高分遥感三维可视化铁路选线辅助决策系统及方法与流程

1.本发明涉及铁路地形测绘技术领域，具体为高分遥感三维可视化铁路选线辅助决策系统及方法。


背景技术：

2.2011年，韩春华、易思蓉等基于最优路径分析研究了一种改进的dijkstra算法，基于知识推理在控制点之间自动生成最优路径，但其优化算法对相关参数依赖性比较大，目前参数的选取还没有一套完整的方法体系；
3.西南交通大学易思蓉教授对虚拟环境的铁路选线设计方法及平面自动优化方法进行了大量的研究，其将虚拟环境概念引入铁路勘测设计中，提出了“智能环境建模”、“自然环境建模”等概念，并研究了虚拟环境中知识的表达模式和面向对象的推理机制，开发了基于虚拟环境的铁路新路线设计智能cad原型系统，该种方应用于铁路新线设计智能cad原型系统中，在irlcad系统中进行了实验，但该方法要求从一个已知初始点出发进行迭代计算，初始点的选择对于优化效率具有很大的影响；
4.中南大学的杨柏林在铁路智能选线方面根据主要技术标准完成了铁路线路空间位置定位和规划，提出了一种基于改进hao模型与基于rosenbrock的pso算法(rpso)的三维空间智能选线方法，并以此方法结合arcgis地理信息系统开发了一款三维空间智能选线实用化系统，但是该系统仅考虑了部分的约束条件，在费用计算上对于工程投资、工程费用、征地拆迁、环境影响方面考虑的因素较少；
5.cheng和lee提出了邻域启发线形优化模型来寻找得到平面线形，并用一个混合的整数规划方法寻找纵断面线形。该模型在目标函数中考虑了土方、桥涵、隧道等多种费用，并在平面线形优化中在满足曲线约束的同时直接加入缓和曲线，更加符合实际线形，但该模型是一种两阶段方式得到的三维线形，即先优化平面线形，再在此基础上优化纵断面线形，模型容易陷入局部最优；
6.现如今市面上的铁路选线优化系统较多，但大多数的线路优化系统不够直观，多是二维成像，路线设计难度大，并且线路计算和成本计算存在一定的差距，降低了设备的可靠性，并且现有的计算方法复杂，计算效率低下，降低了工作效率。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供高分遥感三维可视化铁路选线辅助决策系统及方法，以解决上述背景技术中提出计算效率低、误差大以及结果不直观的问题。
8.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：高分遥感三维可视化铁路选线辅助决策系统，包括显示屏，所述显示屏上依次安装有项目管理模块、高分影像提取模块、平面设计模块、横纵断面设计模块和设计评价模块。
9.优选的，所述项目管理模块包括三维可视化模块、三维漫游模块、三维建模模块、设计资料管理与输出模块、新建项目模块、打开项目模块、保存项目模块和加载项目模块，
三维可视化模块位于三维漫游模块上方，且三维漫游模块位于三维建模模块上方，三维建模模块位于设计资料管理与输出模块上方，且设计资料管理与输出模块位于新建项目模块上方，新建项目模块位于打开项目模块上岗，且打开项目模块位于保存项目模块上方，保存项目模块位于加载项目模块上方。
10.优选的，所述高分影像提取模块包括影像新建模块、影像删除模块、影像加载模块和保存识别模块，影像新建模块位于影像删除模块的一侧，且影像删除模块位于影像加载模块的一侧，影像加载模块位于保存识别模块的一侧。
11.优选的，所述平面设计模块包括手动选线模块、自动选线模块、节点编辑模块、线路新建模块、线路编辑模块、线路删除模块、线路保存模块和智能优化模块，手动选线模块位于自动选线模块上方，且自动选线模块位于节点编辑模块的上方，节点编辑模块位于线路新建模块的上方，且线路新建模块位于线路编辑模块的上方，线路编辑模块位于线路删除模块的上方，且线路删除模块位于线路保存模块的上方，线路保存模块位于智能优化模块的上方。
12.优选的，所述横纵断面设计模块包括断面新建模块、断面编辑模块、断面删除模块、断面保存模块、断面调设模块和断面生成模块，断面新建模块位于断面编辑模块上方，且断面编辑模块位于断面删除模块上方，断面删除模块位于断面保存模块上方，且断面保存模块位于断面调设模块上方，断面调设模块位于断面生成模块上方。
