第1章 绪论
1.1 铁路实体选线的含义
铁路选线作为铁路勘察设计中的龙头，是一项关系到全局的总体性工作，选线的质量直接影响着铁路工程的建设和线路运营的安全高效[1]。20世纪50年代以来，道路与铁路领域的专家与学者就开始探索用计算机辅助线路设计的理论与方法。我国“九五”期间，铁道部科技司推出“铁路勘测设计一体化、智能化研究”重点铁路科技攻关项目，以甩掉图板为目标，实现了勘察设计技术手段从传统的手工方法向计算机辅助绘图(computer aided drawing，CAD)技术的转变，线路设计进入基于数字线划图(digital line graphic，DLG)的二维CAD设计时代[2]。经过近20年的发展，虚拟现实技术、空间信息技术、建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术等高新信息技术推动了线路三维数字化设计技术的进步，选线设计正在由二维CAD设计向三维BIM正向设计转变。基于虚拟环境的铁路实体选线技术正是BIM时代线路勘察设计信息化发展的必然趋势。
虚拟环境或称虚拟现实(virtual reality，VR)[3]，是由计算机生成的，具有临场感觉的环境，工程意义上的虚拟环境是指以计算技术为核心，生成感知上与真实环境高度近似、交互上直观自然的数字化环境。
基于虚拟环境的铁路实体选线设计是指利用虚拟现实技术构建一个虚拟地理环境(virtual geographic environment，VGE)，对选线区域地形、地质、既有地物、植被等自然环境信息进行解释、集成、表达、三维可视化显示，选线工程师在该环境中充分利用专业领域知识对环境信息进行分析，采用实时布设结构物的方式，直接生成带状线路三维空间实体模型，基于三维模型进行线路方案设计、修改、比选和评价的选线方法和技术。相比传统选线设计，其主要有三个方面的变化：
(1)选线环境载体由数字线划图环境转变为虚拟地理环境。主要指利用虚拟现实技术在室内环境下模拟建立的集空间地理信息识别、处理、表达、分析于一体的真三维带状地理环境和工程地质环境。选线工程师可以在该环境中操作、控制环境中的虚拟对象，对复杂地理信息进行可视化和交互式处理，具有逼真显示、沉浸感、交互性和构想性等特点。
(2)选线设计过程由中心线设计转变为线路三维实体设计。铁路线路的本质就是三维空间的带状构造物实体，通过线路构造物实体实时自动化建模以及线路构造物模型与地理环境的快速融合，实现选线基于二维图形的设计转变为基于三维模型的设计。选线过程中通过自动拉坡、路桥隧自动分段、线路技术指标自动统计、模板预置、模型参数化、属性化、互关联等，实时构建参数化、轻量化的线路实体模型。选线工程师在三维可视化的地理环境中，快速对设计的线路实体方案与周边既有结构物的关系及与周围景观的融合程度进行动态观察，直接对线路实体方案进行构造物实时布设、工程量统计、造价概算、方案查看和修改等，实现所选即所见的目标。
(3)选线设计成果由输出二维图纸转变为输出三维模型。二维图纸作为设计院的主要产品，绘图在传统选线设计中占用了工程师绝大部分的时间。实体选线设计成果以线路实体信息模型(线路实体几何模型+线路属性信息)的方式存储及输出，二维透视图作为三维模型在各个剖面上的辅助产品，通过自动抽图、自动标注等技术实现，设计方案修改后图纸将实现“一键式”更新。
1.2 铁路三维环境建模研究的意义
截至2021年底，我国铁路营业里程达到15万km[4]，预计到2035年，将达到20万km[5]。面对快速发展的我国铁路，铁路选线设计仍将面临非常繁重的任务。采用基于虚拟环境的实体选线技术是提高选线设计效率和质量的重要途径。铁路三维环境建模作为开展实体选线
设计的关键环节，其研究的重要意义在于：
(1)铁路三维地理环境和三维地质环境是开展实体选线设计的载体，也是开发铁路三维数字化选线系统的基础。在三维环境下管理和分析地形、地质、地貌等自然信息，使得选线工程师、决策者在不同设计阶段能实现设计资源共享，直观浏览地理信息，实现测绘与设计专业的集成，提高工作效率，节约社会资源。
