括：在道路CAD图纸上提取DXF格式的道路关键点数据，合并路线数据；在道路CAD图纸上提取道路顶点的里程桩号和高程数据；通过道路横向关键点、横向约束交互式设置、道路结构构建、纹理映射以及道路拼接结构构建，完成非交叉段道路参数化重建；进行交叉段道路的交叉路口参数化重建，获得CAD道路重建模型；将CAD道路重建模型与倾斜摄影实景三维模型进行融合，并进行施工进度映射。本发明在不借助第三方工具或软件的前提下，实现CAD图纸数据到可视化三维模型的参数化转换，将需要大量人力在建模软件上重复繁琐的人工过程完全释放，解放了人力，提高了工作效率。

Description

一种基于CAD图纸的道路参数化建模方法

技术领域

本发明属于数字化建模技术领域，具体涉及一种基于CAD图纸的道路参数化建模方法。

背景技术

近年来，随着计算机图形学及软硬件技术的快速发展，数字孪生技术受到了广泛关注。三维道路模型作为道路数字孪生的基础，如何重建出符合真实场景的三维模型是构建数字孪生***的关键问题。道路的三维建模方法在研究过程中逐渐形成了基于图像的建模、基于模型驱动的建模、基于规则的建模三类，上述建模方法至今仍在不断的优化和发展。其中，基于规则的建模方法由于可解释性强及建模效率快的优点，在理论与应用中得到了广泛的关注。

申请号为202311055552.8的发明专利《一种基于桥梁三位参数化建模及结构联动设计分析方法》，通过使用参数化建模软件，建立桥梁三维外观模型。利用结构分析插件提取限定桥梁三维外观模型的物理属性信息，并在结构分析插件中定义材料属性和截面参数、施加桥梁的边界条件、外部荷载，从而生成桥梁三维结构模型；将桥梁三维结构模型前处理数据连接到结构分析插件的运算器中进行计算分析，计算结果自动同步到三维模型中。该方法的优点是在三维建模的基础上采用结构分析插件，生成了带属性等其他关联信息的三维模型。缺点是要借助于第三方的建模软件，使用过程受限于第三方软件。

申请号为202310703841.8的发明专利《一种快速建模方法》，利用CAD施工图纸作为数据源进行建模，再通过基于优先级的墙体等价线算法，提取建筑物中的墙体；再引入可导航空间提取算法，重构室内空间关系；再基于室内空间关系和已有墙体进行参数化建模；将提前获取CAD数据的建筑建模后存放入Oracle数据库，以供后续应用。该方法的优点是聚焦于CAD数据源的快速建模，通过各类算法，在构建墙体的同时重构室内空间关系，实现参数化模型。缺点是在最终的模型数据只存储到数据库，未涉及与三维展现环节的对接。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于CAD图纸的道路参数化建模方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于CAD图纸的道路参数化建模方法，包括：

S1：在道路CAD图纸上提取DXF格式的道路关键点数据，合并路线数据；

S2：在道路CAD图纸上提取道路顶点的里程桩号和高程数据；

S3：通过道路横向关键点、横向约束交互式设置、道路结构构建、纹理映射以及道路拼接结构构建，完成非交叉段道路参数化重建；

S4：进行交叉段道路的交叉路口参数化重建，获得CAD道路重建模型；

S5：将所述CAD道路重建模型与道路的倾斜摄影实景三维模型进行融合，以展示施工进度，完成基于三维模型道路设计状态与实际地形和建设情况的动态映射。

在本发明的一个实施例中，所述S1包括：

S1.1：根据道路CAD图纸中路线的多段线图元的组码及关联值提取多段线的端点坐标数据；

S1.2：通过凸度值、圆弧起始端点和圆弧终止端点计算多段线内的圆弧对应的圆心点坐标；

S1.3：通过等距弧长插值方式依次计算多段线内的圆弧上对应位置的坐标，采用端点依次连接形成多段线的方式拟合出圆弧；

S1.4：依据多段线间方向及端点位置进行多段线的合并，使得合并后的每条多段线均对应一条道路的中线或边线；

S1.5：根据道路中多段线内端点的走向，获得道路左侧边线顶点和右侧边线顶点的位置，根据中线顶点与对应的边线顶点间的距离获得左幅道路和右幅道路的宽度。

在本发明的一个实施例中，所述S1.1包括：

数据提取开始，读取到组码0，检索组码0的关联值是否为多段线图元，若不是，直接读至下一组码0；若是，读取组码10和组码20的关联关系，作为端点的x，y坐标值进行保存，其中，组码0表示图元类型，组码10表示端点的x轴坐标值，组码20表示端点的y轴坐标值；

