基于遥感信息的选线系统地理环境建模方法及应用研究

论文摘要

根据中国铁路中长期发展规划,到2020年,中国将建成2万多公里高速客运专线和城际铁路。高速铁路和城际铁路经行地区经济发达,城镇密布,并且铁路沿线地理环境和地质环境均较复杂,选线设计更注重环境选线、景观选线和地质选线。传统的等高线地形图模型已不能满足高速铁路和城际铁路的选线需求。将遥感技术、数字摄影测量技术、虚拟现实技术、数字地质技术综合相集成,建立一个能够同时满足地质选线和环境选线要求的三维可视化选线地理模型,让工程师在一个逼真显示的三维可视化地理环境中进行选线方案设计与决策,不仅是铁路勘测设计一体化、智能化研究领域亟待解决的课题,更是现代铁路设计的需求。基于这一思想,本文以“基于遥感信息的选线系统三维地理环境建模方法和应用”为主题,对其中的所涉及的理论方法和关键技术进行了研究,从建模方法和算法方面提出了一整套方法并予以实现。主要研究内容及研究结果如下:1.针对铁路选线带状大范围地形的特点,以航测、卫星遥感为数据源,以全数字摄影测量系统为工具,采用于数字地形分幅采集方法,以获取铁路强带状地形特点的地形数据,能够最大程度的减少构建三维地形时的数据冗余。对采集的地形数据,提出基于改进坡度RMSE与三维可视化联合的粗差检测与剔除方法,实现了对DEM粗差有效的检测与剔除,保证三维地理环境的建模精度。2.提出矢栅一体化的选线系统三维地质环境建模方法。首次将地质对象遥感解译影像应用于铁路选线系统。根据选线系统地理环境特点,提出地质对象文化特征概念,以地质对象的名称和ID标识号作为其文化特征,将文化特征作为地质对象特殊的矢量数据,按照准确地理位置叠加到地质对象的矢量三维目标上,实现地质对象在三维地理环境中的定位和计算机内部的有效识别。基于TIN模型、约束TIN模型实现地质对象的遥感解译影像在三维空间的准确定位,以遥感解译影像直接表达地质信息。为地质对象建立矢量、栅格影像同时存在的表达和描述模式,在此基础上建立了直观的三维地质环境。3.提出基于超地图模型的选线系统信息管理和组织方法。基于遥感正射影像图的影像环境,首次将超地图概念引入到铁路选线系统,建立了基于地理信息、地质、水文信息、地质知识的选线超地图模型。实现基于超目录结构模型对这些信息之间关系的非线性存储、组织、管理和浏览。为选线工程师提供图文并茂的地质、地理和地质知识环境。4.提出基于多子库铁路工程地质信息库建模方法。根据选线设计涉及的地质条件的多样性,将不同类型地质对象进行分类和标引,在地质知识表示方法上,提出基于三维可视化的用户外部知识表示方法。针对选线地质知识涉及的不同地理环境,构建了河谷、冻土、风沙地区等各类三维地理环境,并在该环境中表达知识,实现知识的三维可视化表示。为选线工程师提供三维可视的铁路工程地质知识环境。针对选线设计的复杂性,以认知心理学为依据,提出基于案例推理的知识应用方法。5.探索了基于逼真显示的三维地理环境的地质选线技术。采用三维目标与信息数据库相连接技术,解决在三维环境中直接进行选线设计的技术问题,包括在逼真显示的三维地理环境中线路局部走向选择,基于遥感地质影像环境的不良地质区域选线方法等。根据线路穿越的不良地质对象的类型和位置,实现系统自动从知识库中提取选线地质知识,并给出选线建议,以指导选线工程师在不良地质区域的选线设计。根据山区等地形地质复杂地区的选线设计特点,从地质选线角度,提出直接根据方案的设计信息获取方案评价指标值的思想,建立了基于三维地理环境的复杂地质区域线路方案评价模型,解决线路多方案的比选问题。6.综合应用三维空间观察原理、真实感图形绘制技术、计算机动画、虚拟现实等技术,以OpenGL图形库和VC++6.0为开发工具,实现了线路三维场景的实时动态显示。并与正射和透视两种模式设计相结合,使得三维可视化技术不仅用于设计成果的直观表达,而且融入整个设计过程中,从而实现本文提出的三维虚拟环境下的选线设计思想。7.基于所提出的理论方法,研制了一个选线地理环境建模平台。该平台实现本文提出的基于航测和卫星信息的三维可视化选线地理环境模和应用技术。并用实例对系统的主要功能进行了测试。验证和测试结果表明,本文提出的建模方法和应用技术是切实可行的。基于本文提出的方法所建立的原型系统,可较容易的开发实用的集遥感技术、虚拟现实技术、数字地质技术、空间数据库等技术的三维可视化选线系统。本文的研究虽然是针对铁路选线设计问题进行的,其研究成果可直接应用于公路路线系统的设计研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究目的及意义
• 1.3 研究背景
• 1.4 计算机辅助线路设计的研究与发展概况
• 1.4.1 国外的研究与应用概况
• 1.4.2 国内线路计算机辅助设计研究概况
• 1.4.3 铁路选线CAD的发展趋势
• 1.5 航测遥感技术在选线中的研究、发展与应用概况
• 1.5.1 航测遥感技术的发展及应用现状
• 1.5.2 铁路航测遥感技术发展和应用概况
• 1.5.3 国外航测遥感技术在选线设计中的应用
• 1.5.4 国内航测遥感技术在选线设计的应用
• 1.5.5 航测遥感技术在铁路选线设计中的应用展望
• 1.5.6 基于航测遥感技术的铁路选线系统研究概况
• 1.6 数字摄影测量发展与在铁路勘测设计中的应用
• 1.6.1 数字摄影测量发展概况
• 1.6.2 在铁路勘测设计中的应用
• 1.7 主要研究内容