13.优选的，所述设计评价模块包括土石方量计算模块、线路边坡点确定模块和综合评价模块，土石方量计算模块位于线路边坡点确定模块上方，且线路边坡点确定模块位于综合评价模块上方。
14.高分遥感三维可视化铁路选线辅助决策方法，包括步骤一，新建平面设计线；步骤二，生成初始导向线；步骤三，导向线智能优化；步骤四，节点详细编辑；步骤五，横纵端面设计；步骤六，设计方案评价；步骤七，费用综合评价；
15.其中上述步骤一中，首先利用项目管理模块中的新建项目模块建一个新的项目，随后利用高分影像提取模块得到选线位置的高分遥感三维图像，然后利用三维可视化模块调取需要选线的位置的遥感三维图像，继而利用平面设计模块中的线路新建模块来设置设计线名称、设计线编号、起点桩号、设计时速、线路宽度等相关参数；
16.其中上述步骤二中，当步骤一中的线路参数设置完成后，利用手动选线模块进行手动选线，利用鼠标点击功能按钮，在三维图像中拾取坐标，设置设置土石方、桥梁、隧道的单价，然后设置粒子数，总循环数，随即点击确定按钮，随即线路编辑模块根据线路生成方法自动生成一条初始导向线；
17.其中上述步骤三中，当步骤二中的初始初始导向线生成后，利用智能优化模块采用粒子群算法线路进行优化，即将三维线性优化问题可以归结为研究区域内找寻最佳的线路平面和纵断面参数集的过程，其数学模型描述为：min f(x,y,r,l0,lc,h,r)，首先通过参数改进：惯性权重，收缩隐私，追踪动态系统：其次混合算法：改进粒子与粒子间的搜寻行为模式：最后以网络拓扑概念引进搜寻时个体当前最优点的方式对粒子群算法进行改进，得到粒子群优化算法，继而利用粒子群优化算法来对线路进行优化计算，包括粒子的基本搜索、静态搜索和轴搜索等步骤进行，实现过程如下：
18.1)初始化粒子维数、粒子规模、搜索范围、速度、最大迭代次数等参数；
35.式中：b——路基面宽度；δh——路基的填挖方高度，其值为该点的地面高程与格点高程差的绝对值；1:m——边坡的比率；n——路基土石方的计算段数；di——第i段的路基计算长度；ci——第i段的路基填挖方费用；a
il
——第i段的路基左侧路基横断面面积；a
ir
——第i段的路基右侧路基横断面面积；
36.综上，综合费用计算就是将线路优化过程中的多因素问题进行统一，转化为线路总费用，则费用模型表示为：
37.c＝cn cq c
l
c
qs
38.从而得出线路施工所需要的的费用；
39.其中上述步骤七中，当根据步骤六中的费用模型计算处费用后，综合评价模块对总费用、构造物费用、工程费用、占地费用等几个方面来进行费用评价，在选择了输出位置后，输出评价结果。
40.优选的，所述步骤二中，线路生成方法为：参考hao模型生成初始导向线，通过输入线路起终点坐标s(xs,ys)、e(xe,ye)，并在设计过程中考虑相关约束，坡度约束、限制连续转弯、控制点高程约束等，假设起点终点分别为s、e，连接起终点se，用m条切垂线等分se，切垂线与线路交于m个不同的点pi，这m个点即为线路交点，在m条切垂线上进行线路节点寻优，该方法并定义了两套坐标系统：一是全局坐标系，以正北为x轴，正东为y轴；二是影像局部坐标系，以影像左上角为坐标原点，影像边界分别为x、y轴，具体实现步骤如下：
41.每条切垂线上，记oi为第i条切垂线的坐标原点，其坐标为(x
oi
,y
oi
)为：
[0042][0043]
各交点pi处处的di存在于不同的一维局部坐标系，为获得线路模型的交点序列，转换到全局坐标系下，加黑色切垂线与x轴的夹角为θ，则pi的全局坐标为：
[0044][0045]
最终通过连接各个交点，形成一条链式折线，得到选线设计的初始导向线。
[0046]
优选的，所述步骤三中，粒子群算法pso基本原理如下：
[0047]vid
＝ωv
id
c1random(0,1)(p
id-x
id
) c2random(0,1)(p
gd-x
id
)
[0048]
x
id
＝x
id
v
id
[0049]
其中，ω为惯性因子其值非负，通过调整其值，可以对全局寻优性能和局部寻优性能进行调整，c1和c2为加速常数，前者为每个粒子的个体学习因子，后者为每个粒子的社会学习因子，通常设置c1＝c2＝2，random(0,1)表示区间[0,1]的随机数，p
