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1、浅谈数字高速公路中的关键技术袁功青（华南理工大学 土木与交通学院 ，广东 广州 510640） 摘要：本文简要介绍数字高速公路的含义，探讨了虚拟现实技术以及3S技术在数字高速公路中的应用。通过对数字高速公路的关键技术的研究，为数字高速公路的实现从技术方面提供了有力的支持。关键字：高速公路；数字化；虚拟现实；3S技术1引言 随着交通建设的快速发展，高速公路的规划和管理越来越重要，但是过去高速公路信息多数是二维的，对于交通景观停留在效果图的制作上，而高速公路的许多管理数据如各路段的车流量、路况等都是相对孤立的，如何建立高速公路数字模型，并将高速公路的信息进行集成。建立数字高速公路信息平台软件整体框
2、架，使之服务于高速公路乃至交通建设的规划与管理。数字高速公路，并不是指互联网，“数字高速公路”是数字地球的一个重要组成部分和重要支撑手段之一。是对真实高速公路及其相关现象统一的数字化重现和认识。综合运用计算机数字化手段（GIS、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟现实等技术）对城市的基础设施、功能机制进行全方位的数字采集和处理，具有高速公路的地理、资源、生态环境、人口、经济、社会信息等复杂系统的数字化、网络化、优化决策的强大功能，用于重大决策的效果预演和对未来发展预测的技术系统。其核心思想是用数字化的手段来处理整个高速公路的诸方面的问题，最大限度地利用资源和信息，并使人们能够通过一定方式方便地获得他
3、们所想了解的有关高速公路的信息，其特点是嵌入高速公路海量地理数据，实现多分辨率、二维对高速公路的描述，即“虚拟高速公路”。即用数字的方法将高速公路的空间信息、公路上的车辆情况及整个公路环境的信息进行集成，实现在网络上的流通，并使之最人限度地为人类的交通极其环境的可持续发展服务。并利用它作为具来支持和改善人类活动和生活质量。2数字高速公路概述数字化是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型，把他们转变为一系列二进制代码，如计算机内部，进行统一处理，这就是数字化的基本过程。数字高速公路就是一个用数字表达的高速公路的各种信息综合信息平台。数字高速公路涉
4、及到数字化技术、数据构模、决策支持到虚拟现实、信息网络与监控系统等多个领域。本文主要研究如何建立高速公路数字模型，并将高速公路的信息进行集成。建立数字高速公路信息平台软件整体框架，使之服务于高速公路乃至交通建设的规划与管理。“数字高速公路”是数字地球的一个重要组成部分和重要支撑手段之一。它是对真实高速公路及其相关现象统一的数字化重现和认识。是通过计算机数字化手段、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟现实等技术对高速公路的基础设施、功能机制进行全方位的数字采集和处理，并具有高速公路的地理、资源、生态环境、人口、经济、社会信息等复杂系统的数字化、网络化、优化决策的强人功能。其核心思想是用数字化的手段来处
5、理整个高速公路的诸方面的问题，最大限度地利用资源和信息，并使人们能够通过一定方式方便地获得他们所想了解的有关高速公路的信息。由于数字高速公路是嵌入了海量地理数据，需实现多分辨率、三维对高速公路的描述，也称为“虚拟高速公路”，也就是用数字的方法将高速公路的空间信息、公路上的车辆情况及整个公路环境的信息进行集成，实现在网络上的流通。利用它作为具来支持和改善人类活动和生活质量。3 数字高速公路中的关键技术3.1 虚拟现实技术 数字高速公路的一个显著的技术特点是虚拟现实技术。虚拟现实技术为人类观察自然，欣赏景观，了解实体提供了身临其境的感觉。最近儿年，虚拟现实技术发展很快。虚拟现实造型语言是一种面向、
