申请/专利权人：中国测绘科学研究院

申请日：2023-10-20

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN117332489B

主分类号：G06F30/13

分类号：G06F30/13;G06T17/05;G06T17/20;G06T15/04;G06T15/87;G06T15/20;G06F111/04

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2024.01.19#实质审查的生效;2024.01.02#公开

摘要：本发明涉及隧道工程与应急救援领域，具体地说是一种空间语义约束的隧道环境参量融合建模方法，实现了空间语义规则约束下的隧道构件与三维地形融合，同时将环境参量与地形‑隧道模型精确融合。提升场景真实感，对环境参量的无效体素进行裁剪，支持多种透明度的可视化效果比较分析隧道及环境参量场的分布特征，同时支持横向、纵向以及不规则剖分来查看用户感兴趣的区域。

主权项：1.一种空间语义约束的隧道环境参量融合建模方法，其特征在于，包括隧道基础场景建模，隧道场景环境参量三维可视化建模，空间语义约束规则构建以及空间语义约束的隧道环境参量融合建模；所述隧道基础场景建模为：S1，通过数字高程模型为基础数据，构造隧道三维地形网格，通过遥感影像进行纹理映射，从而建立隧道入口及隧道上方的三维地形场景；所述地形场景的数据包括：地形格网单元的坐标和高程值，每个地形格网单元坐标计算公式为： xstart和ystart分别表示地形起始点坐标，Gsize表示每个格网的尺寸，Gcol和Grow表示当前格网的列号和行号，R表示总行数；S2，通过逆时针的方式遍历三角网模型中每个三角形的顶点，存储这些顶点的坐标以及对应的索引，使得在整个地形三角网模型中，点、线和面之间的拓扑关系得以完整描述和存储；S3，通过保存顶点数据以及对应的索引号，从而得到地形坐标索引的数据结构；通过实时接入并读取地形坐标索引数据，并结合遥感影像进行网格模型的纹理映射，能够快速构建出隧道周边的三维地形场景；S4，用现有的隧道横断面设计图，进行标准化处理，仅保留衬砌内边缘线和外边缘线，剔除其他无关线条后得到隧道横断面的基础草图，将经过处理的隧道横断面图形导入到建模软件中，通过放样拉伸操作生成隧道主体的几何模型并进行导出，得到的隧道构件模型；所述隧道场景环境参量三维可视化建模为：S10，通过协同克里金插值法数值计算来填充隧道中的空白区域，以实现对整个隧道空间中的环境参量数据进行连续且全面的可视化展示，选取与隧道某环境参量以外其他环境参量为协变量，主变量Zpi的协变量为Zcpj，计算公式为： 式中Z*p0为协同克里金插值法的预测值；Zpii＝1,2,…,m为采样点主变量环境参量数据；Zcpjj＝1,2,…,n为协同变量环境参量数据；λi和μj为协同克里金模型中的加权系数；引入Lagrange系数得到以下公式： γ1为主变量的变异函数模型，γ2为协同变量的变异函数模型；γ12,γ11为主协变异函数模型；对上式进行求解得到加权系数λi和μj，代入即得到协同克里金的预测值Z*p0；S20，采用图形处理器GPU实现光线投射算法体绘制，通过硬件加速的纹理映射来提高渲染速度，所述投射算法包括顶点着色器和片元着色器，所述顶点着色器用于转换数据顶点坐标，并将计算结果传递给片元着色器，所述片元着色器执行光线投射、数据重采样、传递函数设计以及光线合成步骤；S30，所述光线投射为：根据发出的射线对隧道环境参量体数据进行采样，在进行采样前首先需要检测射线与体数据包围盒是否相交，并计算得到采样起点与终点；采用AABB即Axis-alignedboundingbox包围盒作为体数据包围盒，通过Ray-AABB算法求解射线与环境参量体数据包围盒的交点；在GPU片元着色器中通过基于AABB包围盒的相交检测算法即slabmethod，判断射线与包围盒是否相交并计算其交点，所述slab指两个平行面之间的空间，对于环境参量体数据的AABB包围盒看作是三组