id
表示第i个变量的个体极值的第d维，p
gd
表示全局最优解的第d维。
[0050]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明利用高分影像提取模块提取线路规划地的高分遥感三维数据源，同时通过三维建模模块构建了基于高分遥感影像沉浸式三维场景，并且通过三维可视化模块进行显现，增加了线路的直观性，提升了显示效果，并且采用基础hao模型建立线路初始导向线，并利用rpso粒子群优化算法对线路平纵面进行了优化，方法简单直接，大大提高了计算的效率，并且降低了误差，提升了计算结果的
可靠性。
附图说明
[0051]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0052]
图1是本发明的整体结构框图；
[0053]
图2是本发明的技术路线流程图；
[0054]
图3是本发明的系统流程图；
[0055]
图4是本发明的障碍物规避前示意图；
[0056]
图5是本发明的障碍物规避后示意图；
[0057]
图6是本发明的粒子群优化算法流程图；
[0058]
图7是本发明的方法流程图；
[0059]
图中：1、项目管理模块；2、高分影像提取模块；3、平面设计模块；4、横纵断面设计模块；5、设计评价模块；6、显示屏；101、三维可视化模块；102、三维漫游模块；103、三维建模模块；104、设计资料管理与输出模块；105、新建项目模块；106、打开项目模块；107、保存项目模块；108、加载项目模块；201、影像新建模块；202、影像删除模块；203、影像加载模块；204、保存识别模块；301、手动选线模块；302、自动选线模块；303、节点编辑模块；304、线路新建模块；305、线路编辑模块；306、线路删除模块；307、线路保存模块；308、智能优化模块；401、断面新建模块；402、断面编辑模块；403、断面删除模块；404、断面保存模块；405、断面调设模块；406、断面生成模块；501、土石方量计算模块；502、线路边坡点确定模块；503、综合评价模块。
具体实施方式
[0060]
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。
[0061]
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：高分遥感三维可视化铁路选线辅助决策系统，包括显示屏6，显示屏6上依次安装有项目管理模块1、高分影像提取模块2、平面设计模块3、横纵断面设计模块4和设计评价模块5，项目管理模块1包括三维可视化模块101、三维漫游模块102、三维建模模块103、设计资料管理与输出模块104、新建项目模块105、打开项目模块106、保存项目模块107和加载项目模块108，三维可视化模块101位于三维漫游模块102上方，且三维漫游模块102位于三维建模模块103上方，三维建模模块103位于设计资料管理与输出模块104上方，且设计资料管理与输出模块104位于新建项目模块105上方，新建项目模块105位于打开项目模块106上岗，且打开项目模块106位于保存项目模块107上方，保存项目模块107位于加载项目模块108上方，高分影像提取模块2包括影像新建模块201、影像删除模块202、影像加载模块203和保存识别模块204，影像新建模块201位于影像删除模块202的一侧，且影像删除模块202位于影像加载模块203的一侧，影像加载模块203位于保存识别模块204的一侧，平面设计模块3包括手动选线模块301、自动选线模块302、节
