呂?？?王明生 李 鳴 賈曉秋

（1.石家莊鐵道大學交通運輸學院，050043，石家莊；2.“交通安全與控制”河北省重點實驗室，050043，石家莊∥第一作者，副教授）

線路設(shè)計是城市軌道交通整個工程設(shè)計的“龍頭”，若設(shè)計不合理，將造成大量的拆遷、改移和環(huán)境影響，產(chǎn)生巨大的浪費。而當前設(shè)計手段是在二維環(huán)境下的平、縱、橫交互設(shè)計，需要內(nèi)外業(yè)反復(fù)驗證，其效率低、遺留問題多。隨著三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)、三維造型技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)三維GIS（地理信息系統(tǒng)）環(huán)境下的可視化軌道交通線路設(shè)計，有利于從可視角度直觀觀察、評價設(shè)計效果，及時進行沖突分析、拆遷估計及環(huán)境影響分析。而要實現(xiàn)三維可視化設(shè)計，就必須先建立三維地理環(huán)境，包括地下三維空間環(huán)境和地面三維城市景觀環(huán)境兩部分。本文將主要研究基于Google Earth軟件的城市軌道交通三維城市景觀環(huán)境的快速建模方法。

1 城市空間數(shù)據(jù)的批量獲取

空間地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)是建立三維城市景觀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是實現(xiàn)三維可視化軌道交通線路設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。

1.1 空間地形數(shù)據(jù)的批量獲取

地形數(shù)據(jù)是建立三維城市景觀不可缺少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，傳統(tǒng)的地形數(shù)據(jù)的獲取方法包括野外利用GPS（全球定位系統(tǒng)）、全站儀等儀器直接進行測量，從航空影像或遙感圖像及己有地形圖上采集等，存在采集時間長或費用貴等問題。Google Earth軟件利用SRTM數(shù)據(jù)作為它的基本高程數(shù)據(jù)［1］，該測量數(shù)據(jù)覆蓋中國全境。盡管Google Earth軟件中各個地區(qū)覆蓋的衛(wèi)星影像不同，但其構(gòu)建三維地面模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相同且完全免費［2］。因此，可基于Google Earth軟件二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)空間地形數(shù)據(jù)的自動、快速、批量提取。其方法如下：

Google Earth API（應(yīng)用程序編程接口）提供的類能夠?qū)oogle Earth軟件三維界面中的屏幕點由屏幕坐標轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度形式，通過調(diào)用函數(shù)GetPointOnTerrainFrom ScreenCoords：IPointOn－TerrainGE GetPointOnTerrainFromScreenCoords（double screen＿x，double screen＿y）實現(xiàn)。調(diào)用函數(shù)＿x和＿y中這兩個參數(shù)值均在－1和1之間，表示視圖中心點在屏幕坐標系中的坐標值（如圖1所示）。批量提取DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)的程序模塊界面如圖2所示。

圖1 Google Earth獲取DEM示意圖

圖2 批量提取DEM數(shù)據(jù)的程序模塊界面

采樣間隔分為水平和垂直兩個方向，范圍在－1和1之間，其大小決定了每個屏幕上采樣點數(shù)［3］。例如水平和垂直采樣間隔均為0.05，那么每屏的采樣個數(shù)為｛［1－（－1）］／0.05｝×｛［1－（－1）］／0.05｝＝1600。采樣間隔和單屏經(jīng)緯差共同決定了DEM提取的密度和程序運行時間及數(shù)據(jù)量的大小。利用以上方法在Google Earth軟件的視圖區(qū)域內(nèi)取1 600個點，經(jīng)過計算相鄰兩點之間的距離大約為20m，該精度的DEM數(shù)據(jù)可以滿足軌道交通三維城市景觀建模的要求。圖3為從Google earth軟件自動提取的空間地形數(shù)據(jù)，其為 WGS（世界大地坐標系）—84坐標系。

1.2 地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標系

我國自2008年7月1日起，全面啟用2000國家大地坐標系（China Geodetic Coordinate System 2000，簡為CGCS2000）［4］。Google Earth軟件獲取的空間地形數(shù)據(jù)是基于 WGS—84坐標系，為了適應(yīng)新的國家大地坐標系，需要將WGS—84的經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標系下的空間坐標（x，y，z），以更好地應(yīng)用于軌道交通城市三維場景的快速建立和線路設(shè)計的要求。

圖3 提取DME數(shù)據(jù)示例

CGCS2000坐標系的定義包括坐標系的原點、3個坐標軸的指向、尺度及地球橢球的4個基本常數(shù)的定義。采用的地球橢球基本常數(shù)的定義見表1。

表1 CGCS 2000橢球定義的基本參數(shù)

圖4為原圖3中的 WG－S84數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標系后的空間地形數(shù)據(jù)。

圖4 轉(zhuǎn)換WGS－84到CGCS200坐標系示例

1.3 影像數(shù)據(jù)的批量獲取

Google Earth客戶端可以任意顯示地球表面影像，并且可以無限制地下載圖像數(shù)據(jù)［5］。Google Earth提供的免費高分辨率遙感影像是城市三維建模的重要影像數(shù)據(jù)，加上其開放的平臺和豐富的API［6］，使構(gòu)建運行在Google Earth軟件基礎(chǔ)上的三維城市景觀變得簡單易行。本文利用Google Earth COM API進行二次開發(fā)數(shù)據(jù)采集和拼接模塊。針對欲建模區(qū)域的范圍內(nèi)批量自動地提取航片，并對所提取的航片進行空間信息定位，實現(xiàn)航片的無縫拼接，從而為景觀的自動建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。提取的正射影像如圖5所示，拼接后的正射影像圖如圖6所示。

