Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用 ２０１０，４６（２） １９５ ◎工程与应用◎ 基于特征的复杂地铁车站三维数字建模方法与应用 琚 娟 ＪＵ Ｊｕａｎ 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海２００００２ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，ｓｈａｎｇｈａｉ ２００００２，Ｃｈｉｎａ Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｕｊｕａｎ２００１ｃｎ＠ｙａｈｏｏ．ｔｏｍ．ｃｎ ｊｕ Ｊｕａｎ．３Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｅａｔｕｒｅ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｆｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１０，４６（２）： １９５—１９６． Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｈａｐｅ，ｓｕｃｈ ａｓ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ，ｉｓ ｓｔｉｌｌ ａ ｇｒｅａｔ ｃｈａｌ— ｌｅｎｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ３Ｄ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｌｔｈｏｕｇｈ ｓｔｒａｔｕｍ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｅａｓｉｌｙ ｗｉｔｈ Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅｄ Ｉｒｒｅｇｕ— ｌａｒ Ｎｅｔ（ＴＩＮ）ｏｒ ｏｔｈｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ａｎ ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｗａｙ ｔＯ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｑｕｅｓｔｉｏｎ ｂｙ ａ ３Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ａ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｅａｔｕｒｅ－ｂａｓｅｄ；３Ｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ 摘要：三维地下空间数字建模中，地层建模通过三角网等方法已经能够方便地实现，地下建（构）筑物的快速建模目前仍然是一 个难题，尤其是对体形复杂的地下结构，如地铁枢纽车站。通过将基于特征的建模方法应用于一个复杂地铁枢纽车站建模实例，证 明基于特征的建模方法能够有效解决复杂地下建（构）筑物数字建模的困难。 关键词：基于特征；三维数字建模；复杂地铁枢纽车站 ＤＯＩ：１０．３７７８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—８３３１．２０１０．０２．０５７ 文章编号：１００２—８３３１（２０１０）０２—０１９５—０２ 文献标识码：Ａ 中图分类号：Ｐ２０８ １工程概况 上海轨道交通“世纪大道一东方路换乘节点”是上海市四条 轨道交通的—个重要换乘枢纽，交汇点在浦东新区世纪大道与 工程的角度，对形体的各个组成部分及其特征进行定义，使所 描述的形体更具有工程意义。特征造型技术是ＣＡＤ／ＣＡＭ技术发 展中的—个新里程碑，已经被公认为是实现ＣＡＤ、ＣＡＰＰ、ＣＡＭ、 东方路交界口。６号线世纪大道站以地下一层的形式横跨世纪 车站呈“卅”字型换乘。其中，２号线和９号线主体结构为两柱 箱型结构。该换乘节点的平面布置如图１所示。 ＣＡＥ等系统集成化的最有希望的途径【１］。在地下空间数字化建 大道并与２号线东方路站、４号线张扬路站及规划中的９号线 模中，特征是具有工程语义和属性信息的对象建模和分析的基 本单元，特征由特征参数进行描述闭。 