本发明实施例公开了一种真三维道路智能设计方法及系统，其中方法包括：在高精度的三维地形场景中进行道路选线以及道路平、纵、横参数设计；在所述三维地形场景中进行道路平、纵、横设计参数的调整；根据设计参数，计算道路模型与三维地形场景的空间位置关系，生成真三维道路模型，所述真三维道路模型包含有描述道路面的三维坐标信息和道路面纹理信息；根据所述真三维道路模型与三维地形场景的空间位置关系，对道路所在区域地形进行修改，建立与真实地表无缝接合的道路模型。本发明实施例，通过在高精度的三维地形场景中进行道路选线，平、纵、横参数设计与调整，实现了基于三维地形场景的道路设计和可视化。
1.一种真三维道路智能设计方法，其特征在于，包括：
在高精度的三维地形场景中进行道路选线以及道路平、纵、横参数设计；
在所述三维地形场景中进行道路平、纵、横设计参数的调整；
根据设计参数，计算道路模型与三维地形场景的空间位置关系，生成真三维道路模型，所述真三维道路模型包含有描述道路面的三维坐标信息和道路面纹理信息；
根据所述真三维道路模型与三维地形场景的空间位置关系，对道路所在区域地形进行修改，建立与真实地表无缝接合的道路模型；
其中，所述道路模型包括道路的主要构造物和道路的附属设施，所述主要构造物包括桥梁和隧道，所述附属设施包括道路的护栏、里程路标和路灯；
将桥墩模型，根据桥梁起始和终止道路中心线按照一定间隔插入道路三维模型场景中，将隧道门洞模型插入在隧道的出口和入口道路中心线上，其中，桥梁模型的高度设置为道路中心线点的高程与该点垂直方向地面点的高程之差；隧道口门洞模型的宽度为该点路基横断面宽度，高度为隧道横断面高度；
根据道路的平纵横三参数设计，得到各桩号点的坐标(X、Y、Z)，此坐标正是道路中心线上点的坐标，通过设置平移参数即可将路灯模型平移到道路的边缘，路灯模型插入点坐标的计算公式如下： 式中：(x1，y1)是道路中线上一点的坐标，s是模型在道路上水平偏移的距离，k是由(x1，y1)和(x，y)两点构成的直线的斜率，也是由(x1，y1)、(x2，y2)两点构成直线的斜率的负倒数，计算公式为： 式中：(x1，y1)是道路中线上一点的坐标，(x2，y2)是沿着道路前进方向上与(x1，y1)相邻的另一道路中线点坐标，计算出路灯模型插入点坐标之后，即可将已经做好的路灯模型插入到相应的坐标处。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在高精度的三维地形场景中进行道路选线以及道路平、纵、横参数设计包括：在高精度的三维地形场景中进行道路选线及平、纵、横参数设计，将设计结果按预设的文件格式存储，对所述设计结果进行处理；
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
统计填挖方时，按单位横断面将道路区域划分为若干梯形与三角形条块，相邻两断面均为填方或者挖方，则此两横断面之间部分类似于一棱柱体，计算该棱柱体的体积即相当于此相邻两横断面间的填挖方量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
整体线路模型的建立、道路区域纹理映射、道路构造物及附属物的添加。
5.根据权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，还包括：
在道路模型可视化时修改道路区域内的三维地形，生成与真实地表无缝接合的道路场景。
6.一种真三维道路智能设计系统，其特征在于，包括：
道路参数设计模块，用于在高精度的三维地形场景中进行道路选线以及道路平、纵、横参数设计；
道路参数调整模块，用于在所述三维地形场景中进行道路平、纵、横设计参数的调整；