随后，判断是否存在组码42，若不存在，直接读至下一组码0；若存在，读取组码42的关联值作为凸度值，根据端点位置进行圆弧插值处理，并将插值后的端点坐标x，y进行保存；当前操作完成后，继续读至下一组码0，判断关联值是否为实体段，若是，则判断结束，其中，组码42表示凸度值。

在本发明的一个实施例中，所述S2包括：

S2.1：获取道路里程桩号的位置以及与道路顶点之间的距离，并获取与当前道路里程桩号最短距离对应的道路顶点；

S2.2：判断所述最短距离是否小于设置的阈值，若小于，则将当前道路里程桩号的值赋予距离最短的道路顶点，否则，将当前道路里程桩号设为无效桩号；

S2.3：获得每个道路顶点对应的高程数据。

在本发明的一个实施例中，所述S3包括：

S3.1：根据CAD图纸解析算法提取道路横断面上的关键点信息，并基于道路的横向约束规则对所述关键点信息进行位置更新，所述关键点信息包括道路宽度、形状和坡度；

S3.2：通过交互式方式对单条道路的不同片段指定对应的横向约束规则；

S3.3：沿道路中线顶点依次计算对应的横向关键点位置坐标，并按照关键点对应关系从左至右依次构建对应的三维道路结构；

S3.4：将二维图元中的道路纹路信息映射至所述三维道路结构；

S3.5：使用NURBS曲线对横向关键点之间的位置差异进行插值平滑处理，并通过多点反算及横向约束规则中的横向关键点对应关系构建三维道路拼接结构。

在本发明的一个实施例中，所述S4包括：

S4.1：基于所述三维道路拼接结构，采用节点划分优化方式判断并确定道路交叉段的交点位置；

S4.2：根据待建交叉路口的交点集合，利用角度约束的凸包简化方法获得路口轮廓；

S4.3：根据道路交叉段的交点位置获取交点所属路线索引，对路线交叉段结构进行拆分处理，在边线重采样基础上建立中点和边点的对应关系，获得交叉路口轮廓；

S4.4：基于获得的交叉路口轮廓完成路口模型的重建，进而获得CAD道路重建模型。

在本发明的一个实施例中，所述S4.1包括：

依次通过平行判断、异面判断和直线交点计算判断所述三维道路拼接结构中的多段线是否相交，若相交，通过节点划分方式设计节点属性以减少线段相交判断次数，进而获得道路交叉段的交点位置。

在本发明的一个实施例中，所述S5包括：

S5.1：利用倾斜摄影建模方式获得道路的三维点云数据，构建倾斜摄影实景三维模型；

S5.2：将所述CAD道路重建模型与所述倾斜摄影实景三维模型进行融合，获得道路三维模型；

S5.3：根据施工进度数据将道路和地形实体的状态动态映射至所述道路三维模型。

在本发明的一个实施例中，所述S5.2包括：

使用中值骨架提取算法，对所述倾斜摄影实景三维模型与所述CAD道路重建模型采样后的结果进行骨架点集的提取；

根据骨架点集获取所述倾斜摄影实景三维模型和所述CAD道路重建模型对应的法向量信息，进而获得所述倾斜摄影实景三维模型和所述CAD道路重建模型的骨架点法向量；

采用ICP算法计算所述倾斜摄影实景三维模型与所述CAD道路重建模型间的变换矩阵，以实现所述倾斜摄影实景三维模型与所述CAD道路重建模型的融合。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的基于CAD图纸的道路参数化建模方法，在不借助第三方软件的前提下，通过纯技术手段，实现CAD图纸数据到可视化三维模型的参数化转换。将需要大量人力在非国产建模软件上重复繁琐的人工过程完全释放，通过参数化的设置，实现道路三维模型的一键生成，解放了人力，提高了工作效率，提供了道路建模过程国产化的手段。

2、本发明基于道路CAD图纸数据重建三维道路模型，并融合当前道路在实际施工环节中获取的倾斜摄影数据，结合施工进度数据构建了面向道路场景的数字孪生模型。该模型能够增强设计成果对比的直观性，降低项目参与方间的信息交流成本，进而根据施工情况做出合理决策，具有重要的现实意义。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于CAD图纸的道路参数化建模方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种多段线图元提取流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种道路结构示意图；