6、面向对象的二维造型语言，而且它是一种解释性语言。它不仅支持数据和过程的二维表示，而且能使用户走进视听效果逼真的虚拟世界，从而实现数字高速公路的数字化表示。虚拟现实通过计算机整合图像、声音、动画等，将三维的现实环境进行模拟，再通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生犹如身临其境的交互式视景仿真，并可选择任一角度，观看任一范围内的场景。止是由于对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性的追求，以及个人能够沉浸其中，超越其上进出白如交互作用的多维信息系统推动了虚拟现实技术在交通建设中的发展与应用。当前虚拟现实技术已在欧美、台湾等地区广泛使用，由于在高速公路地域涉及范围太广，二维数据模型需求量太大，这就使得
7、二维建模与数据处理的工作量太大，生成的模型很难与周边环境的融合，大大降低了模型的三维表现效果，同时，作周期太长，软硬件投资太大。因此，研究如何利用当前最新的二维建模技术，实现对高速公路的二维模型的快速建立实现直观、可行的可视化辅助手段，势在必行。3.1.1 VRML简介 VRML定义了一种包含二维图像和多媒体的文件格式，从概念上讲，第一个VRML文件者是一个包含可以通过不同机制进行改变的声音对象的基于时间的三维空间。每个VRML文件都应该具备以上特点隐式创建一个包括文件中定义的所有物体的二维空间显式定义和包括一系列的二维和多媒体对象，创建到其他文件或项目的超级连接能够定义对象行为，内联其它VR
8、ML文件等。VRML是一个三维造型和渲染的图形描述性语言，它把一个“虚拟世界”看作一个“场景”，而场景中的一切看作“对象”也就只是“结点”，对每一个对像的描述就构成了WRL文件；VRML的图形渲染是“实时”的；VRML是面向网络的，它是为网络而生的，并随网络而发展的，它的巧妙之处在于避免了在网上传输无限容量的一帧帧视频图像，而传输的是有限容量的WRL文件，即只传送描述场景的模型，而把动画帧的生成放在本地。3.1.2 VRML交互技术 VRML本身并不具各与外部交互的能力，它必须和其它语言相结合才能构造出具备交互能力的三维场景。尽管VRML组织决定VRML2.0不需要任何特殊语言，这个决定部分是
9、基于避免“语言战争”的愿望，而且基于这样的决心没有一种语言能够满足组织的所有要求。但是由于Java与网络的有力和紧密的统一性，Java被大多数严肃VRML的开发商采用。VRML2.0可以通过扩展其执行模式进入Java世界，即活动行为通过一个特殊节点来连接VRML世界和Java世界这个节点称为Script节点。Script节点可以像其它的VRML2.0节点一样旋转在场景等级中的任何地方；可以用DEF命名它；可以从它那里移走事件，也可以把事件传给它。但是Script节点的字段是由用户延伸的到达这些字段的字段会自动移到和Script节点相关程序中。3.1.3 虚拟现实技术在数字高速公路中的应用 通过
10、高速公路可视化，利用现有航空遥感资料和地形资料，以现有航空遥感资料与地形资料为基础，实现二维模型的快速建立与纹理提取以二维模型为基础，利用二维可视化技术来表现高速公路景观风貌对己建立的二维模型进行统一管理，结合数字摄影测量领域、三维建模和海量数据漫游的技术，完成高速公路的可视化。利用矢量地形图生成了该地区的现状多层二维模型，根据要求，在相应的三维软件中将上述现状高层模型与多层二维模型结合到一起，共同构成二维模型。通过相应的三维GIS软件将已经生成的地区的三维模型管理起来并对之进行相应的三维GIS管理与查询调用除了实现三维可视化外，同时将最终结果以VRML（虚拟现实建模语言）方式存储。充分利用现
11、有的航空遥感资料和地形资料，方便高速公路基础二维数据的快速采集与更新高速公路现状二维模型的建立可以充分利用现有的高速公路航空遥感资料与矢量地形资料，通过对上述资料的数据处理，快速采集生成高速公路三维模型。同时，利用高速公路航空遥感资料更新快速的特点，实现对高速公路基础三维数据的快速更新。能够实现多源三维数据的融合该方案可以同时兼容当前主流的三维数据格式，如：Max、Viz、3ds、3d、Wrl、3dv、Dxf等。其数据开放，易于普及推广，其中最终成果采用Avi、Scm、Mov、Wrl等常用多媒体或Internet虚拟现实格式，几乎支持当前所有土流配置计算机，非常易于普及推广。3.2 3S技术