点编辑模块303、线路新建模块304、线路编辑模块305、线路删除模块306、线路保存模块307和智能优化模块308，手动选线模块301位于自动选线模块302上方，且自动选线模块302位于节点编辑模块303的上方，节点编辑模块303位于线路新建模块304的上方，且线路新建模块304位于线路编辑模块305的上方，线路编辑模块305位于线路删除模块306的上方，且线路删除模块306位于线路保存模块307的上方，线路保存模块307位于智能优化模块308的上方，横纵断面设计模块4包括断面新建模块401、断面编辑模块402、断面删除模块403、断面保存模块404、断面调设模块405和断面生成模块406，断面新建模块401位于断面编辑模块402上方，且断面编辑模块402位于断面删除模块403上方，断面删除模块403位于断面保存模块404上方，且断面保存模块404位于断面调设模块405上方，断面调设模块405位于断面生成模块406上方，设计评价模块5包括土石方量计算模块501、线路边坡点确定模块502和综合评价模块503，土石方量计算模块501位于线路边坡点确定模块502上方，且线路边坡点确定模块502位于综合评价模块503上方。
[0062]
请参阅图4-7，本发明提供一种技术方案：高分遥感三维可视化铁路选线辅助决策方法，包括步骤一，新建平面设计线；步骤二，生成初始导向线；步骤三，导向线智能优化；步骤四，节点详细编辑；步骤五，横纵端面设计；步骤六，设计方案评价；步骤七，费用综合评价；
[0063]
其中上述步骤一中，首先利用项目管理模块1中的新建项目模块105建一个新的项目，随后利用高分影像提取模块2得到选线位置的高分遥感三维图像，然后利用三维可视化模块101调取需要选线的位置的遥感三维图像，继而利用平面设计模块3中的线路新建模块304来设置设计线名称、设计线编号、起点桩号、设计时速、线路宽度等相关参数；
[0064]
其中上述步骤二中，当步骤一中的线路参数设置完成后，利用手动选线模块301进行手动选线，利用鼠标点击功能按钮，在三维图像中拾取坐标，设置设置土石方、桥梁、隧道的单价，然后设置粒子数，总循环数，随即点击确定按钮，随即线路编辑模块305根据线路生成方法自动生成一条初始导向线，且线路生成方法为：参考hao模型生成初始导向线，通过输入线路起终点坐标s(xs,ys)、e(xe,ye)，并在设计过程中考虑相关约束，坡度约束、限制连续转弯、控制点高程约束等，假设起点终点分别为s、e，连接起终点se，用m条切垂线等分se，切垂线与线路交于m个不同的点pi，这m个点即为线路交点，在m条切垂线上进行线路节点寻优，该方法并定义了两套坐标系统：一是全局坐标系，以正北为x轴，正东为y轴；二是影像局部坐标系，以影像左上角为坐标原点，影像边界分别为x、y轴，具体实现步骤如下：
[0065]
每条切垂线上，记oi为第i条切垂线的坐标原点，其坐标为(x
oi
,y
oi
)为：
[0066][0067]
各交点pi处处的di存在于不同的一维局部坐标系，为获得线路模型的交点序列，转换到全局坐标系下，加黑色切垂线与x轴的夹角为θ，则pi的全局坐标为：
[0068][0069]
最终通过连接各个交点，形成一条链式折线，得到选线设计的初始导向线；
[0070]
其中上述步骤三中，当步骤二中的初始初始导向线生成后，利用智能优化模块308采用粒子群算法线路进行优化，即将三维线性优化问题可以归结为研究区域内找寻最佳的线路平面和纵断面参数集的过程，其数学模型描述为：min f(x,y,r,l0,lc,h,r)，粒子群算法pso基本原理如下：
[0071]vid
＝ωv
id
c1random(0,1)(p
id-x
id
) c2random(0,1)(p
gd-x
id
)
[0072]
x
id
＝x
id
v
id
[0073]
其中，ω为惯性因子其值非负，通过调整其值，可以对全局寻优性能和局部寻优性能进行调整，c1和c2为加速常数，前者为每个粒子的个体学习因子，后者为每个粒子的社会学习因子，通常设置c1＝c2＝2，random(0,1)表示区间[0,1]的随机数，p
id
表示第i个变量的个体极值的第d维，p
gd
表示全局最优解的第d维，首先通过参数改进：惯性权重，收缩隐私，追踪动态系统：其次混合算法：改进粒子与粒子间的搜寻行为模式：最后以网络拓扑概念引进搜寻时个体当前最优点的方式对粒子群算法进行改进，得到粒子群优化算法，继而利用粒子群优化算法来对线路进行优化计算，包括粒子的基本搜索、静态搜索和轴搜索等步骤进行，实现过程如下：
[0074]
1)初始化粒子维数、粒子规模、搜索范围、速度、最大迭代次数等参数；
[0075]