平行面组成的三个slab的交集；根据包围盒六个面的法线方向，将其为三个近面与三个远面，如果射线与三个slab的相交部分存在重合那么该射线必定与AABB包围盒相交，具体算法如下：S301，建立射线方程：假设射线起始点为Rayo，dir为射线方向向量，s为采样步长，则射线方程表示为：Rayt＝Rayo+s*dir；S302，检测射线与AABB包围盒是否相交：根据建立的射线方程计算与slab的交点，判断三个相交区域是否存在重叠部分来检测该射线是否与体包围盒相交，检测公式如下：maxsxnear,synear,sznearminsxfar,syfar,szfar其中sxnear,synear,sznear为与三个slab的交点中较小的值，sxfar,syfar,szfar为较大的s值；S303，求采样起点与终点坐标：通过相交检测的交点即为射线与体包围盒的交点，起点坐标为Rayo+maxsxnear,synear,sznear*dir，终点坐标为Rayo+minsxfar,syfar,szfar*dir，起点和终点所确定的线段长度即为射线穿越距离；S304，通过计算射线与体包围盒的交点，从而剔除无效采样过程，并用于后面的重采样与光线合成计算部分；S40，所述数据重采样为：对体数据进行重采样，将其转变为连续的数据场；根据重采样点相邻体素的属性值通过插值计算，将插值结果作为采样点的值，具体步骤为：S401，第一次插值，根据采样点周围八体素的属性值，进行x方向上的插值，得到点i1-1,i1-2,i1-3,i1-4的值，公式为： S402，第二次插值，根据S401计算的i1-1,i1-2,i1-3,i1-4，对z方向插值，得到点i2-1和i2-2的值，公式为： S403，第三次插值，根据上一步计算的i2-1,i2-2，对y方向插值，得到点i的值，公式为：i＝i2-1*y+i2-2*1-y；S50，所述传递函数设计为：将三维体素属性值通过一定映射关系转换为用于图像合成的颜色与不透明度等光学系数，在数学上传输函数定义为：τ:D1×D2×…×Dn→O1×O2×…×Om；D是函数定义域，表示体数据的属性值，即是隧道环境参量数据的属性值，O是传递函数的值域，表示体数据通过传输函数映射后的光学系数，τ表示映射规则；所述传递函数分为pre-interpolative传递函数和post-interpolative传递函数，传递一张二维纹理图片作为光学系数映射图起到传递函数的作用，将重采样的结果作为参数输入传递函数，通过光学系数映射纹理图映射得到的该采样点对应的颜色值和不透明度；S60，所述光线合成为：根据射线的方向上的采样点进行合成计算，对成像平面上的所有像素点按光线投射方向进行颜色与不透明度的计算，即在屏幕上得到反映完整的环境参量体数据的二维图像；按照光线合成的方向分为由后向前back-to-front和由前向后合成front-to-back；由后向前的合成公式为：Cout＝Cin1-anow+Cnowanow，其中C表示颜色，α表示不透明度alpha值，其值介于0到1之间，透明度值其与不透明度值的和总是等于1；C0为合成初始颜色值，则C表示最终合成的颜色值，Cj,aj为第j个采样点的颜色值与不透明度值，βj＝1-aj为透明度值；根据由后向前的合成方法，不断沿着射线方向迭代公式，最终得到象素点的合成结果，最终合成的颜色值表示为：所述空间语义约束规则构建为：将相应模型和数据给出统一语义描述并进行有效存储，并在此基础上实现隧道环境参量场景的快速融合构建；对地形模型、隧道构件模型与隧道环境参量模型的多种空间关系，建立空间语义约束规则，包括空间位置约束、空间姿态约束、空间尺度约束与空间拓扑约束，在多种约束规则下实现隧道构件与三维地形融合、隧道构件与环境参量精确融合；所述空间位置约束为：以地心直角坐标系为参考，对隧道构件与隧道环境参量场进行平移变换，将隧道构件与环境参量场模型变换到三维地形所在的地心直角坐标系中，从而使隧道构件与隧道环境参量场与真实地理位置匹配，公式为：表示将点X,Y,Z平移到点X′,Y′,Z′的过程，Mt为平