自动建模模块，用于根据设计参数，计算道路模型与三维地形场景的空间位置关系，生成真三维道路模型，所述真三维道路模型包含有描述道路面的三维坐标信息和道路面纹理信息；
地形修测模块，用于根据所述真三维道路模型与三维地形场景的空间位置关系，对道路所在区域地形进行修改，建立与真实地表无缝接合的道路模型；
其中，所述道路模型包括道路的主要构造物和道路的附属设施，所述主要构造物包括桥梁和隧道，所述附属设施包括道路的护栏、里程路标和路灯；
将桥墩模型，根据桥梁起始和终止道路中心线按照一定间隔插入道路三维模型场景中，将隧道门洞模型插入在隧道的出口和入口道路中心线上，其中，桥梁模型的高度设置为道路中心线点的高程与该点垂直方向地面点的高程之差；隧道口门洞模型的宽度为该点路基横断面宽度，高度为隧道横断面高度；
根据道路的平纵横三参数设计，得到各桩号点的坐标(X、Y、Z)，此坐标正是道路中心线上点的坐标，通过设置平移参数即可将路灯模型平移到道路的边缘，路灯模型插入点坐标的计算公式如下： 式中：(x1，y1)是道路中线上一点的坐标，s是模型在道路上水平偏移的距离，k是由(x1，y1)和(x，y)两点构成的直线的斜率，也是由(x1，y1)、(x2，y2)两点构成直线的斜率的负倒数，计算公式为： 式中：(x1，y1)是道路中线上一点的坐标，(x2，y2)是沿着道路前进方向上与(x1，y1)相邻的另一道路中线点坐标，计算出路灯模型插入点坐标之后，即可将已经做好的路灯模型插入到相应的坐标处。
所述道路参数设计模块还用于在高精度的三维地形场景中进行道路选线及平、纵、横参数设计，将设计结果按预设的文件格式存储，对所述设计结果进行处理；在三维地形场景中对所述处理后的设计结果进行调整；根据所述调整后的设计结果统计填挖方量。
所述道路参数调整模块还用于统计填挖方时，按单位横断面将道路区域划分为若干梯形与三角形条块，相邻两断面均为填方或者挖方，则此两横断面之间部分类似于一棱柱体，计算该棱柱体的体积即相当于此相邻两横断面间的填挖方量。
所述自动建模模块还用于整体线路模型的建立、道路区域纹理映射、道路构造物及附属物的添加。
所述地形修测模块还用于在道路模型可视化时修改道路区域内的三维地形，生成与真实地表无缝接合的道路场景。
真三维道路智能设计方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及公路设计与虚拟现实技术领域，特别涉及一种基于真三维道路智能设计方法及系统。
背景技术
[0002] 随着交通基础设施建设的快速发展，越来越多的各种等级的道路均需要修建。而道路设计与其他土木工程设计不同，有其自身的特点，主要表现在以下两个方面：其一、道路是一种带状的实物，会受到沿线的地形、地貌、环境等因素影响；其二、道路设计是在前期勘测得到的地形图上进行选线或现场定线，因此前期工作要花费大量的人力、物力；传统的道路设计是先在地形图上人工判读数据，然后进行初步路线方案设计，在施工图设计时，根据初步设计中已经确定好的平面线形，通过野外实地测量路线平、纵、横数据进行设计。但是这一方法存在费时、费力、精度难以保证和动态调整困难等缺点。
发明内容
[0003] 本发明提供一种真三维道路智能设计方法及系统，通过在真三维地形场景中选线，道路平、纵、横参数设计与调整，实现基于三维地形场景的道路设计与可视化。 [0004] 本发明提供了一种真三维道路智能设计方法，包括：
[0005] 在高精度的三维地形场景中进行道路选线以及道路平、纵、横参数设计； [0006] 在所述三维地形场景中进行道路平、纵、横设计参数的调整； [0007] 根据设计参数，计算道路模型与三维地形场景的空间位置关系，生成真三维道路模型，所述真三维道路模型包含有描述道路面的三维坐标信息和道路面纹理信息；