三跨地下两层箱型结构，４号线主体结构为两柱三跨地下三层 根据工程语义，可将地铁枢纽车站的结构划分为地铁车站、 区间隧道、连接通道３种对象，地铁车站具有主体结构、站台、 楼梯、出入口、端头井等特征，不同特征有与之对应的不同的特 征参数，如表１所示。 不同特征在程序中用不同的结构体（ｓｔｒｕｃｔ）定义，对象用 类ｃｌａｓｓ）表示，工程对应ｃ＋＋中的工程（Ｐｒｏｊｅｃｔ），部分特征的 数据结构如下： ｃｌａｓｓ ＭｅｔｒｏＳｔａｔｉｏｎ ｛ ｐｕｂｌｉｃ： ｂｏｏｌ ＲｅａｄＤａｔａｂａｓｅ（ｃｏｎｓｔ ｃｈａｒ＊ｆｎａｒｎｅ）； 图１ 东方路一世纪大道换乘节点平面布置图 ｂｏｏｌ ＷｒｉｔｅＤａｔａｂａｓｅ（）； ｂｏｏｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ（）； ｂｏｏｌ ＭｏｄｅｌｉｎｇＭａｉｎＳｔｒｕｃｔ（）； ｂｏｏｌ ＭｏｄｅｌｉｎｇＰｌａｆｆｏｒｍ（）； ２基于特征的车站三维建模方法 基于特征的建模技术是几何建模方法的自然延伸，它是从 基金项目：国家科技部、上海市科委部市合作世博科技专项（Ｎｏ．０５ｄｚ０５８０６）；教育部第四届高校青年教授奖励计划项目。 ｆ乍者简介：琚娟（１９７９一），女，工学博士，从事地下空间数字化研究和岩土工程设计咨询工作。 收稿１３期：２００９一Ｏ１—２２ 修回珏期：２００９～０３—１７ １９６ ２０１０，４６（２） Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用 出一定距离，为方便换乘，站台与换乘区域问用两处大宽度步 行楼梯（红色）相连。 表１地铁结构特征参数 一一 图２地铁枢纽车站三维模型图 图３抉秉区域细节显示图 三维模型可以起到很好的直观展示作用，但二维剖面图有 时也非常需要。建立好三维模型后，可以通过布尔运算得到所 需的二维剖面图，对局部重点关注区域做个案研究，分析对象 之间的邻接关系。 假设需要了解图４中Ａ平面处９．２、４号线区间隧道的平 ｂｏｏｌ ＭｏｄｅｌｉｎｇＳｔａｉｒ（）； ｂｏｏｌ ＭｏｄｅｌｉｎｇＥｎｔｒ（）； ｐｎｖ￣ｅ： ＣＳｔｒｉｎｇ ＩＤ；｜｜缓 ｄｏｕｂｌｅ ｂ￣ｅＹ； ｄ０ｕｂｌｅ ｂａｓｅＺ； 再吗 面关系和标高差异，以及Ｂ平面处９．２、４号线车站的相邻关系 及埋深情况，通过系统提供的剖面分析功能，可以得到图５、图 ６所示的结果。 ｄｏｕｂｌｅ ｂａｓｅＸ； 基点ｘ．ｙ、ｚ坐标 ｄｏｕｂｌｅ ｌｅａｓｔｈ；，阵站长、宽、高 ｄｏｕｂｌｅ ｗｉｄｔｈ； ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｉｇｈｔ； ＣＳｔｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔＩＤ；／／主体结构型式（如两柱三跨、三柱四跨等） ＣＳｔｒｉｎｇ ｐｌａｔＩＤ；／／站台型式（如岛式站台、侧式站台） ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｎｕｍ；＃￣构层数（如地下一层、地下两层、地下三层） ＭａｉｎＳｔｒｕｅｔ ｍａｉｎｓｔｒｕｃｔ： ＰｌａｔＦｏｒｍ ｐｌａｔｆｏｒｍ； 一一 图４剖面位置示意图 图５ Ａ处剖面图 由于在数据结构中各个特征的基点坐标和特征尺寸参数之 间具有特定约束，对象各特征由相对位置定位，由相对尺寸确定 ｖｅｃ＿ｓｔｄ：：ｖｅｃｔｏｒ＜ＳｔａｔｉｏｎＰｉｌｅ＞ｍ＿ｖｅｃ＿ｓｔａｔｉｏｎｐｉｌｅｓ； ｓｔｄ：：ｖｅｃｔｏｒ＜ＳｔａｔｉｏｎＳｔａｉｒ＞ｍ＿ｓｔａｔｉｏｎｓｔａｉｒｓ； 特征轮廓，对象之问、对象特征之问的位置既能够独立调整，也可 以整体移动。这样，如果在空间分析或距离查询后发现规划或设 计方案局部存在问题，可以通过调整特征参数，迅速得到修改后 的局部效果。假设需要将９号线整体向２号线—侧平移８．６ ｎｌ，同 时将２号线车站管廊平移到４号线一侧，只需将９号线基点坐 标平移８．６ １１１，同时将２号线车站管廊的基点坐标平移１９．６４ ｍ（２ ｓｔｄ：：ｖｅｃｔｏｒ＜ＳｔａｔｉｏｎＥｎｔｒ＞ｍ＿ｖｅｃ＿ｓｔａｔｉｏｎｅｎｔｒｓ； ３三维建模与分析 地铁车站建模与分析在实验建模系统中进行。实验系统包 含数据库、基于特征的数据模型和可视化三个层次，运用ｃ＋＋ 语言、Ｃｙｔｈｉｎａ图形库曲、Ａｃｃｅｓｓ数据库实现。运用基于特征的建 模方法建立的三维地铁枢纽车站的模型如图２所示。 图２中，左侧红色区域表示拟建地铁９号线，中间绿色区 号线车站外轮廓宽度）即可，修改后的三维模型和特征参数如图 ７所示，后续的剖面图绘制可像前面—样由系统自动快速生成。 