图4是本发明实施例提供的道路建模中所需的部分纹理图片；

图5是本发明实施例提供的一种道路纹理映射效果示意图；

图6是本发明实施例提供的NUBRS曲线插值后拼接效果示意图；

图7是本发明实施例提供的一种节点划分示意图；

图8是本发明实施例提供的一种交叉路口拆分和边线重采样过程示意图；

图9是本发明实施例提供的骨架提取效果示意图；

图10是本发明实施例提供的一种骨架点法向量可视化示意图；

图11是本发明实施例提供的一种CAD重建模型与倾斜摄影模型的融合场景图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于CAD图纸的道路参数化建模方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于CAD图纸的道路参数化建模方法的流程图。该道路参数化建模方法包括如下步骤：

S1：CAD图纸中路线数据提取及预处理。提取CAD图纸中DXF格式(图形交换格式)道路关键点数据，合并路线数据，完成图纸数据预处理。

S1.1：根据道路CAD图纸中路线的多段线图元的组码及关联值提取多段线的端点坐标数据。

路线数据是重建道路模型的基础，道路CAD图纸中通过直线与圆曲线的衔接表达了道路路线的走向及位置。道路平面图中路线以多段线的形式进行保存，多段线由内部有序的一系列端点构成，根据多段线图元的组码及关联值可提取出多段线端点坐标数据。多段线图元提取流程如图2所示，假如：组码为10的关联值表示当前端点的x轴坐标值，组码为20的关联值表示该端点的y轴坐标值。数据提取开始，读取到组码0(0表示图元类型)，检索其关联值是否为多段线图元，若不是，直接读至下一组码0；若是，读取组码10(表示端点的x轴坐标值)和20(表示端点的y轴坐标值)的关联关系，作为端点的x，y轴坐标值进行保存。随后在此基础上判断是否存在组码42(42表示凸度值)，若不存在，直接读至下一组码0；若存在，读取关联值作为凸度值，根据端点位置进行圆弧插值处理，并将插值后的端点坐标x，y进行保存。该操作完成后，继续读至下一组码0，判断关联值是否为实体段，如果是，判断结束。

S1.2：通过凸度值、圆弧起始端点和圆弧终止端点计算多段线内的圆弧对应的圆心点坐标。

在CAD图纸中，多段线内的圆弧是以凸度的方式进行定义，凸度值在DXF格式的道路数据中的定义为圆弧圆心角的四分之一的正切值，通过凸度值、圆弧起始端点和终止端点可计算出圆弧对应的圆心点，由下式(1)计算出待求圆心坐标O(x₀，y₀)：

其中，A(x₁,y₁)为圆弧起始端点，B(x₂,y₂)为圆弧终止端点，b为凸度值。

S1.3：通过等距弧长插值方式依次计算多段线内的圆弧上对应位置的坐标，采用端点依次连接形成多段线的方式拟合出圆弧。

由于CAD图纸中多段线内圆弧与端点的定义形式不同，为了使提取的路线数据格式统一，通过等距弧长插值的方式依次计算圆弧上对应位置的坐标，采用端点依次连接形成多段线的方式拟合圆弧，下式(2)为插值点P_i(x_i,y_i)的坐标计算方法：

其中，θ₁表示圆弧起始端点相较于圆心的起始角度，θ₂表示结束端点相较于圆心的结束角度，l为设置的弧长采样间距，r表示圆弧半径。

S1.4：依据多段线间方向及端点位置进行多段线的合并，使得合并后的每条多段线均对应一条道路的中线或边线；

CAD图纸中存储的道路路线并非由连续且方向一致的多段线组成，因此需依据多段线间方向及端点位置进行多段线之间的合并。合并后的每条多段线都对应一条道路的中线或边线，根据多段线间起始端点位置及路线走向可将合并后的多段线划分为道路的左线、中线、右线。

S1.5：根据道路中多段线内端点的走向，获得道路对应的左侧边线顶点和右侧边线顶点的位置，根据中线顶点与对应的边线顶点间的距离计算获得对应的左幅道路和右幅道路的宽度。

具体地，道路的每条线各由一条完整的内部端点有序的多段线表示，根据道路中线内端点按照路线的走向，计算其对应的左侧边线顶点和右侧边线顶点的位置，从而对边线进行重采样处理。边线重采样处理后中线顶点与边线顶点一一对应，可以根据中线顶点与对应的边线顶点间的距离计算出对应的左幅道路和右幅道路的宽度。