[0008] 根据所述真三维道路模型与三维地形场景的空间位置关系，对道路所在区域地形进行修改，建立与真实地表无缝接合的道路模型；
[0009] 其中，所述道路模型包括道路的主要构造物和道路的附属设施，所述主要构造物包括桥梁和隧道，所述附属设施包括道路的护栏、里程路标和路灯；
[0010] 将桥墩模型，根据桥梁起始和终止道路中心线按照一定间隔插入道路三维模型场景中，将隧道门洞模型插入在隧道的出口和入口道路中心线上，其中，桥梁模型的高度设置为道路中心线点的高程与该点垂直方向地面点的高程之差；隧道口门洞模型的宽度为该点路基横断面宽度，高度为隧道横断面高度；
[0011] 根据道路的平纵横三参数设计，得到各桩号点的坐标(X、Y、Z)，此坐标正是道路中心线上点的坐标，通过设置平移参数即可将路灯模型平移到道路的边缘，路灯模型插入点坐标的计算公式如下： 式中：(x1，y1)是道路中线上一点的坐标，s是模型在道路上水平偏移的距离，k是由(x1，y1)和(x，y)两点构成的直线的斜率，也是由(x1，y1)、(x2，y2)两点构成直线的斜率的负倒数，计算公式为： 式中：(x1，y1)是道路中线上一点的坐标，(x2，y2)是沿着道路前进方向上与(x1，y1)相邻的另一道路中线点坐标，计算出路灯模型插入点坐标之后，即可将已经做好的路灯模型插入到相应的坐标处。 [0012] 本发明提供了一种真三维道路智能设计系统，包括：
[0013] 道路参数设计模块，用于在高精度的三维地形场景中进行道路选线以及道路平、纵、横参数设计；
[0014] 道路参数调整模块，用于在所述三维地形场景中进行道路平、纵、横设计参数的调整；
[0015] 附图说明
[0016] 自动建模模块，用于根据设计参数，计算道路模型与三维地形场景的空间位置关系，生成真三维道路模型，所述真三维道路模型包含有描述道路面的三维坐标信息和道路面纹理信息；
[0017] 地形修测模块，用于根据所述真三维道路模型与三维地形场景的空间位置关系，对道路所在区域地形进行修改，建立与真实地表无缝接合的道路模型； [0018] 其中，所述道路模型包括道路的主要构造物和道路的附属设施，所述主要构造物包括桥梁和隧道，所述附属设施包括道路的护栏、里程路标和路灯；
[0019] 具体实施方式
[0020] 将桥墩模型，根据桥梁起始和终止道路中心线按照一定间隔插入道路三维模型场景中，将隧道门洞模型插入在隧道的出口和入口道路中心线上，其中，桥梁模型的高度设置为道路中心线点的高程与该点垂直方向地面点的高程之差；隧道口门洞模型的宽度为该点路基横断面宽度，高度为隧道横断面高度；
[0021] 根据道路的平纵横三参数设计，得到各桩号点的坐标(X、Y、Z)，此坐标正是道路中心线上点的坐标，通过设置平移参数即可将路灯模型平移到道路的边缘，路灯模型插入点坐标的计算公式如下： 式中：(x1，y1)是道路中线上一点的坐标，s是模型在道路上水平偏移的距离，k是由(x1，y1)和(x，y)两点构成的直线的斜率，也是由(x1，y1)、(x2，y2)两点构成直线的斜率的负倒数，计算公式为： 式中：(x1，y1)是道路中线上一点的坐标，(x2，y2)是沿着道路前进方向上与(x1，y1)相邻的另一道路中线点坐标，计算出路灯模型插入点坐标之后，即可将已经做好的 路灯模型插入到相应的坐标处。 [0022] 上述真三维道路智能设计方法及系统，在高精度三维地形场景数据和自定义数据导入系统之后，在高精度三维地形场景中对道路的平、纵、横参数进行设计，从而绘制出新的道路三维线形，并按照专业道路设计文件的输出格式进行保存，使之与专业的道路设计软件进行交互，完成道路选线的详细设计，通过在高精度的三维地形场景中选线、道路参数设计与调整，实现了基于三维地形场景的道路设计和可视化。