• 1.8 论文结构
• 第二章 基于航测、卫星遥感的选线地理信息获取
• 2.1 选线系统地形环境信息获取
• 2.1.1 数据获取方法
• 2.1.2 数据预处理—DEM的粗差剔除
• 2.2 数字化地质信息获取与建模
• 2.2.1 遥感影像数据源与影像处理方法
• 2.2.2 矢量化遥感地质信息获取
• 2.2.3 栅格遥感解译影像的获取
• 2.2.4 数字化非遥感地质信息获取
• 2.2.5 数字地质对象建模方法
• 2.3 虚拟环境选线系统的数字地质技术
• 2.3.1 数字地质技术概念
• 2.3.2 数字地质技术主要内容
• 2.4 本章小节
• 第三章 选线系统三维地理环境建模
• 3.1 引言
• 3.2 三维地形环境建模
• 3.2.1 数字地形模型
• 3.2.2 建模算法分析
• 3.2.3 建模算法描述
• 3.2.4 模型数据组织与管理算法
• 3.2.5 模型场景管理
• 3.3 三维地质环境建模
• 3.3.1 建模基本思路
• 3.3.2 矢量化建模方法
• 3.3.3 栅格化建模方法
• 3.4 三维地理环境超地图模型
• 3.4.1 超地图概念
• 3.4.2 三维选线环境超地图模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 遥感地质信息系统与地质知识库建模
• 4.1 遥感地质信息系统建模
• 4.1.1 建立遥感地质信息系统的意义和必要性
• 4.1.2 系统功能与系统结构
• 4.1.3 系统管理内容和数据组织
• 4.2 基于LM神经网络的工程地质综合评价预测模型
• 4.2.1 BP神经网络概述
• 4.2.2 改进BP算法-LM算法
• 4.2.3 LM神经网络模型建立
• 4.2.4 评价结果的三维可视化
• 4.3 地质知识库建模
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 知识库设计
• 4.3.3 地质知识获取
• 4.3.4 地质知识表示方法
• 4.3.5 知识库推理
• 4.4 本章小结
• 第五章 三维地质体建模与可视化
• 5.1 引言
• 5.2 建模数据模型与数据结构
• 5.2.1 工程地质三维数据模型概述
• 5.2.2 数据结构分析
• 5.2.3 广义三棱柱数据模型
• 5.2.4 数据的预处理
• 5.2.5 数据结构
• 5.3 三维地质体建模
• 5.3.1 地形表面建模
• 5.3.2 地下三维地质体建模
• 5.3.3 地质剖面图的生成
• 5.3.4 三维插值算法
• 5.3.5 GTP体元加密算法
• 5.4 基于虚拟钻孔的误差修正技术
• 5.4.1 建模误差分析
• 5.4.2 基于虚拟钻孔的误差修正
• 5.5 基于工程地质三维模型的分析及可视化技术
• 5.5.1 钻孔、钻孔间的剖面查询
• 5.5.2 虚拟钻探取芯
• 5.5.3 三维模型的可视化表达
• 5.6 本章小结
• 第六章 线路三维环境动态仿真实现技术
• 6.1 概述
• 6.2 三维线路模型
• 6.2.1 设计线的三维自动化建模
• 6.2.2 三维线路曲面模型
• 6.3 三维空间观察原理
• 6.3.1 观察坐标系
• 6.3.2 三维几何变换
• 6.3.3 三维对象投影变换
• 6.3.4 基于OpenGL实现动态三维漫游
• 6.4 线路真实感图形绘制理论与算法
• 6.4.1 消隐处理
• 6.4.2 光照模型
• 6.4.3 插值明暗处理技术
• 6.4.4 纹理映射
• 6.4.5 基于OpenGL实现真实感图形绘制
• 6.5 本章小结
• 第七章 基于虚拟环境遥感选线方法研究
• 7.1 虚拟环境遥感选线方法概述
• 7.2 基于三维环境线路局部走向选择方法
• 7.2.1 三维设计环境中的三维交互技术
• 7.2.2 基于三维地面模型初步估计线路通道
• 7.2.3 控制点的选定
• 7.2.4 三维线路空间平面位置的确定
• 7.2.5 走向方案合理性初查
• 7.2.6 平面方案的自动生成
• 7.2.7 横断面方案的自动生成
• 7.3 基于虚拟地理环境的遥感选线技术
• 7.3.1 概述
• 7.3.2 选线模型
• 7.3.3 选线模式
• 7.3.4 基于超地图模型的地质环境识别与选线应用技术
• 7.4 基于遥感影像叠加的不良地质区域选线方法
• 7.4.1 选线方法概述
• 7.4.2 崩塌地段选线
• 7.4.3 泥石流地段选线
• 7.4.4 滑坡地段选线
• 7.5 基于虚拟地理环境的复杂地质区域线路方案评价模型
• 7.5.1 引言
• 7.5.2 评价模型的层次结构
• 7.5.3 评价模型的指标分析和属性值量化
• 7.5.4 评价模型的实现
• 7.6 本章小节
• 第八章 研究方法的实现及验证
• 8.1 系统主要构成和功能
• 8.1.1 主要特点
• 8.1.2 运行环境
• 8.1.3 软件编制依据
• 8.1.4 系统结构
• 8.1.5 系统主要功能
• 8.2 实验验证
• 8.2.1 实验地区概况
• 8.2.2 三维地理环境建模的实验
• 8.2.3 实验区遥感地质解译成果
• 8.2.4 选线设计实验
• 8.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的主要论文情况
• 攻读博士学位期间完成的主要科研工作