S2：在道路CAD图纸上提取道路顶点的里程桩号及高程数据，完成道路顶点数据预处理。

道路里程桩号是定位道路沿线技术属性的重要依据，也是路线图与高程图的共有元素，根据道路里程桩号结合纵断面图纸能够有效计算出相应桩号处道路的高程。尽管桩号图元与路线图元都存在于路线图中，但两者皆为离散的图元，需根据桩号图元的位置将桩号值赋予给对应道路顶点。

具体地，本实施例的步骤S2具体包括：

S2.1：获取道路里程桩号的位置以及与每个道路顶点之间的距离，并获取与当前道路里程桩号最短距离对应的道路顶点；

S2.2：判断该最短距离是否小于设置的阈值，若小于，则将当前道路里程桩号的值赋予距离最短的道路顶点，否则，将当前道路里程桩号设为无效桩号，阈值设置与对应的CAD图纸绘制标准相关，本实施例将阈值设置为0.05m。

S2.3：获得每个道路顶点对应的高程数据。

高程数据通过一系列的方式进行提取，结果为四元组集合，四元组内部依次为里程桩值、设计高程、地面高程和填挖高度值。并且四元组集合以里程桩号值从小到大的顺序依次存储。

道路顶点Pi对应的设计高程值Z_i的计算公式如下：

其中，f_i为道路顶点Pi对应的里程桩号值，G_k＝{a_k,b_k,c_k,d_k}为道路顶点Pi根据f_i遍历获取的前序最近四元组，即以里程桩号值从小到大的顺序排列的前一个最近的四元组，a_k,b_k,c_k,d_k分别表示前序最近四元组的里程桩号值、地面高程值、设计高程值和填挖高度值；G_j＝{a_j,b_j,c_j,d_j}为f_i对应的后序最近四元组，即以里程桩号值从小到大的顺序排列的后一个最近的四元组，a_j为后序最近四元组中的里程桩号值，c_j为后序最近四元组中的设计高程值。

S3：非交叉段道路参数化建模。通过道路横向关键点、横向约束交互式设置、道路结构构建、纹理映射以及道路拼接结构构建，进行非交叉段道路参数化重建。

本实施例的步骤S3具体包括：

S3.1：根据CAD图纸解析算法提取道路横断面上的关键点信息，并基于道路的横向约束规则对关键点信息进行位置更新，该关键点信息包括道路宽度、形状和坡度。

道路横断面是指道路中线上任意一点的法向切面，其包括道路宽度、形状、坡度，以及车道、路肩、隔离带、人行道等道路横向构成的局部位置和组成宽度，是由设计人员根据道路用途，结合地形、地质、水文等多种条件的设计结果。

根据CAD图纸解析算法提取出上述关键点信息集合，并指定该横向约束规则中对应的道路中心点p_c，对上述关键点信息集合根据中心点p_c由下式进行位置更新，横向约束规则指道路设计中的一些规则，比如，城市道路横坡应控制在2％以内，农村道路横坡应控制在4％以内。其中，p'_i为更新后的第i个关键点的位置坐标：

p'_i＝p_i-p_c＝(x_i-x_c,y_i-y_c) (4)

其中，x_c，y_c分别表示道路中心点p_c的位置坐标，x_i，y_i分别表示道路关键点p_i的位置坐标。

进一步地，道路横向各构成的宽度并非一成不变，其根据实际的地形、弯道区域等情况进行了细微的修改，本发明通过在横向约束规则中设置比例系数s来使得各横向构成随道路宽度等比例变化。

S3.2：通过交互式方式对单条道路的不同片段指定对应的横向约束规则。

道路在不同片段的道路组成是不同的，这类变化可以通过分别设计横断面来实现，即一条道路在不同片段会存在不同类型的横向约束规则，本发明通过交互式的方式对单条道路的不同片段指定对应的横向约束规则。具体实现过程基于OpenGL完成对三维道路模型的渲染，根据当前视口的变换矩阵、相机位置计算当前屏幕点对应的三维道路顶点。

S3.3：沿道路中线顶点依次计算对应的横向关键点位置坐标，并按照关键点对应关系从左至右依次构建对应的三维道路结构。

横断面为道路中点的法向切面，若仅将横向约束规则中关键点平移至道路中点，无法保证构建的道路横断面与道路中线走向垂直，因此需要根据当前中线顶点的前进方向及横断面法向量计算变换矩阵对横断面关键点进行坐标变换，使得构建的道路结构符合真实道路结构。