(2)线路实体建模将线路设计与虚拟现实技术有效结合，实现铁路线路三维可视化设计，使三维可视化技术不仅可用于设计成果的直观表达，而且能够融入整个设计过程中，对方便铁路设计方案的审查、缩短项目周期和成本、提高设计质量具有重要作用。
(3)三维运行仿真环境建模将铁路牵引计算和海量铁路三维场景建模与运动仿真技术相结合，在计算机上再现一个真实的铁路运行环境，实现列车在三维线路方案上的纵向可视化动态仿真运行，对评价和优化线路设计结果、科学管理分析、提高列车运行的安全性和可靠性以及优化列车运行控制策略等具有广泛的应用价值和重大的现实意义。
研究铁路三维环境建模技术对推进空间信息技术、VR技术和BIM技术在铁路勘测设计领域的应用，提高铁路选线设计质量和效率，推动线路BIM正向设计等具有重要的意义。
1.3 线路三维设计系统现状及发展
1.3.1 国外系统现状及发展
21世纪以来，欧美等发达国家的计算机辅助线路设计系统在原有的设计功能基础上，开始注重三维可视化设计技术的开发与应用。应用较成熟的系统有美国Bentley公司的Power Rail Track系统、AutoDesk公司的Civil 3D系统、德国CARD/1软件公司的KorFin系统、澳大利亚旷达公司的Quantm系统等[6-10]。
美国Bentley公司推出的Power Rail Track系统包含了数字地形模型创建以及线路三维设计功能，随后推出的OpenRoads ConceptStation和OpenRail Designer软件分别用于道路和轨道交通线路的三维概念设计。德国CARD/1软件公司开发的KorFin系统专门用于铁路、公路等线性工程的三维实时选线设计，该系统可在三维环境中进行线路模型的动态创建及相关计算，实时显示工程数量及造价等信息，进行线路三维方案漫游展示等。澳大利亚旷达公司推出的Quantm系统是一个结合了卫星图像技术、航测技术及计算机优化技术进行线路三维优化的规划辅助决策系统，可以将丰富的空间影像、工程、环境等数据集成对交通基础设施规划方案进行优化，从而大幅度降低工程的建设及运营费用，缩短线路规划时间，改善对环境的影响等[11]。AutoDesk公司也推出了三维线路概念设计软件Infraworks和道路三维深化设计软件Civil 3D。
这些系统基本上具备了良好的数字地形建模与处理功能、三维图形显示功能、针对本国技术标准体系的线路设计功能、一定的智能优化和平纵横联动设计功能等，但是存在标准体系不一致、成本较高、进行二次开发难以涉及内核等缺点，我国应该结合国内线路计算机辅助设计技术的发展，研发适合本国铁路标准体系的三维设计系统。
1.3.2 国内系统现状及发展
国内主要是各大铁路设计院和轨道交通院校相继研究推出的线路三维设计系统。
中铁勘察设计院集团有限公司研究的“基于真实感场景的线路协同设计平台”利用航摄资料建立真实三维地理场景，重现工程设计情况和周围三维地形信息，实现了地理环境三维建模、与基于AutoCAD的二维线路设计系统的协同设计、铁路三维动画等功能。
中铁二院工程集团有限责任公司与中南大学联合开发了针对预可行性研究阶段的“基于Google Earth的铁路三维空间选线系统”[12]。在Google Earth平台下实现了数字地形和影像等地理信息资源获取、平面定线、设计成果三维可视化展示等功能，详细的平、纵、横断面设计在传统AutoCAD平台下完成。
中国铁路设计集团有限公司以原铁道部重点实验室为主体，研究了“数字化三维协同设计系统”，解决了基于航测影像信息建立三维地理环境、铁路三维动画等问题，其成果应用于铁路勘察设计和铁路运营工务管理，取得了良好的社会和经济效益。