移矩阵，Tx,Ty,Tz为平移参数；所述空间姿态约束为：改变坐标系坐标轴的指向，由于不同坐标系之间的XYZ轴指向不同，通过旋转变换对不同坐标系各轴的指向统一；整体旋转矩阵Mr由绕XYZ轴旋转的矩阵Mx、My、Mz计算得到，公式为：Mr＝Mx*My*Mz；绕XYZ轴的旋转矩阵分别为： α、β、γ分别代表绕XYZ轴旋转的角度；所述空间尺度约束为：用于不同坐标系下单位的统一，由于局部坐标系中的模型会出现一定比例的放缩，进行空间尺度的缩放，即对模型进行XYZ方向上缩放变换，公式为：缩放矩阵Sx、Sy、Sz分别表示在XYZ轴上的缩放比例；所述空间拓扑约束为：选择了三种拓扑关系作为空间拓扑约束规则：包含、邻近、相交，公式为：TA,B＝CA,B+PA,B+IA,B，T表示模型A,B之间的拓扑关系；C表示模型A与模型B为包含关系，即模型B位于模型A的内部；P表示模型A与模型B邻近；I表示模型A与模型B相交；所述空间语义约束的隧道环境参量融合建模为：S100，基于构建的空间语义规则，对隧道场景多种数据模型进行融合建模，其中包括隧道构件与地形的融合及隧道环境参量场与隧道构件的融合；S200，隧道构件与地形初步融合包括对隧道构件的抽取和隧道构件与地形融合建模操作；通过隧道构件参数的抽取获得隧道构件的空间位置lan,lat,height、空间姿态heading,pitch,roll和缩放比例scale融合建模参数；S300，根据隧道构件相关参数lan,lat,height,heading,pitch,roll,scale在空间语义约束规则的限制与引导下，对隧道构件进行定位、旋转、缩放融合建模操作，实现隧道构件在位置、姿态与尺度上与三维地形的融合匹配；S400，隧道构件在隧道洞口部分与三维地形存在相交的拓扑关系，为了实现隧道洞口与地形相交处的无缝连接，需要限制隧道洞口与地形交线区域地形的渲染；根据隧道与地形的相交拓扑关系计算地形与隧道洞口的交线：S4001，需要计算交线区域地形格网的位置和大小；隧道横断面其外轮廓看作由一个圆弧段与一个直线段组成，隧道外轮廓圆弧段上的任意点Pixi,yi都计算得到，计算公式为： 直线段Pn+1Pn+2上的点Pjxj,yj的计算公式为： 计算出隧道横断面任意点的坐标之后，计算隧道与地形的交线，由于横断面与地形坡面正交，对横断面在正交方向投影得到交线，以隧道横断面正交方向为z轴，根据设计数据得到隧道洞口处坡面坡度为1:M，则交线上点Pi的z轴坐标的计算公式为：Zi＝M*Xi；S4002，设立融合区域内的参考值，所述参考值在渲染管线中模板测试阶段与地形片元的模板值进行比较；判断地形片元是否位于融合区域，舍弃位于融合区域的地形片元，保留位于融合区域外的地形片元，从而精确限制隧道构件与地形交线区域地形的渲染，实现隧道入口与地形场景的无缝融合展示；S500，根据定义的空间语义约束规则，通过旋转和平移操作，将隧道环境参量场模型转换到三维地形所处的地心直角坐标系中；M＝Mt*Mr，M为转换矩阵，Mt、Mr分别为平移与旋转矩阵；根据环境参量场与隧道构件之间的包含关系作为约束条件根据隧道构件几何边界删除不包含于隧道的体素，具体步骤为：S5001，获取隧道构件，获得隧道构件的三维模型数据，包括隧道的形状、尺寸和中心线信息；S5002，计算隧道环境参量体素与隧道中心线的距离，对立方体环境参量场中的每个体素进行计算，获得其与隧道中心线的最短距离，使用几何算法来计算体素与中心线的最短距离；S5003，根据距离删除非隧道内部的体素，根据隧道横断面设计参数设定一个阈值，删除每个截面中与隧道中心线距离超出阈值的体素；通过所述S5001～S5003排除环境参量场中不属于隧道构件内部的部分，使环境参量场与隧道构件更好地融合展示。

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百度查询： 中国测绘科学研究院 一种空间语义约束的隧道环境参量融合建模方法

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