由横向约束规则可提取对应的关键点坐标信息。通过一系列的计算，指定道路各片段的横向约束规则，因此在道路片段内部，其横向端点数量相同且一一对应。如图3所示，沿中线顶点依次计算对应的横向关键点位置坐标，并按照关键点对应关系从左至右依次构建对应的三位道路结构。

S3.4：将二维图元中的道路纹路信息映射至三维道路结构。

纹理映射是将二维图元的信息(如颜色、亮度等)映射至三维道路结构表面的过程，以达到增强模型真实感、完善模型细节的效果。请参见图4，图4是本发明实施例提供的道路建模中所需的部分纹理图片。

具体地，通过横向约束的关键点构建三维道路结构，确定各道路结构与实际道路的各组成成分的对应关系，从而确定其对应纹理坐标。最终通过对道路各结构的顶点进行纹理坐标计算，结合设置的纹理对象对各结构进行纹理映射，道路纹理映射结果如图5所示。

S3.5：使用NURBS曲线对横向关键点之间的位置差异进行插值平滑处理，并通过多点反算及横向约束规则中的横向关键点对应关系构建三维道路拼接结构。

具体地，一条道路在内部不同片段存在多种不同的横向约束规则，不同的横向约束规则中端点数量或位置可能存在差异。本发明通过道路中线顶点集合和横向约束规则等确定横向约束间构建点位置。并使用NURBS(Non Uniform Rational B-spline，非均匀有理B样条曲线)曲线对关键点之间的位置差异进行插值平滑处理，通过多点反算以及横向约束规则中的关键点对应关系构建出三维道路拼接结构，如图6所示。

S4：交叉路口参数化重建。在道路参数化建模基础上，通过路***叉点计算、路口凸包简化、路线二次处理、交点属性设计、路口重建实现交叉段道路的交叉路口参数化重建，进而获得CAD道路重建模型。

本实施例的步骤S4具体包括：

S4.1：基于所述三维道路拼接结构，采用节点划分优化方式判断并确定道路交叉段的交点位置。

依次通过平行判断、异面判断和直线交点计算判断所整合的三维道路拼接结构中的多段线是否相交，若相交，通过节点划分方式设计节点属性以减少线段相交判断次数，进而获得道路交叉段的交点位置。

经上述整合处理后的三维道路拼接结构为内部有序的三维端点集合构成的多段线，计算路线交点可以转换为计算两条多段线内两两端点所构线段的交点。在三维空间内，若两线段存在交点，则两线段所属直线不平行且共面。依次通过平行判断、异面判断和直线交点计算可对两条线段是否相交进行判断，随后计算交点位置；再通过节点划分的方式设计节点属性，减少线段相交判断次数，提高计算效率。

具体地，依次对所有多段线两两端点间构成的线段进行相交判断计算代价较大，本实施例采用节点划分方式将道路空间划分为一系列的正方形区域节点，并设计节点属性，通过设计节点属性，减少线段相交判断的次数，提高计算效率。节点属性包括通过当前节点的路线数量count和二元组集合L。每个二元组定义为<i,j>，i表示当前节点内顶点所在路线的索引，j表示顶点索引。当路线顶点位置在该节点平面范围内时，将路线顶点对应的顶点索引及所属路线索引构建的二元组放至当前节点的二元组集合L中，并根据L判断是否更新count。

请参见图7，图7是本发明实施例提供的一种节点划分示意图。如图7(a)所示，大部分节点区域不包含道路顶点或只包含一条道路中线、边线的顶点，不需要进行平行判断、异面判断、交点计算步骤。在两条或两条以上的道路顶点经过的节点中，由于其节点内的二元组集合记录了经过其空间的顶点及其所属道路索引，只需对count≥2的节点进行交点计算即可。为避免两相交道路顶点横跨多个节点，将存在多条道路通过的节点与其周围节点进行融合，如图7(c)所示，对融合区域内的线段依次进行交点位置计算，由于节点融合后存在重复计算同一交点的情况，再对交点根据坐标进行去重处理，将去重后的交点放至交点集合Q中。

S4.2：根据待建交叉路口的交点集合Q，利用角度约束的凸包简化方法计算出路口轮廓。

以十字型交叉路口为例，路口的构成元素与相交道路种类相关，且交叉路口的轮廓决定了路口构成元素的属性，交叉路口的交点决定了路口构成元素的位置。因此，若要重建交叉路口轮廓，首先需获取待建交叉路口的交点集合，并根据交点集合计算出路口轮廓。对于一个确定的点集，凸包就是由点集内部某些点构成的一个子集，根据该子集点可构建一个凸多边形，凸多边形完全包围点集中的所有点。

