艰险山区多源地理信息数据融合的三维场景构建方法

技术领域

本发明属于铁路建设测绘技术领域，具体涉及一种艰险山区多源地理信息数据融合的三维场景构建方法。

背景技术

传统铁路勘测主要是基于二维地形图进行地质勘察、线路选线、工点初设等工作，其缺点是一方面基于平面图的信息量小，缺乏立体感，导致勘测视野有限，外业作业强度大，另一方面铁路勘测前期地理信息数据丰富多样，需深入利用获取的多源地理信息数据，提高铁路勘测的效率和精度，提高勘察信息化水平。

近年来，随着空间探测技术和计算机技术的发展，遥感、地理信息系统、三维可视化等新技术已在铁路工程勘察设计领域展开了广泛的应用。三维场景的构建更加真实地反映出地形地貌及周边环境特征，一定程度上减少外业工作量，克服二维操作和地面调查的局限性，扩大地质勘察范围，加快工作进度，有效提高了信息采集、提取的准确性与效率，为铁路工程地质勘察与选线工作提供便捷可靠的手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种艰险山区多源地理信息数据融合的三维场景构建方法，克服现有技术基于二维地形图进行、受制于二维操作和地面调查、野外勘测难度大的缺陷，提高勘察质量。

本发明所采用的技术方案为：

艰险山区多源地理信息数据融合的三维场景构建方法，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

步骤一：根据不同精度需求确定数据源；

步骤二：制作不同精度的三维场景；

步骤三：不同比例尺、不同精度三维场景融合；

步骤四：将融合后的三维场景导入GIS平台，加载BIM模型、三维线条、工点设计方案，实现GIS与BIM的结合。

步骤一中：

针对1:5万-1:10万的小比例尺，选择卫星影像数据及基于卫星影像获取的数字高程模型作为数据源。

步骤一中：

针对1:2000-1:1万的比例尺，选择航飞影像制作的数字正射影像作为影像数据源；选择经过点云分类后的三维激光点云地面点数据或基于航飞影像制作的数地模数据作为数字高程模型的数据源。

步骤一中：

针对桥梁墩位、隧道洞口、边坡防护及站场的重要工点的1:500大比例尺高精度需求，采用倾斜航空摄影的方式进行数据获取。

步骤二中：

针对1:5万-1:10万比例尺需求的三维场景，采用卫星影像及数字高程模型采用DOM+DEM的方式进行三维地形场景构建，坐标系选择工程坐标系或WGS84坐标系。

步骤二中：

针对1:2000-1:1万比例尺需求的三维场景，采用航空摄影获取的航飞影像通过影像处理、空中三角测量、自动连接点匹配及像控点联测等过程获取数字高程模型，基于该数字高程模型对航飞影像逐像元进行投影差改正，获得消除畸变和位移误差的数字影像，再通过影像镶嵌生成数字正射影像，最后采用DOM+DEM的方式进行三维地形场景构建，坐标系可选择工程坐标系或WGS84坐标系。

步骤二中：

针对桥梁墩位、隧道洞口、边坡防护及站场的重要工点，采用倾斜航空摄影的方式获取影像分辨率小于5cm的倾斜影像，通过影像处理、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、TIN网构建、纹理映射、三维模型编辑的过程制作高精度三维实景模型数据。

步骤三具体为：

对步骤二中所述的不同比例尺的三维场景数据进行羽化，保证不同精度数据之间的平滑过渡，再进行裁切、镶嵌等操作，形成线路中线两侧不同宽度、不同范围内不同精度的三维场景数据。

本发明具有以下优点：

本发明针对艰难山区铁路勘察设计、施工、运营维护等不同建设阶段的需求，融合多源数据构建不同精度、不同分辨率的三维模型场景，突破传统二维平面的局限性，有效提高信息采集、提取的准确性与效率，提高铁路勘察设计的信息化水平和质量，实现空间数据的直观化和可视化，有效满足铁路勘察设计及后期管理应用的需求。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

铁路勘察设计行业任务繁重，大量新建线路面临严峻的自然条件，地形条件复杂，山高谷深、交通不便。传统勘察设计主要基于二维地形图进行，受制于二维操作和地面调查的局限性，野外勘测的难度加大，勘察质量难以保证。针对艰难山区铁路勘察设计、施工、运营维护等不同建设阶段的需求，本发明提供了一种艰险山区多源地理信息数据融合的三维场景构建方法，包括以下步骤：

步骤一：根据所需成果的不同精度需求确定数据源。

作业前收集技术要求，根据设计专业提供的范围及精度需求确定数据源及成果所需比例尺。

针对1:5万-1:10万等小比例尺，选择卫星影像数据及基于卫星影像获取的数字高程模型作为数据源。

针对1:2000-1:1万比例尺，选择航飞影像制作的数字正射影像作为影像数据源。选择经过点云分类后的三维激光点云地面点数据或基于航飞影像制作的数地模数据作为数字高程模型的数据源。