2)计算每个粒子的适应度；
[0076]
3)将每个粒子的适应值与自身所经历过的最好位置pbest的适应值相比较，如果较好，则将其作为最好的位置，并更新pbest；
[0077]
4)将每个粒子的适应值与全局所经历过的最好位置gbest的适应值相比较，如果较好，则将其作为当前的全局最好位置，并更新gbest；
[0078]
5)更新各个粒子的速度与位置；
[0079]
6)如果满足结束条件，输出gbest，否则返回2)；
[0080]
在线路地物的自动规避方面，采用线性相交判别方法实现，基本思路如下：已知(x1,y1),(x2,y2)，可确定直线ax by c＝0。其中通过对a、b、c三个系数的计算可以得到直线的交点坐标(x,y)，检测交点是否在线段上只需要判断(y-y1)/(y-y2)符号即可，若其值为负说明该点在线段上，在线段上则需要对进行规避，具体实现方法如下：如果判断了第i条切垂线上的节点与第i-1条切垂线已寻找到的点的线段与地物矢量多边形的任意一条边相交，则在第i条切垂线上继续寻找满足坡度要求且规避地物的线路节点pi，自动规避障碍物之后形成优化后的线路；
[0081]
其中上述步骤四中，当步骤三中的线路优化之后，通过skyline独特的三维漫游模块102中的三维漫游功能，查看生成线路的每个节点详细信息，并利用节点编辑模块303对坐标、参数、转角等信息查看以及节点处连接线类型的修改；
[0082]
其中上述步骤五中，当步骤四中的详细节点修改完成后，横纵断面设计模块4生成该条线路的横纵断面信息，并且预制铁路道路、桥梁、隧道等标准横断面，自动完成横纵断面地面线的提取和计算；
[0083]
其中上述步骤六中，当步骤五中的横纵端面设置完成后，设计评价模块5中的土石方量计算模块501计算显示并输出已选线路方案土石方量，根据费用模型，综合考虑经济、环境多目标对路线方案进行设计评价，计算模型为：
[0084][0085]
其中，kj为第j类地块的建设单价,j＝1,2,3,...,m，aj为道路覆盖的第j类地块的面积，与位置相关的费用cn，与长度相关的费用计算思路为：选线阶段假设线路仅由直线单元和圆曲线单元构成，设ri为第i个交点圆曲线半径，ci(xci,yci)和ti(xti,yti)分别为第i个交点处的zy点和yz点，δi为第i个交点处的曲线转角，则线路总长度ln为：
[0086][0087]
式中：n为圆曲线总数，与道路相关的费用还包括一些工程费用以及环境相关费用，其中路基土石方费用最为重要，相应路基土石方费用采用下面公式计算：
[0088][0089]
其中，路基横断面面积算法公式如下：
[0090]
a＝b
·
δh m
·
δh2[0091]
式中：b——路基面宽度；δh——路基的填挖方高度，其值为该点的地面高程与格点高程差的绝对值；1:m——边坡的比率；n——路基土石方的计算段数；di——第i段的路基计算长度；ci——第i段的路基填挖方费用；a
il
——第i段的路基左侧路基横断面面积；a
ir
——第i段的路基右侧路基横断面面积；
[0092]
综上，综合费用计算就是将线路优化过程中的多因素问题进行统一，转化为线路总费用，则费用模型表示为：
[0093]
c＝cn cq c
l
c
qs
[0094]
从而得出线路施工所需要的的费用；
[0095]
其中上述步骤七中，当根据步骤六中的费用模型计算处费用后，综合评价模块503对总费用、构造物费用、工程费用、占地费用等几个方面来进行费用评价，在选择了输出位置后，输出评价结果。
[0096]
基于上述，本发明的优点在于，该发明使用时利用三维可视化模块101和三维建模模块103调取高分遥感三维数据源，构建基于高分遥感影像沉浸式三维场景，便于更加直观的选取铁路线路，并且我们采用基础hao模型建立线路初始导向线，并利用rpso粒子群优化算法对线路平纵面进行了优化，能够显著提高计算的效率和最终结果的可靠性。
[0097]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0098]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。