[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024] 图1为本发明真三维道路智能设计方法实施例的流程示意图；
[0025] 图2为本发明真三维道路智能设计系统实施例的结构示意图。
[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027] 图1为本发明真三维道路智能设计方法实施例的流程示意图，如图1所示，本发明实施例包括如下步骤：
[0028] 步骤101、在高精度的三维地形场景中进行道路选线及平、纵、横参数设计； [0029] 步骤102、在三维地形场景中进行道路平、纵、横设计参数的调整； [0030] 步骤103、根据设计参数、计算道路模型与三维地形场景的空间位置关系，生成真三维道路模型，其中，真三维道路模型包含有描述道路面的三维坐标信息和道路面纹理信息；
[0031] 步骤104、根据真三维道路模型与三维地形场景的空间位置关系，对道路所在区域地形进行修改，建立与真实地表无缝接合的道路模型。
[0032] 本发明实施例提供的真三维道路智能设计方法，通过在高精度的三维地形场景中选线、参数设计与调整，实现了基于三维地形场景的道路设计和可视化。 [0033] 进一步地，在上述图1所示实施例中，高精度的地形场景数据是由DEM和DOM叠加而成。DEM是数字高程模型，是一个按一定结构组织在一起的数据组，代表地形特征的空间分布；进一步地，空间分布由平面坐标系统(X，Y)与各个平面坐标系统中的地面点的高程(Z)所形成空间三维数据，也就是说，数字高程模型是地形起伏的数字表达，由对地形表面取样所得到的一组三维数据(x，y，z)的坐标数据以及对地形表面提供连续描述的算法组成；DOM是对扫描处理后的数字化的航空像片或者高分辨率卫星遥感图像数据制作形成本发明实施例中所述的航空影像，对逐像元进行几何纠正和镶嵌后，具有精度高、信息丰富、直观真实的特点，同时是具有地图几何精度和影像特征的图像；
[0034] 本发明实施例中的设计数据具体还可以为：DWG格式矢量数据、TIF格式影像数据、Shp格式矢量数据、兴趣点POI数据、3DS模型数据。DWG格式数据是AUTOCAD导出的地形图矢量数据；TIF格式是遥感影像的数据格式的一种；Shp格式数据是ARCGIS导出的地质图矢量数据；兴趣点POI是用户感兴趣的点，兴趣点POI数据包含该点所有相关的信息；3DS模型数据是三维的模型数据，文件后缀可以为.x，.xpl，.3ds等。
[0035] 进一步地，在上述图1所示实施例中，步骤101具体可以为：
[0036] 在高精度的三维地形场景中进行道路选线及平、纵、横参数设计，将设 计结果按预设的文件格式存储，对所述设计结果进行处理；其中，预设的文件格式具体可以为专业设计软件通用的文件格式；
[0037] 在三维地形场景中对所述处理后的设计结果进行调整；通过对处理后的设计结果进行调整，可以实现道路设计参数的详细设计。
[0038] 进一步地，在上述图1所示实施例中，统计填挖方时，按单位横断面将道路区域划分为若干梯形与三角形条块，相邻两断面均为填方或者挖方，则此两横断面之间部分类似于一棱柱体，计算该棱柱体的体积即相当于此相邻两横断面间的填挖方量。 [0039] 进一步地，在上述图1所示实施例中，生成真三维道路模型的过程包括：整体线路模型的建立、道路区域纹理映射、道路构造物及附属物的添加。