本发明引入角度约束的凸包简化方法构建道路轮廓。具体地，(1)按照凸包点集(即道路交叉路口的交点集合构成一个凸包点集)顺序，依次计算相邻两线段间角度；(2)若相邻两线段间角度小于预设角度阈值T，则将两线段间的共同点视为非路口轮廓点，从凸包点集中移除；(3)重复上述过程，直至所有相邻两线段间角度都大于预设角度阈值T；(4)将简化后的凸包点集构成的凸包作为道路轮廓。

S4.3：根据道路交叉段的交点位置获取交点所属路线索引，对路线交叉段结构进行拆分处理，在边线重采样基础上建立中点、边点的对应关系，获得交叉路口的轮廓。

道路交叉段与非交叉段结构上不同，非交叉段的道路是由路线顶点按照多段线内顶点顺序依次构建道路结构。本发明根据道路交叉段的交点位置获取交点所属路线索引，通过二次处理方式对路线结构进行拆分处理。再在边线重采样基础上建立中点、边点的对应关系，计算出路口的轮廓。

二次处理方式的具体过程为：根据交点位置获取交点所属路线索引，假设原路线内与交点距离最近的道路顶点P_i,j，其定义为第i条路线的第j个顶点，将该顶点替换为交点位置，并设置该顶点的交叉标志为true。若找到的最近顶点交叉属性已设置为true，则在路线内***新的顶点，判断该交点是否属于P_i,j-1,P_i,j构成的线段内，若属于则将该顶点***至第j-1处，j-1及之后的道路顶点依次顺延。否则将该顶点***至第j+1处，j+1处及之后顶点依次顺延。重复上述步骤，将所有交点替换或***至原路线点，将路线根据路线顶点的交叉属性对原路线进行拆分处理。

请参见图8，图8是本发明实施例提供的一种交叉路口拆分和边线重采样过程示意图，两条道路的中线、边线相交，将原路线按交点位置进行拆分，并将离交点最近的路线顶点位置进行替换，原始的两条道路根据交点位置拆分为四条。根据交点位置进行拆分后的道路路线由于进行了顶点的替换或***操作，中线顶点与边线顶点一一对应关系被破坏，因此进行边线重采样处理，重新建立中点、边点的一一对应关系。

S4.4：基于获得的交叉路口轮廓完成路口模型的重建，进而获得CAD道路重建模型。

以十字型交叉路口为例，根据计算出的路口凸包轮廓，根据路口各结构与凸包、交点的位置关系，共同决定路口各结构的构建规则。通过圆弧拟合方法等对采样点构建的三角面片拟合。构建出路口的道路交叉结构，转角拟合结构，以及对相交道路的起始/终点处道路的纹理进行自动替换，最终完成路口模型重建。

S5：将所述CAD道路重建模型与道路的倾斜摄影实景三维模型进行融合，以展示施工进度，完成基于三维模型道路设计状态与实际地形和建设情况的动态映射。

具体地，本实施例的步骤S5包括：

S5.1：利用倾斜摄影建模方式获得道路的三维点云数据，构建倾斜摄影实景三维模型。

数字孪生模型是以数字化的方式创建物理实体的虚拟模型，提供了一种模拟、预测和优化物理***和流程的手段，结合多源数据，可以实现数据驱动的业务检查和优化。倾斜摄影技术通过从多个垂直、倾斜视角同步采集影像，能够获取丰富的建筑物顶部及侧方的高分辨率纹理。

倾斜摄影建模的关键处理流程包含：多视影像预处理、特征提取、区域网联合平差、多视影像匹配、纹理映射。基于上述步骤产生的高密度三维点云数据构建不规则三角网模型，并利用模型面片法线与二维图像间的角度关系确定合适的纹理影像，计算面片与纹理影像区域的几何对应关系，实现TIN(triangulated irregular network，不规则三角网)模型的自动纹理关联，构建出倾斜摄影实景三维模型。

S5.2：将CAD道路重建模型与倾斜摄影实景三维模型进行融合，获得道路三维模型。

倾斜摄影实景三维模型中包含有道路、房屋、树木等多种地物信息，且其几何特性与结构差异较大，本发明实施例使用对异常值及噪声值具有鲁棒性的中值骨架提取算法，对倾斜摄影实景三维模型与CAD道路重建模型采样后的结果进行骨架点集的提取，如图9所示。