中铁第四勘察设计院集团有限公司基于航空摄影与遥感获取的数字高程模型(digital elevation model，DEM)、数字正射影像(digital orthophoto map，DOM)以及各种多源数据，利用虚拟现实技术，重建三维地形场景，提供立体选线平台，开发用于铁路线路设计(平面设计、纵断面设计、横断面设计)的矢量图形系统[13]。系统能够提供利于选线的大区域的三维立体实景，并对竣工后的线路进行三维建模及工程量预算、查询、统计、汇总。
此外，西南交通大学于20世纪末，在铁路建设领域最先将先进的虚拟环境建模理论和方法应用于铁路选线系统的研究，提出了虚拟环境选线设计系统的理念，并致力于虚拟环境选线系统的建模技术及其应用研究，研制了一个适用于铁路规划及前期研究阶段的虚拟环境选线系统，然后结合项目建立了适应于初步设计阶段的基于真实感地理环境的铁路数字化选线系统。
从目前的线路三维设计技术与系统研究分析看，主要实现集中在三维数字地形建模、线路中心线联动设计、平纵横设计成果三维可视化、线路三维漫游等方面，我国铁路领域尚未实现线路三维正向设计。
1.4 铁路三维环境建模方法分析及技术路线
1.4.1 建模方法分析
针对铁路三维环境的建模方法可以归纳为：基于商业软件手工建模[14，15]、基于软件开发工具包(software development kit，SDK)进行二次开发建模[16-19]和基于底层图形引擎进行专门研发建模[20，21]三类。
(1)基于商业软件手工建模，无论是采用AutoCAD、3ds Max、Maya、SketchUp、ProE等还是现在的BIM软件Revit、OpenRail Designer、Catia等，其建立几何模型的原理类似，都是通过点、线、面或构件进行几何造型的过程。该方法具有工作量大、重复劳动的特点，难以支持海量数据的铁路环境建模，并且每次当铁路三维场景改变时，还需要重新组织建模。手动建模方法适合于构建铁路标准构件三维模型，形成基础单元模型。
(2)基于软件开发工具包进行二次开发建模，是我国铁路三维设计中应用较为广泛的方法，一般针对一个或一套软件系统进行二次开发实现铁路三维建模。我国目前应用的铁路选线设计系统大多是基于AutoCAD二次开发的系统，系统的线路成果三维建模与可视化模块也是在AutoCAD平台下开发完成的，如应用的“新建铁路实时三维可视化设计系统”、“铁路线路平纵面交互式及可视化设计系统”。当前也有大量的研究基于BIM软件进行二次开发，与在AutoCAD或MicroStation矢量绘图软件中开发一样，线路建模方法的本质并没有改变，基于BIM软件开发生成铁路三维模型的优势在于建模较为便捷、适合资源共享和属性信息添加。该类方法开发铁路场景较为便捷、应用广泛，但受二次开发平台系统内核影响、在大数据量时难以有效组织和优化铁路场景、知识产权使用费较高。
(3)基于底层图形引擎进行专门研发建模，是使用较少也是难度最大的建模方法。该方法的优势在于理论上能够满足任意的铁路建模需求且研发的程序完全具有自主知识产权，缺点在于需要底层积累，开发难度较大。
无论采用哪种方法，线路结构和对象的空间关系是一定的，铁路三维环境建模的本质仍然是在获取建模信息的基础上，通过计算机识别、建立对象几何关系、组织铁路三维场景信息，表达呈现出来的过程。本书介绍的铁路实体选线设计三维环境建模采用的是底层研发的方法，重在介绍选线环境、线路实体场景和列车运动场景的建模、组织原理和方法实现。
1.4.2 技术路线
铁路三维环境建模研究的技术路线如图1-1所示。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 铁路实体选线的含义 1
1.2 铁路三维环境建模研究的意义 2
1.3 线路三维设计系统现状及发展 3
1.3.1 国外系统现状及发展 3
1.3.2 国内系统现状及发展 4
1.4 铁路三维环境建模方法分析及技术路线 5
1.4.1 建模方法分析 5
1.4.2 技术路线 6
第2章 铁路三维地理环境建模 8
2.1 带状区域数字地形信息获取 8
2.1.1 基于机载激光雷达测量的数字地形采集 8
2.1.2 基于全数字摄影测量系统的数字地形信息获取 12
