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原文传递多层次空间语义约束的高速铁路场景自动建模方法

论文题名：	多层次空间语义约束的高速铁路场景自动建模方法
关键词：	高速铁路;三维场景;自动建模;空间语义约束
摘要：	由于中国高速铁路网络密集、总里程长、涉及领域众多，所以构建高速铁路三维场景，将多领域数据整合至同一时空基准下进行可视化展示与管理分析，有助于提升高速铁路信息化建设能力和综合化管理水平。而现有高速铁路场景建模方法在建模过程方面需要较强的专业知识，增加了建模的难度，难以保证复杂场景的规范性;在建模知识与建模操作方面，缺乏统一的表达方法与存储机制，不能实现建模知识与建模操作的有效重用，难以适应多类型铁路场景的构建;在场景绘制方面，建模输出与图形引擎固化集成，导致三维场景的应用受限。因此，如何针对高速铁路领域涵盖面广、应用面宽、对象形态多样的复杂性，提出一种高速铁路场景自动建模方法，既能够保证建模过程的规范性、建模操作的简易性、建模知识的可重用性，又能适应多场景类型特征和不同的应用情景，便成为亟待解决的难点问题。　　面向领域众多、场景对象空间关系复杂的高速铁路环境，本文提出了一种多层次空间语义约束的高速铁路场景自动建模方法。通过建立多层次空间语义约束规则，提出规则引导下的复杂场景三维建模方法，解决传统建模操作复杂、繁琐、规范性差等问题;提出知识模板构建及其重用方法，解决多类型场景建模知识不能有效重用的问题;提出场景映射与实例化方法，实现建模输出与场景渲染解耦，解决三维场景的绘制引擎单一固化问题。本论文的主要研究工作如下: 　　(1)本论文构建了高速铁路基元模型库及其关系表达图，实现了基元模型的准确定义和清晰描述，可更好地支持标准化建模操作和高效管理分析。首先，分析了各领域对象在地理环境中的空间特征和关系属性，并顾及计算机可视化表达约束，自上而下进行高速铁路场景对象模型基元划分，构建基元模型库;其次，设计了基元模型的存储方法与调度机制，实现了基元模型的数据库存储与管理;最后，进一步厘清了基元模型之间空间语义关系，构建了基元模型本体，实现对高速铁路场景对象及各个对象之间关系的清晰描述。　　(2)本文提出了多层次空间语义约束建模方法，将专业领域知识和建模操作分离，实现了对复杂建模过程的自动引导和约束，降低了建模的难度与复杂度，保证了场景的规范性。通过剖析基元模型组合过程中的交互操作特征，对空间布局语义、组合建模语义和空间姿态语义进行抽象和表达，提取了多层次空间语义约束规则，从而描述了三维场景生成过程中基元模型之间的逻辑关系以及运动关系;进而提出了多层次空间语义约束建模方法，通过限制和引导基元组合的逻辑判断、定位和联接操作，生成高速铁路概念场景。　　(3)针对建模知识可重用性差、场景配置灵活度低、场景对象扩展性弱等问题，本文提出了知识模板构建及其重用方法。首先，通过剖析建模操作特征并分析建模知识表达方式，设计了建模知识模板结构，并从语义、几何、拓扑和参照系统几方面详细地阐述了建模知识模板的内容，提出了建模知识模板的实例化方法，实现了建模知识与建模操作的参数化表达与存储;然后，对建模知识模板和场景对象进行分类与组织，采用柔性树状结构设计了场景配置模板，实现了建模知识模板的动态调用和高速铁路场景的灵活配置;最后，从场景组织逻辑、线性参照、几何拓扑关系、语义描述信息几方面，对场景模板进行解析，实现对概念场景的准确理解与清晰描述。　　(4)提出高速铁路场景映射与实例化方法，将建模输出与绘制引擎分离，实现从多样化场景建模需求的自动解析到高速铁路场景的自动生成，扩展了场景的应用范围。从概念场景、场景映射和场景生成三个层次相互关系进行剖析，建立了从概念场景到三维场景的映射关系，所有在三维场景中相关线对象类型被自动分解成一系列空间离散点，每一个点能被看作与基元模型关联的三维符号，实现从概念场景到场景映射关系的建立;进而将高速铁路场景映射解析结果输出，借助不同的三维图形引擎进行实例化，完成场景映射到三维场景的生成。　　(5)集成上述研究成果，研发了高速铁路场景自动建模原型系统，并选择典型案例区域，从场景建模效果与规范性、建模知识共享与重用性、多图形引擎下场景展示等方面，开展场景建模实验与分析。实验结果表明:本文方法能够实现高速铁路场景的自动建模，可将专业知识与建模操作解耦，进行建模知识模板化存储与共享，不仅可降低复杂场景的建模难度，保证场景规范性与准确性，还可提高场景的建模效率，拓展三维场景的应用领域。
作者：	张恒
专业：	大地测量学与测量工程
导师：	朱军
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文