域表示已运营的地铁２号线，右侧蓝色区域表示已运营的地铁 ４号线，上方黄色区域表示拟建地铁６号线，青色区域表示连 接通道，紫色区域表示综合管廊等其他附属结构。由图２可以 看出，９、２、４号线车站的站台层前后均被端头井遮挡；从４条 线路没有封闭的站台层两端可以看到车站的结构型式：９、２、４ 号线车站为双柱三跨箱型结构，６号线车站为三柱四跨箱型结 构；９、２号线车站站台层位于地下２层，４号线车站站台层位于 地下３层，６号线车站站台层和站厅层共用，位于地下１层；为 方便换乘，除了６号线提供的换乘区域外，９、２、４号线车站间另 外还设有四处连接通道。 四线换乘区域的具体细节，如图３所示。从图３可以看出， ６号线车站站台型式为岛式站台，站台两端各有两处楼梯通往 地面；６号线从９．２、４号线上方穿越，将换乘区间划分为Ａ、Ｂ两 个区域；６号线站台（黄色）标高比换乘区域（青色）的标高要高 一一 图６ Ｂ处嗣面图 图７几何特征僚改后的三维模型图 ４结语 近年来，地下空间开发迅猛发展，轨道交通枢纽车站大量 出现，多线穿越时不同线路的空间关系非常复杂，由此导致的 施工问题困扰着一线设计施工人员。三维地下空问数字化直接 读取数据库中存储的数据，建立地下空间的真三维模型并进行 分析，有效地解决了复杂地铁枢纽车站的三维建模问题。 基于特征的数字城市地下空间建模技术是在三维几何造 型的基础上，从工程对象的特征出发，建立具有工程语义的实 （下转２２０页） ２２０ ２０１０，４６（２） Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用 高层处理奠定了基础。在该文算法的基础上，可对小波变换的 多尺度信息进行融合来得到更好的检测效果。同时，阈值的选 择也是今后研究的重要内容。 （ａ）Ｒｏｂｅｒｔｓ算子 （ｂ）Ｓｏｂｅｌ算子 参考文献： ［１］周正干，赵胜，安振刚．基于分区域自适应中值滤波的ｘ射线图像 缺陷提取Ｉｊ１．航空学报，２００４，２５（４）：４２０—４２４． （Ｃ）Ｐｒｅｗｉｔｔ算子 ［２］巴晓艳，腾永平，张兆东．基于小波分析的工业ｘ射线照片的图像 （ｄ）Ｃａｎｎｙ算子 处理【Ｊ１．无损检测，２００２，２４（５）：１９１—１９３． 【３］孙怡，孙洪雨，白鹏，等．Ｘ射线焊缝图像中缺陷的实时检测方法『Ｊ］． 焊接学报，２００４，２５（２）：１１５—１１９． 【４李建平．４］，Ｊ、波分析信息传输基础【Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００４． （ｅ）Ｌａｐｌａｃｅ算子 （ｆ）该文算法 ｆ５ Ｍａｌ５１ｌａｔ Ｓ，Ｈｕａｎｇ Ｗ Ｌ．Ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｗａｖｅｌｅｔｓ￣ＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，１９９２，３８（２）：６１７－－６４３． ［６］Ｃａｎｎｙ Ｊ．Ａ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＩＪ］．ＩＥＥＥ 图３不同算法得到的缺陷边缘图像 缘，效果优于Ｒｏｂｅａｓ和Ｓｏｂｅｌ等算子检测出的缺陷边缘。 Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，１９８６，８ （６）：６９８—７６９． ５结论 算法的理论分析及编程实现的结果表明，利用小波变换模 极大值法检测边缘，不仅能有效地抑制噪声，而且可以得到缺 ［７】高国荣，刘冉，弈旭明．一种改进的基于小波变换的图像边缘提取算 法『Ｊ】．武汉大学学报：理学版，２００５，１５（５）：６１５—６１９． ［８】田岩岩，齐国清．基于小波变换模极大值的边缘检测方法『Ｊ】．大连海 事大学学报，２００７，３３（１）：１０２—１０６． 陷的多尺度边缘信息，效果较好，为进一步的缺陷模式识别等 （上接１５５页） ｓｕｒｖｅｙ［Ｃ］／／Ｐｒｏｅ ＩＥＥＥ，１９９９，８７（７）：１０６２－１０７８． 图像中直接提取秘密信息。实验结果来看，嵌入的秘密信息不 仅容量较大，而且视觉隐蔽性较好。 ［３】刘建东，陈桂强，余有明，等．基于视觉特征及低位替换优化的信 息隐藏方法ｆＪ１－计算机工程，２００７，３３（８）：１５７—１５９． ［４】蒲恬，方庆吉，倪国强．基于对比度的多分辨图像融合『Ｊ１．电子学 报，２０００，２８（１２）：１１６—１１８． 参考文献： …１ Ｂｅｎｄｅｒ Ｗ，Ｇｒｕｈｌ Ｄ，Ｍｏｒｉｍｏｔｏ Ｎ，ｅｔ ａ１．Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｄａｔａｈｉｄｉｎｇ［Ｊ］． ＩＢＭ Ｓｙｓｔｅｍ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９６，３５（３／４）：３１３—３３６． 【２】Ｐｅｔｉｔｃｏｌａｓ Ｆ Ａ Ｐ，Ａｎｄｅｒｓｏｎ Ｒ Ｊ，Ｋｕｈｎ Ｍ Ｇ．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｈｉｄｉｎｇ ａ 【５】杨志，毛士艺，陈炜．一种新的基于小波对比度的图像融合算法…． 系统工程与电子技术，２００５，２７（２）：２０９—２１１． Ｉ６刘劲，６】康志伟，何怡刚．一种基于小波对比度和ＬＳＢ的密写 电 子学报，２００７，３５（７）：１３９１—１３９３． （上接１９６页） ２Ｏ０２． 际对象，三维建模过程陕速方便，便于修改，同时与地层模型具 ［２】琚娟．基于特征的数字城市地下空间建模技术研究与应用ｆＤ］．上海： 同济大学，２００７． 有良好的兼容性。工程应用结果表明，该方法在城市地下空间 数字化，尤其是复杂地下结构建模方面具有良好发展前景。 【３】叶勇庚．三维数字地层建模及其在隧道工程中的应用【Ｄ】．上海：同济 大学，２００５． 参考文献： Ｉ１】杨岳，罗意平．ＣＡＤ／ＣＡＭ原理与实践【Ｍ］．北京：中国铁道出版社， ［４］琚娟．基于特征约束的地下空间一体化数据模型研究［Ｊ】．地下空间 与工程学报。２００７，３（２）：１９９—２０３． （上接１９９页） ［２ｏｏ８－ｏ２－ｏ３】．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ－１２８．ｉｂｍ．ｅｏｍ／ｄｅｖｅｌｏｐｅｒｗｏｒｋｓ／ｃｎ／ｗｅｂｓｅｒｖｉｃｅ／ ｗｓ—ｓ０ｉ２． 辑关系的确定规则。在制造服务平台支持下，把分散在不同地 区的生产设备资源、智力资源以及各种核心能力，迅速地组合 成开放的、松散耦合的、互操作的协同制造网络联盟，使企业可 快速、及时的响应市场的变化，赢得竞争优势。限于篇幅，只对 其中的制造任务模型、制造服务模型以及制造服务逻辑关系确 定进行了讨论，关于制造服务匹配、制造服务链优化和制造服 【２］Ｃａｒｄｏｓｏ Ｊ，Ｓｈｅｔｈ Ａ．Ｓｅｍａｎｔｉｃ ｅ－ｗｏｒｌｄ＇ｌｏｗ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ［Ｊ］Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎ— ｔｅＵｉｇｅｎｔ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００３，２ｌ（３）：１９１—２２５． ［３】Ａｇｇａｒｗａｌ Ｒ，Ｖｅｒｍａ Ｋ，Ｍｉｌｌｅｒ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｄｒｉｖｅｎ Ｗｅｂ ｓｅｒｖｉｃｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ＭＥ Ｉ’ＥＯＲ—Ｓ［ｃ】／ ｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２００４ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａ— ｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｉｌ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ Ｄ Ｃ，ＵＳＡ： ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００４：２３—３０． 务平台的构成是进一步需要研究的问题。 ｆ４］谭伟，范玉顺．网络化制造环境下服务匹配与合成问题研究【Ｊ］．计算 机集成制造系统，２００５，ｌ１（１０）：１４０８—１４１３． 【５】Ａｌｌｅｎ Ｊ Ｆ．Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｂｏｕｔ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｎｔｅｒｖａｌｓ［Ｊ］．Ｃａｍ— ｍｕｎｉｅａｔｉｏｎｓ ０ｆ ｔｈｅ ＡＣＭ．１９９８，２６（１１）：８３２—８４３． 参考文献： ［１］Ｍａｎ Ｘｉｎ－ｓｈｅｎｇ，Ｊｉｎ Ｇｅ￣Ｓｅｒｖｉｅｅ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ［ＥＢ／ＯＬＩ．