[0040] 真三维道路建模的过程其实是通过道路的详细设计数据与地形数据的实时计算过程。该计算过程如下：从平面线位数据和纵断面数据，得到道路中心线上任意点的三维坐标；从横断面数据，得到横断面上各特征点相对于路中点的平距和高差，在计算出路中心点的坐标和高程后，可得到该特征点的坐标和高程。这些特征点包括：横断面上的路中心点、分隔带绿化带边缘点、车行道的内外侧端点、人行道内外侧端点、边坡线上的变化点、坡脚点、边坡两侧的地面高程变化点等。然后，根据相邻两个横断面上各个特征点构建多边形曲面，形成道路各个路段的三维模型。
[0041] 最后将各个路段的三维模型连接起来，并对不同的多边形面根据模型性质映射不同的纹理，形成整体的三维道路模型。
[0042] 此外，桥梁和隧道是道路的主要构造物。本发明实施例可以通过将桥墩模型，根据桥梁起始和终止道路中心线按照一定间隔插入道路三维模型场景中，将隧道门洞模型插入在隧道的出口和入口道路中心线上的方法来实现，其中，桥梁模型的高度设置为道路中心线点的高程与该点垂直方向地面点的高程之差；隧道口门洞模型的宽度为该点路基横断面宽度，高度为隧道横断面高度。
[0043] 本发明实施例中道路的附属设施包括道路的护栏、里程路标、路灯等；各种道路附属设施模型的添加过程是一样的。本发明实施例以路灯模型为例进行示例性说明，首先根据道路的平纵横三参数设计，得到各桩号点的坐标(X、Y、Z)，此坐标正是道路中心线上点的坐标，通过设置平移参数即可将路灯模型平移到道路的边缘。本发明实施例中通过路灯模型插入点坐标的计算公式如下： 式中：(x1，y1)是道路中线上一点的坐标，s是模型在道路上水平偏移的距离，k是由(x1，y1)和(x，y)两点构成的直线的斜率，也是由(x1，y1)、(x2，y2)两点构成直线的斜率的负倒数，计算公式为： 式中：(x1，y1)是道路中线上一点的坐标，(x2，y2)是沿着道路前进方向上与(x1，y1)相邻的另一道路中线点坐标。
[0044] 计算出路灯模型插入点坐标之后，即可将已经做好的路灯模型插入到相应的坐标处。
[0045] 进一步地，在上述图1所示实施例中，要生成与真实地表无缝接合的道路模型，必须根据真三维道路模型与三维场景的空间位置关系，对道路所在区域地形进行修改，即对道路所在区域DEM的修改。
[0046] 进一步地，在上述图1所示实施例中，还包括：在道路模型可视化时修改道路区域内的三维地形，生成与真实地表无缝接合的道路场景；其中，修改道路区域内的三维地形的过程具体为：
[0047] 首先沿道路的中心线分别向左右构造给定宽度(W)的平行线，左右平行线上对应于中心线的数据点的高程值与中心线上点的高程值相等；
[0048] 道路平行线与相邻两横断面之间封闭成一个四边形，并对该四边形进行三角剖分；
[0049] 逐网格求得平行线左右侧边线与DEM的所有交点的三维坐标，并将所 有交点插入DEM格网中。对于与道路四边形不发生关系的DEM网格不做处理；对于与道路四边形发生关系的DEM网格而言，没有被道路四边形切掉的部分形成新的多边形，对其进行三角剖分； [0050] DEM网格中有数据的剖分，加上道路的简单剖分，即可建立与地形融合在一起的三维道路模型；
[0051] 进一步地，在上述图1所示实施例的基础上得到了真三维道路模型，将道路设计数据转换成可视化的道路模型(直接对象)，从而设计者可以直观形象地理解这些道路设计数据，有效地对道路设计结果进行决策，把握设计质量。
[0052] 在真三维的道路模型上，可以进行成果浏览、飞行路径，录制AVI、指定特定场景、模拟驾驶、进行制作方案的对比、连接PPT演示，通过上述手段可以极大丰富真三维设计成果的演示效果，为专家评审提供便利，同时给道路设计者以直观的视觉效果。 [0053] 进一步地，上述图1所示实施例，得到真三维道路模型的基础上，通过在三维地形场景下对道路设计参数进行设计与调整，统计填挖方量，生成填挖方统计报告，使设计者可以迅速的选择最优设计方案，节约道路工程的成本。
