论文中文题名: | 高速铁路沉降预测方法及三维可视化系统研发 |
姓名: | |
学号: | 20210226102 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085700 |
学科名称: | 工学 - 资源与环境 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2020 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 智慧铁路 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2023-06-18 |
论文答辩日期: | 2023-06-04 |
论文外文题名: | Research on settlement prediction method and 3D visualization method of high-speed railway |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | WebGIS ; Cesium ; Oblique photography ; Real 3D model ; Subgrade settlement monitoring ; BP neural network |
论文中文摘要: |
随着地理信息系统(Geographic Information System,GIS)技术已经在城市建设的规划管理、土地管理、管线管理等行业都有大量成功的应用,该技术也开始应用在铁路建设、铁路规划和铁路运营管理中,并有效地提高了高速铁路规划、建设与管理的决策科学化、管理现代化,保障基础设施发挥最大的经济效益。 当前我国高速铁路的建设规模逐年增大,设施建设发展迅速,在全国区域内已形成大规模的、错综复杂的基础设施系统。而高速铁路的建设距离长、范围广、地形复杂多变,使用倾斜摄影测量技术,利用无人机可快速获取三维地理空间信息。将GIS技术、计算机技术和测绘基础的行业规范结合起来,突出三维模型管理的便利。当前在高速铁路的可视化研究当中,大多采用建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)而运用倾斜摄影测量技术的研究相对较少。为此,本文以高速铁路路基沉降监测数据与高速铁路区段内的倾斜摄影数据作为研究的实验数据,采用B/S架构以及Cesium三维可视化框架,创建基于倾斜摄影模型的三维可视化平台,并且实现三维模型的可视化分析,提高铁路建设及管理过程中的预测分析能力和数据管理效率。本文研究的主要内容以及研究成果包括: (1)主要介绍了路基的结构,由路基的结构总结分析沉降产生的原因。针对路基沉降的监测方案编制,从监测网的建立、监测点的布设以及评估控制指标3个方面说明了路基沉降监测的方法。 (2)论述实景三维模型构建的过程。针对长距离倾斜摄影模型中地球曲率对模型的影响,研究倾斜摄影建模流程,并基于ICP(lterative Closest Point)算法对点云模型进行拼接。针对Web中三维模型加载速度慢的问题,基于QEM(Quadric Error Metrics)算法对倾斜摄影模型进行网格优化,减少模型的占用内存,提升了模型加载速度。改进实景三维模型的服务发布方法,加快数据加载速度并且提升数据的安全性。 (3)基于福厦铁路某区段内路基沉降监测数据,分别使用规范双曲模型、指数曲线模型、灰色预测模型、多项式拟合法以及BP神经网络进行路基沉降预测分析,以观测标0178200L1为算例并对预测精度进行研究。针对路基沉降特点,改进了BP神经网络分析算法中的激活函数,有效提升拟合相关系数以及预测精度。其中Sigmoid函数适合处理二元分类问题,ReLU函数在输入值小于0时会出现失效问题。相较于Sigmoid函数与ReLU函数对输入值有较高要求,Swish函数可更好的对多类型数据值进行拟合预测。 (4)简要总结了WebGIS(Web Geographic Information System,网络地理信息系统)及Web客户端开发技术,重点介绍Cesium开源地球平台和框架,分析虚拟场景的渲染机制的原理,研究使用低分辨率加载模型提高模型加载速度。基于Cesium框架搭建三维WebGIS可视化平台,采用B/S架构实现了高速铁路数据可视化应用。可视化平台包括信息查询模块、预测分析模块和三维分析共三个模块。信息查询模块包含了高速铁路变形监测中常用的监测信息;预测分析模块将多种预测方法与B/S系统相结合,实现了对沉降监测数据进行预测分析功能,使用可视化界面对预测结果进行可视化分析。而三维分析模块包括辅助三维GIS分析功能:淹没分析功能、剖面分析功能、光照分析功能、通视分析功能、可视阈分析功能以及飞行轨迹设计功能等。 本文的研究成果针对高速铁路及其相关的变形监测工程项目,提供了一套三维可视化信息管理系统。该系统具备信息管理、查询和可视化分析等多种功能,以便于工程师和决策者更直观地了解项目的实时动态信息和关键数据。此外,本研究还能为规划和管理过程中的科学决策和技术支持提供有力保障,从而提高项目的可控性和实施效率。 |
论文外文摘要: |
As Geographic Information System (GIS) technology has been successfully applied in urban construction planning management, land management, pipeline management and other industries, the technology has also begun to be applied in railway construction, railway planning and railway operation management. And effectively improve the planning, construction and management of high-speed railway decision-making scientific, management modernization, to ensure that the infrastructure to maximize economic benefits. At present, the construction scale of high-speed railway in China is increasing year by year, and the construction of facilities is developing rapidly, and a large-scale and complicated infrastructure system has been formed in the whole country. However, the construction distance of high-speed railway is long, the range is wide, the terrain is complex and changeable, the tilt photogrammetry technology is used, and the three-dimensional geospatial information can be quickly obtained by using UAV. It combines GIS technology, computer technology and industry norms of surveying and mapping foundation to highlight the convenience of 3D model management. At present, in the visualization research of high-speed railway, Building Information Modeling (BIM) is mostly used, and the research using tilt photogrammetry is relatively few. To this end, this paper takes the high-speed railway subgrade settlement monitoring data and the tilt photography data in the high-speed railway section as the experimental data for research, adopts B/S architecture and Cesium 3D visualization framework to create a 3D visualization platform based on the tilt photography model, and realizes the visual analysis of the 3D model. Improve the forecasting and