2.1.3 基于网络地理信息服务的数字地形信息获取 15
2.2 长大带状三维地形环境建模 25
2.2.1 地形建模算法设计 25
2.2.2 基于海量离散点的大型带状数字地形建模方法 27
2.2.3 基于海量影像信息的真实感地形环境建模方法 34
2.2.4 三维地形实时调度与渲染 40
2.3 三维地物建模 43
2.3.1 地物建模方法 43
2.3.2 地物与地形的融合方法 46
2.4 天空仿真 47
第3章 三维地质环境建模与可视化分析 51
3.1 地质建模数据获取与存储 51
3.1.1 基于遥感解译影像的地质建模数据获取 51
3.1.2 基于地质勘察资料的地质建模数据提取 52
3.1.3 地质建模数据存储表设计 58
3.2 工程地质对象虚拟环境建模 64
3.3 三维地质实体建模方法 69
3.3.1 建模基本思想 69
3.3.2 地质体建模数据模型分析 70
3.3.3 基于GTP的三维地质体建模 71
3.3.4 不良地质体建模 73
3.4 长大带状三维地质环境建模实现 75
3.5 三维地质模型可视化及分析 76
3.5.1 三维地质模型场景树设计 77
3.5.2 三维场景中地质对象拾取技术 77
3.5.3 钻孔数据可视化及查询 79
3.5.4 工程地质剖面生成及可视化查询 83
3.5.5 地质体空间计算与分析 87
3.5.6 模型三维可视化表达 93
第4章 铁路线路实体三维建模 98
4.1 建模技术概述 98
4.1.1 建模基本思想 98
4.1.2 参数化建模技术 99
4.2 线路构造物基元模型库构建 100
4.2.1 基元模型分类与编码 100
4.2.2 基元模型几何建模方法 103
4.2.3 基元模型标准化处理 108
4.2.4 基元模型库管理系统 108
4.3 线路实体基元拼装式建模方法 111
4.3.1 基元拼装式建模描述 111
4.3.2 基元拼装计算与实现 112
4.3.3 基元的调用优化 116
4.4 线路实体放样式建模方法 118
4.4.1 放样线参数分析 118
4.4.2 截面轮廓参数分析 119
4.4.3 沿路径放样 122
4.5 长大带状线路实体自动化建模 123
4.5.1 面向对象的线路构造物实体-关系模型 123
4.5.2 长大带状线路实体模型结构 124
4.5.3 线路实体三维自动化建模 127
4.6 线路实体模型与三维地形模型的融合 133
第5章 列车与线路三维运动场景建模与仿真 137
5.1 列车编组模型建立 137
5.2 列车牵引计算仿真系统 138
5.2.1 系统简介 139
5.2.2 系统应用流程 139
5.2.3 牵引计算结果 141
5.3 列车三维牵引运行仿真 145
5.3.1 列车运行仿真实时处理算法 145
5.3.2 列车位置信息的处理 147
5.3.3 列车三维牵引运行仿真实现 147
5.4 线路三维场景漫游 149
5.4.1 基于OSG的三维场景漫游技术 149
5.4.2 线路三维自动漫游技术 152
5.4.3 线路三维场景漫游实现 157
第6章 基于虚拟环境的铁路实体选线设计 159
6.1 基于虚拟环境的线路平面定线 159
6.2 面向构造物布置的三维实体选线设计 161
6.3 基于三维工程地质环境的空间实体选线 165
6.4 铁路数字化选线系统 168
第7章 工程案例验证及应用 169
7.1 成渝客运专线案例 169
7.1.1 工程实例区概况 169
7.1.2 三维地形环境建模 169
7.1.3 三维工程地质环境建模 171
7.1.4 线路实体三维建模 173
7.1.5 案例段三维牵引计算与运行仿真 181
7.1.6 案例段线路三维漫游 186
7.2 西部某铁路线路案例 188
7.2.1 工程实例区概况 188
7.2.2 选线三维环境建模 188
7.2.3 基于三维环境的实体选线方案 195
参考文献 198