[0054] 进一步地，上述图1所示实施例，得到真三维道路模型的基础上，设计者可以在计算机上看到与真实道路一样的景观细节，并且可以直接在三维场景中对道路设计参数进行修改，从而为道路设计提供了更高的精确依据。
[0055] 进一步地，上述图1所示实施例，在得到真三维道路模型后，直观的三维真实效果可以让决策者、方案评审者共同参与到设计之中，便于交流沟通。
[0056] 图2为本发明真三维道路智能设计系统实施例的结构示意图，如图2所示，本实施例包括：道路参数设计模块21、道路参数调整模块22、自动建模模块23、地形修测模块24； [0057] 其中，道路参数设计模块21在高精度的三维地形场景中进行道路选线以及道路平、纵、横参数设计；道路参数调整模块22在所述三维地形场景中进行道路平、纵、横设计参数的调整；自动建模模块23根据设计参数，计算道路模型与三维地形场景的空间位置关系，生成真三维道路模型，所述真三维道路模型包含有描述道路面的三维坐标信息和道路面纹理信息；地形修测模块24根据所述真三维道路模型与三维地形场景的空间位置关系，对道路所在区域地形进行修改，建立与真实地表无缝接合的道路模型。 [0058] 本发明实施例提供的真三维道路智能设计实现系统，通过道路参数设计模块21将高精度三维地形场景的设计数据导入系统之后，在高精度三维地形场景中对道路的平、纵、横参数进行设计，并按照专业道路设计文件的输出格式进行保存，使之与专业的道路设计软件进行交互。
[0059] 进一步地，在上述图2所示实施例，道路参数调整模块22，将专业道路设计软件导出的设计数据，导入系统中，在三维地形场景下对道路平、纵、横设计参数进行调整，用于统计填挖方量，生成填挖方统计报告，并完成道路详细设计。
[0060] 进一步地，在上述图2所示实施例，还包括：自动建模模块23，用于整体道路模型的建立、道路区域纹理映射、道路构造物及附属物的添加。
[0061] 进一步地，在上述图2所示实施例，还包括：地形修测模块24，用于在道路模型可视化时修改道路区域内的三维地形，生成与真实地表无缝接合的道路场景。 [0062] 上述本发明实施例中，计算机将道路设计数据转换成可视化的直接对象，设计者可借助人的形象思维来快速准确地理解这些道路设计数据，以便有效地对道路设计结果进行决策，把握设计的质量；在道路三维可视化平台中导入高精度的三维地形场景数据，在此基础上进行道路(平、纵、横)参数设计与调整，生成不同方案的填挖方报告，从而选择最优的线路设计，降低设计造价成本、工程造价成本；利用计算机技术把道路设计数据与地理空间数 据结合，建立含地形地貌环境特征的待建公路工程三维景观，并进行场景布置，设计要素分析、多媒体查询、实时动态道路设计场景漫游等，能够真实、动态地反映道路勘察设计的结果；随着道路三维可视化地理环境的建立，设计人员可以在计算机上看到与真实公路一样的景观细节，道路设计者观察到某些地方需要修正，可以直接在三维场景中对该路段设计数据进行修改，从而为道路设计提供更精确的依据；道路三维可视化平台有助于专业鸿沟的跨越，道路选线设计是一项涉及面很广、决策性很强的综合性工作，道路三维可视化将为决策者提供更加直观的决策依据，为各个专业的配合协调提供更加方便直观的工具，同时方案评审者也可参与到实际线路的设计过程中，凭借直观的视觉提出自己的见解。 [0063] 本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0064] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