圖5 提取的正射影像圖

圖6 拼接后的正射影像圖

2 建筑物模型庫建立與管理

為了最大程度上減少城市軌道交通線路設(shè)計不合理而造成的大量拆遷、改造、改移和環(huán)境影響，要求地面城市景觀的建筑物、用于軌道交通線路設(shè)計的城市景觀不同于一般的數(shù)字城市景觀，需要對建筑物、道路等所有城市景觀模型記錄相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)（如建筑類型）和幾何數(shù)據(jù)（如層數(shù)、層高、空間區(qū)域坐標，在三維環(huán)境中定位模型及模型替換），以實現(xiàn)三維空間的任意模型選擇和空間量測功能。這樣在三維設(shè)計時，能夠?qū)崿F(xiàn)實時判斷和計算線路與地面城市景觀模型的沖突。只有這樣，才能滿足城市軌道交通的線路三維設(shè)計的要求。因此，根據(jù)城市軌道交通的特性和城市建筑物多樣式特點，本文根據(jù)外形將其分為流行單體、點式建筑和條式建筑三大種類。在每種類型下按照建筑物功能劃分為：商用，學校，醫(yī)院，住宅，辦公，公共等類型。采用CityPlan三維互動設(shè)計軟件完成三大類型建筑物的三維模型庫。其中點式建筑314個、流行單體212個、條式建筑327個，共計853個建筑物模型（其示意圖分別如圖7、圖8、圖9所示）。

所有建筑物模型通過數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理。包括建筑物名稱、類型、地上和地下層數(shù)和層高、建筑類別等信息，用于三維場景中建筑物建模和空間查詢，以及判斷線路和建筑物的空間關(guān)系、空間距離，如圖10所示。

圖7 點式建筑模型

圖8 流行單體建筑模型

圖9 條式建筑模型

圖10 模型庫的數(shù)據(jù)庫管理界面

此外，為了能夠快速建立城市景觀，應(yīng)用CityPlan軟件建立了三大種類2 500個建筑物的三維模型（3DS格式），作為初始三維模型庫。圖11展示了三大類型建筑物三維模型例圖。在構(gòu)建三維城市景觀時，既可以通過讀取模型數(shù)據(jù)庫中的建筑物地上、地下層數(shù)和層高信息，由程序自動建立建筑物三維模型，也可以從模型庫中直接讀取已建好的建筑物三維模型，根據(jù)建筑物空間區(qū)域坐標進行定位，放置在三維場景中。

圖11 三大類型建筑物的三維模型例圖

3 三維城市景觀快速建立

本文采用skyline API的二次開發(fā)平臺，將正射影像、DEM數(shù)據(jù)融合成一個高精度帶有地理坐標信息的地形，根據(jù)建筑物模型的空間區(qū)域坐標與DEM進行匹配，將建筑物模型按照坐標正確地放于地形模型之上，將城市三維地形和各種建筑物三維模型統(tǒng)一集成，實現(xiàn)了用于城市軌道交通線路設(shè)計的三維城市景觀的快速建立。在該三維景觀環(huán)境中，所有建筑物、道路等景觀模型通過數(shù)據(jù)庫存儲空間信息，滿足在線路三維設(shè)計過程中，實時進行信息查詢和空間量測、線路與模型沖突的自動檢測和分析。并可通過建筑物模型庫任意選擇不同風格和類型的建筑物，以快速構(gòu)建多樣性的三維城市景觀（如圖12所示）。

圖12 建立三維城市景觀

4 結(jié)論

本文基于Google Earth API的二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了城市數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)和正射影像圖的批量獲取。利用CityPlan軟件建立了多種樣式建筑物模型，并通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對建筑物模型空間信息的有效管理。通過skyline API的二次開發(fā)，實現(xiàn)了城市三維地形和各種建筑物三維模型的統(tǒng)一集成。對所有景觀模型的屬性數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫存儲，實現(xiàn)在三維設(shè)計過程中，對所有景觀模型的實時查詢、空間量測和線路與模型沖突的自動檢測，為用于城市軌道交通線路設(shè)計的三維城市景觀的快速建立提供了一套解決方案。實踐證明，建立的三維城市景觀具有快速和較高的精度，能夠?qū)崿F(xiàn)對所有景觀模型的查詢、與軌道線路沖突的自動檢測，能夠滿足城市軌道交通預(yù)可行性研究和可行性研究階段的三維線路設(shè)計，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］Xu Linrong，Su Zhiman，Ugai Keizo，et al.Google Earth as a tool in terrain survey of debris flow watershed［J］.Advanced Materials Research，2011，261－263：1563.

［2］Zhang Kun，Zou Zhengrong，Yu Jiayong.Method of modeling virtual city based on GoogleEarth ［J］.Engineering of Surveying and Spatial Information Technology，2010，33（6）：89.

［3］楊翼飛，唐詩華，文鴻雁.基于Google Earth的3S技術(shù)在桂林市土地更新中的應(yīng)用［J］.測繪通報，2008（11）：61.

［4］陳俊勇.中國現(xiàn)代大地基準——中國大地坐標系統(tǒng)2000（CGCS2000）及其框架［J］.測繪學報，2008，37（3）：269.

［5］程鵬飛，文漢江，成英燕，等.2000國家大地坐標系橢球參數(shù)與GRS80和 WGS84的比較［J］.測繪學報，2009，38（3）：189.

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