12、近年来，交通地理信息系统GIS-T、全球卫星定位系统（GPS）、智能交通运输系统ITS等高科技的出现，使得道路交通将要和正在发生根本性变化。智能交通运输系统将给人们的交通生活提供更方便、安全、高效的交通环境交通地理信息系统可以作为智能交通运输系统的子系统，也可以独白成为系统，应用到交通规划、道路设计、交通管理等方面，使得道路交通规划与管理作业简单化、实用化和合理地进行决策支持，提高工作效率全球卫星定位系统以其精度高、全大候的优势，迅速进入交通领域，在道路一程、汽车导航、汽车定位和交通管理几作中得到了“泛的应用。3S技术也是数字高速公路的关键技术之一。3.2.1交通地理信息系统GIS-T 地理信
13、息系统是收集、管理、操作、分析和显示空间数据的计算机软硬件系统。的发展始于60年代，是计算机同步发展的结果。今大的地理信息系统集成了计算机数据库技术和计算机图形辅助设计软件。在图象处理上比上述两类软件更加全面，即地理信息系统所处理的事物对象具有空间地理特征，也具有统计信息特征。在数字高速公路应用地理信息系统将空间信息数字化，并使这些信息可视化，通过功能强大的软件，使空间分析直观简明，数据管理便捷高效。通过GIS-T技术应用，数字高速公路实现交通信息管理，成为科学管理和决策的依据。基于公路数据库基础上的交通地理信息系统GIS-T的研究是公路建设管理现代化的基础。它不仅能够适应各种层次管理部门随时
14、了解已有公路现状的需求，同时还能够通过强大的空间分析能力和丰富的图表显示，实现公路养护管理的电子化。基于地理信息系统GIS发展起来的交通地理信息系统GIS-T，是以与道路交通关联的各类空间数据库和属性数据为基础，在计算机软、硬件技术支持卜，实现对道路地理空间信息和交通信息的收集、存储、管理、检索、处理和综合分析，以满足用户需要的计算机系统。GIS-T处理的数据主要是道路空间数据和属性数据。空间数据包括图形数据（与位置有关的坐标系中点、线、面的基本图形数据）、选择性数据（构造图形时，要求的线幅、线类型、颜色等数据）、图形空间的关联数据（空间实体的拓扑结构数据）。属性数据是与空间位置无关的，对图形
15、空间实体予以描述和说明的数据。交通地理信息系统GIS-T的主要功能和作用：（1）基本功能可以编辑、制图和测量图层。编辑功能允许用户添加和删除点、线、面或改变它们的属性制图功能可以灵活多样地制作和显示地图，分层输出多种地图，如交通规划图、道路图等，可以显示地理要素、技术数据，并可以放大或缩小测量功能用于测量地图上某一线段的长度或某个指定区域的面积。（2）叠加功能可以将两幅以上的图层在空间上比较地图要素和属性，包括合成叠加和统计叠加合成叠加得到一个新图层它将显示原图层的全部特征，交叉的特征区域仅显示共性特征；统计叠加是为了统计一种要素在另一种要素中的分布特征。（3）动态分段功能将地图网络中的连线根
16、据其属性将特征相近的连线分段。如路面管理中，可根据路面铺装材料是采用沥青混凝土还是水泥混凝土将路网图分段。（4）地形分析功能以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形，为道路设计创建一个二维地表模型。（5）路径优化功能可以为用户提供对路网中任意两点间最佳行走路径的服务。 交通地理信息系统GIS-T应用于数字高速公路中，改变了传统的信息管理方法，由传统的静态记录变为信息丰富多样的动态记录，实现了数据可视化。实现直接信息查询，可以获得道路线路的空间位置和走向、技术标准、交通流量等多方位的信息。数字高速公路中能利用GIS-T的路径优化功能，分析客货流量的变化情况，合理调度车辆。运输经营者可以利用，并根据专题地图的统计分析功能，交通管理部门可依据GIS-T制定交通管制方案，根据道路施工情况、交通堵塞、事故等情况及时疏导交通。也能使得交通规划