随后，根据骨架点集获取倾斜摄影实景三维模型和CAD道路重建模型对应的法向量信息，解决骨架点横向信息缺乏或者无发对齐等问题。通过一系列过程计算出的CAD重建模型与倾斜摄影模型骨架点法向量，效果如图10所示。

最后，由于CAD重建模型与倾斜摄影模型坐标系不同，本发明实施例采用迭代最近点(Iterative Closest Point,ICP)算法计算倾斜摄影实景三维模型与CAD道路重建模型间的变换矩阵，使得倾斜摄影模型能够正确加载至对应的CAD重建模型片段，实现二者模型融合。根据ICP计算出的变换矩阵使得倾斜摄影模型能够正确加载至对应的道路模型片段实现模型融合，融合模型如图11所示。

S5.3：根据施工进度数据动态地将道路和地形实体的状态映射至道路三维模型。

道路空间延伸距离远、目标场景范围大，导致项目建设周期较长。本发明结合数字孪生思想，将地形与道路作为物理实体，参数化重建的三维道路模型及地形作为数字模型，根据进度数据动态地将道路、地形实体的状态映射至三维模型，更加直观的显示随施工进度数据道路及地形的变化过程。

本发明实施例通过各阶段的横断面及参数配置，设置其横向约束规则，由横向约束规则生成对应道路结构及纹理映射；再通过Delunay(德洛内三角网，任意四点不共圆的三角网)三角网构建的TIN模型作为地形模型，使用逐点***的Lawson算法(三角剖分算法，一种三角网格生成算法)构建三角网，生成道路区域的地形效果。

具体地，通过逐点***的Lawson算法构建三角网，最终生成地形模型的过程，其基本步骤如下：

(1)在高程数据里提取与道路边线及顶点相关的采样点，首先构建一个能够包含所有采样点的初始多边形，对初始多边形建立初始三角网；

(2)将采样点P依次加入，在三角网中找到包含P点的三角形t，将P点与t的三个顶点相连，生成三个新的三角形；

(3)利用LOP(Local Optimization Procedure，局部优化过程)算法优化三角网；

(4)重复(2)(3)步骤，直至所有采样点都被处理；

(5)若初始多边形的顶点不属于原始采样点集，则移除三角网中该顶点对应的三角形。

经上述步骤根据投影后的采样点及道路顶点集合构建二维Delaunay三角网，将投影后的三角网顶点结合原顶点高程数据值，使得构建的二维三角网转换为三维地形效果。

本发明提供的基于CAD图纸的道路参数化建模方法，在不借助第三方软件的前提下，通过纯技术手段，实现CAD图纸数据到可视化三维模型的参数化转换。将需要大量人力在非国产建模软件上重复繁琐的人工过程完全释放，通过参数化的设置，实现道路三维模型的一键生成，解放了人力，提高了工作效率，提供了道路建模过程国产化的手段。本发明基于道路CAD图纸数据重建三维道路模型，并融合当前道路在实际施工环节中获取的倾斜摄影数据，结合施工进度数据构建了面向道路场景的数字孪生模型。该模型能够增强设计成果对比的直观性，降低项目参与方间的信息交流成本，进而根据施工情况做出合理决策，具有重要的现实意义。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于CAD图纸的道路参数化建模方法，其特征在于，包括：