针对桥梁墩位、隧道洞口、边坡防护及站场等重要工点的1:500大比例尺高精度需求，采用倾斜航空摄影的方式进行数据获取。

步骤二：制作不同精度三维场景。

针对1:5万-1:10万比例尺需求的三维场景，采用公开的卫星影像及数字高程模型采用DOM+DEM的方式进行三维场景构建，坐标系可选择工程坐标系或WGS84坐标系。

针对1:2000-1:1万比例尺需求的三维场景，采用航空摄影获取的航飞影像通过影像处理、空中三角测量、自动连接点匹配及像控点联测等过程获取数字高程模型，基于该数字高程模型对航飞影像逐像元进行投影差改正，获得消除畸变和位移误差的数字影像，再通过影像镶嵌生成数字正射影像，最后采用DOM+DEM的方式进行三维场景构建，坐标系可选择工程坐标系或WGS84坐标系。

针对桥梁墩位、隧道洞口、边坡防护及站场等重要工点，所需精度较高，采用倾斜航空摄影的方式获取影像分辨率小于5cm的倾斜影像，通过影像处理、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、TIN网构建、纹理映射、三维模型编辑等过程制作高精度三维实景模型数据。

步骤三：不同比例尺、不同精度三维场景融合。

对步骤二中所述的不同比例尺的三维场景数据根据需求选择不同精度的三维场景数据进行羽化，保证不同精度数据之间的平滑过渡，再进行裁切、镶嵌等操作，形成线路中线两侧不同宽度、不同范围内不同精度的三维场景数据。此外，可根据实际需求导入倾斜实景模型，实现多比例尺三维场景数据的融合。

步骤四：多尺度三维场景的应用。

进行BIM正向设计、方案汇报、工点初设优化、辅助线路选线时可直接将步骤三中融合后的三维场景导入GIS平台，通过设置对应的坐标系将三维直接定位至其空间绝对位置，通过加载BIM模型、三维线条、工点设计方案，实现“GIS与BIM结合”。

进行BIM展示、地质遥感调查（包括地质信息解译、不良地质解译、危岩落石判别等）时将倾斜三维实景模型导入GIS平台，最大限度的还原真实地形地貌特征，便于地质解译人员从多角度观察，实现无死角展示地质体及周边场景，快速翔实地进行地质灾害、地质信息等的识别，提高成果的丰富性及可用性。

如藏东南某铁路工程，根据勘察设计、方案汇报、方案优化等不同阶段的需求制作多源数据融合的三维场景数据。

根据设计专业提供的范围及地形精度要求确定飞行平台及传感器类型，根据地形情况进行航带设计，分别进行了直升机机载激光扫描数据、无人机机载激光扫描数据、直升机倾斜摄影数据、无人机倾斜摄影数据、DMCIII航摄影像数据的获取。

基于DMCIII航摄影像通过影像融合、空中三角测量、像控点联测、立体测图、影像镶嵌与裁切等过程获取1:2000比例尺的数字地面模型、数字正射影像。

采用机载激光扫描数据通过点云数据预处理、点云数据航带匹配、航带拼接与裁切、点云分类等过程获取1:500比例尺的数字高程模型。

基于倾斜影像通过影像处理、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、TIN网构建、纹理映射、三维模型编辑等过程制作1:500比例尺的三维实景模型数据。

将获取的多精度的数字高程模型和数字正射影像通过DOM+DEM的方式制作三维数据，并进行拼接融合，制作三维场景。将制作的倾斜三维实景模型和三维地形导入GIS平台，形成多精度的三维场景。

将线路方案、BIM模型、工点初设等输入GIS平台，用于进行方案汇报、线路方案优化、BIM模型展示、工点优化与调整、三维漫游制作、电子沙盘制作等。

该工程基于三维场景先后进行了方案汇报、方案比选、线路选线、地质遥感解译、BIM正向设计、BIM模型展示、工点优化调整、电子沙盘制作等工作，大大提高了勘察设计的信息化水平和质量，提高了作业效率及作业人员安全性，丰富了产品成果内容及可用性，产生了巨大的社会及经济效益。

本发明采用多源地理信息数据进行艰险山区铁路三维场景的制作创造性的将航摄影像、倾斜影像、三维激光扫描数据进行融合，以高清晰度、高精度、大规模、多角度的方式全面感知复杂场景，实现了铁路工程空间数据的直观化和可视化，降低了勘测安全风险，提高了勘察设计的信息化水平和质量，对提高勘察效率起到了关键性的作用，随着全国铁路网不断扩大的建设需求和三维重建技术的进一步发展，具有巨大的社会和经济效益。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。