analysis ability and data management efficiency in the process of railway construction and management. The main contents and research results of this paper include: (1)This paper mainly introduces the structure of roadbed, and summarizes and analyzes the cause of settlement. Aiming at the monitoring scheme of subgrade settlement, the methods of subgrade settlement monitoring are explained from three aspects: the establishment of monitoring network, the layout of monitoring points and the evaluation and control index. (2)This paper discusses the process of constructing 3D model of real scene. Aiming at the influence of earth curvature on long-distance oblique photography model, the modeling process of oblique photography is studied, and the Point cloud model is spliced based on ICP (lterative Closest Point) algorithm. To solve the problem of slow loading speed of 3D model in Web, grid optimization of oblique photography model was carried out based on Quadric Error Metrics (QEM) algorithm, which reduced the memory consumption of the model and improved the loading speed of the model. Improve the service publishing method of realistic 3D model, speed up data loading speed and improve data security. (3)Based on the monitoring data of subgrade settlement in a section of Fuzhou-Xiamen Railway, the normal hyperbolic model, exponential curve model, grey prediction model, polynomial fitting method and BP neural network are used to predict the subgrade settlement. The observation standard 0178200L1 is taken as an example and the prediction accuracy is studied. According to the characteristics of subgrade settlement, the activation function of BP neural network analysis algorithm is improved to effectively improve the fitting correlation coefficient and prediction accuracy. The Sigmoid function is suitable for binary classification, and the ReLU function will fail when the input value is less than 0. Compared with Sigmoid function and ReLU function, which have higher requirements on input values, Swish function can better fit and predict multi-type data values. (4)This paper briefly summarizes WebGIS (Web Geographic Information System) and Web client development technology, focuses on Cesium open source earth platform and framework, and analyzes the principle of virtual scene rendering mechanism. The low resolution loading model is used to improve the loading speed of the model. The 3D WebGIS visualization platform is built based on Cesium framework, and the high-speed railway data visualization application is realized by using B/S architecture. The visualization platform includes three modules: information query module, prediction analysis module and 3D analysis module. The information query module contains the monitoring information commonly used in high-speed railway deformation monitoring; The prediction and analysis module combines a variety of prediction methods with B/S system to realize the prediction and analysis function of settlement monitoring data, and uses the visual interface to visualize the prediction results. The 3D analysis module includes auxiliary 3D GIS analysis functions, such as flood analysis, profile analysis, light analysis, visibility analysis, visual threshold analysis and flight path design. The research results of this paper provide a set of 3D visualization information management system for high-speed railway and its related deformation monitoring engineering projects. The system has multiple functions such as information management, query and visual analysis, so that engineers and decision makers can more intuitively understand the real-time dynamic and key data of the project. In addition, this study can provide a strong guarantee for scientific decision-making and technical support in the planning and management process, so as to improve the project control and implementation efficiency. |
参考文献: |
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中图分类号: | P208.2 |
开放日期: | 2023-06-19 |