S1：在道路CAD图纸上提取DXF格式的道路关键点数据，合并路线数据；

S2：在道路CAD图纸上提取道路顶点的里程桩号和高程数据；

S3：通过道路横向关键点、横向约束交互式设置、道路结构构建、纹理映射以及道路拼接结构构建，完成非交叉段道路参数化重建；

S4：进行交叉段道路的交叉路口参数化重建，获得CAD道路重建模型；

S5：将所述CAD道路重建模型与道路的倾斜摄影实景三维模型进行融合，以展示施工进度，完成基于三维模型道路设计状态与实际地形和建设情况的动态映射；

所述S3包括：

S3.1：根据CAD图纸解析算法提取道路横断面上的关键点信息，并基于道路的横向约束规则对所述关键点信息进行位置更新，所述关键点信息包括道路宽度、形状和坡度；

S3.2：通过交互式方式对单条道路的不同片段指定对应的横向约束规则；

S3.3：沿道路中线顶点依次计算对应的横向关键点位置坐标，并按照关键点对应关系从左至右依次构建对应的三维道路结构；

S3.4：将二维图元中的道路纹路信息映射至所述三维道路结构；

S3.5：使用NURBS曲线对横向关键点之间的位置差异进行插值平滑处理，并通过多点反算及横向约束规则中的横向关键点对应关系构建三维道路拼接结构；

所述S4包括：

S4.1：基于所述三维道路拼接结构，采用节点划分优化方式判断并确定道路交叉段的交点位置；

S4.2：根据待建交叉路口的交点集合，利用角度约束的凸包简化方法获得路口轮廓；

S4.3：根据道路交叉段的交点位置获取交点所属路线索引，对路线交叉段结构进行拆分处理，在边线重采样基础上建立中点和边点的对应关系，获得交叉路口轮廓；

S4.4：基于获得的交叉路口轮廓完成路口模型的重建，进而获得CAD道路重建模型。

2.根据权利要求1所述的基于CAD图纸的道路参数化建模方法，其特征在于，所述S1包括：

S1.1：根据道路CAD图纸中路线的多段线图元的组码及关联值，提取多段线的端点坐标数据；

S1.2：通过凸度值、圆弧起始端点和圆弧终止端点计算多段线内的圆弧对应的圆心点坐标；

S1.3：通过等距弧长插值方式依次计算多段线内的圆弧上对应位置的坐标，采用端点依次连接形成多段线的方式拟合出圆弧；

S1.4：依据多段线间方向及端点位置进行多段线的合并，使得合并后的每条多段线均对应一条道路的中线或边线；

S1.5：根据道路中多段线内端点的走向，获得道路左侧边线顶点和右侧边线顶点的位置，根据中线顶点与对应的边线顶点间的距离获得左幅道路和右幅道路的宽度。

3.根据权利要求2所述的基于CAD图纸的道路参数化建模方法，其特征在于，所述S1.1包括：

数据提取开始，读取到组码0，检索组码0的关联值是否为多段线图元，若不是，直接读至下一组码0；若是，读取组码10和组码20的关联关系，作为端点的x，y坐标值进行保存，其中，组码0表示图元类型，组码10表示端点的x轴坐标值，组码20表示端点的y轴坐标值；

随后，判断是否存在组码42，若不存在，直接读至下一组码0；若存在，读取组码42的关联值作为凸度值，根据端点位置进行圆弧插值处理，并将插值后的端点坐标x，y进行保存；当前操作完成后，继续读至下一组码0，判断关联值是否为实体段，若是，则判断结束，其中，组码42表示凸度值。

4.根据权利要求1所述的基于CAD图纸的道路参数化建模方法，其特征在于，所述S2包括：

S2.1：获取道路里程桩号的位置以及与道路顶点之间的距离，并获取与当前道路里程桩号最短距离对应的道路顶点；

S2.2：判断所述最短距离是否小于设置的阈值，若小于，则将当前道路里程桩号的值赋予距离最短的道路顶点，否则，将当前道路里程桩号设为无效桩号；

S2.3：获得每个道路顶点对应的高程数据。

5.根据权利要求1所述的基于CAD图纸的道路参数化建模方法，其特征在于，所述S4.1包括：

依次通过平行判断、异面判断和直线交点计算判断所述三维道路拼接结构中的多段线是否相交，若相交，通过节点划分方式设计节点属性以减少线段相交判断次数，进而获得道路交叉段的交点位置。

6.根据权利要求5所述的基于CAD图纸的道路参数化建模方法，其特征在于，所述S5包括：

S5.1：利用倾斜摄影建模方式获得道路的三维点云数据，构建倾斜摄影实景三维模型；

S5.2：将所述CAD道路重建模型与所述倾斜摄影实景三维模型进行融合，获得道路三维模型；

S5.3：根据施工进度数据将道路和地形实体的状态动态映射至所述道路三维模型。

7.根据权利要求6所述的基于CAD图纸的道路参数化建模方法，其特征在于，所述S5.2包括：

使用中值骨架提取算法，对所述倾斜摄影实景三维模型与所述CAD道路重建模型采样后的结果进行骨架点集的提取；

根据骨架点集获取所述倾斜摄影实景三维模型和所述CAD道路重建模型对应的法向量信息，进而获得所述倾斜摄影实景三维模型和所述CAD道路重建模型的骨架点法向量；

采用ICP算法计算所述倾斜摄影实景三维模型与所述CAD道路重建模型间的变换矩阵，以实现所述倾斜摄影实景三维模型与所述CAD道路重建模型的融合。