公路是一条空间线状构造物,具有“三维”的自然本质。现行的设计方法采用一维的键盘和二维的鼠标作为人机交互工具,在二维的公路CAD上分别进行平、纵线形设计后,再组合形成完整的空间曲线。这种拆分再组合的设计方法与公路的“三维”本质相矛盾,表现在两个方面:首先,人机交互工具和设计载体是二维的,信息输入与输出的带宽不足,难以直接交互设计和统一展现三维空间曲线对象;其次,曲线描述模型是二维的,是一种拼凑设计,难以满足对空间曲线的精确描述,还会造成平、纵线形设计间的关联与耦合,以及繁杂的设计指标与步骤。为使公路设计回归其“三维”本质,本文在分析现有公路三维可视化设计系统存在的问题,明确公路真三维设计系统应具有“三维的设计平台、三维人机交互、三维曲线描述模型”三个特征后,提出基于体感交互的公路真三维方法及其研究框架,并给出了基于体感交互的公路真三维设计系统总体设计。在此基础上,对建立基于体感交互的公路真三维设计系统所面临的“面向公路空间曲线设计的手势自然用户界面”与“G~2连续的公路空间曲线数学三维统一描述模型”两项关键技术进行了详细研究,取得了如下创新性成果:(1)提出了基于体感交互的公路真三维设计方法,实现通过人体运动感知,采用手势在带有真实地形景观的三维虚拟环境中直接进行公路空间曲线交互设计。对基于体感交互的公路真三维系统设计目标、总体架构、系统功能模块组成与工作流程等进行了详细研究与设计。相比现行二维的公路设计方法,基于体感交互的公路真三维设计方法将手势三维自然用户界面、空间曲线数学三维统一描述模型与三维地理信息平台紧密结合,在设计平台、人机交互与公路空间曲线数学描述三方面全面实现了三维化,为实现公路真三维设计提供了全新的思路与途径;(2)建立了面向公路空间曲线设计的手势自然用户界面,对用户界面进行总体设计,明确其设计原则、目标、软硬件资源组成,并对交互手势系统、控制参数系统与手势识别方法进行研究。根据交互任务的不同,创造性的采用Kinect配合肢体手势进行三维虚拟导航,采用Leap Motion配合手指手势进行三维线形实体对象操控,实现了高效舒适导航与精确线形设计的兼顾。并根据自然语言手势识别思路与公路空间曲线设计交互手势特点,对基于多个部位姿态快照的状态机匹配算法进行针对性改进,实现了交互手势稳定、高效识别。面向公路空间曲线设计的手势自然用户界面的研究,建立起了手势物理空间到计算机虚拟设计空间的桥梁,有效的解决了建立公路真三维设计系统面临的三维人机交互这一先决条件;(3)研究建立了G~2连续的空间四次Bezier分段插值曲线模型与算法,实现了对公路空间曲线的数学三维统一描述。在设计者确定一组有序的公路空间控制点后,系统通过建立三次样条曲线估算控制点处切方向与曲率矢量,并以此为条件构造拥有一个自由度的分段四次Bezier曲线,后经拼接形成完整的三维空间曲线。这一构造方法使最终获得的空间曲线不仅是G~2连续的与形状局部可调的,且一个自由度的存在使曲线经自动迭代计算,能保证最终获取的空间曲线曲率、挠率及挠率突变量指标满足公路空间曲线设计约束指标体系要求,利于实现公路设计的人性化与自动化。为验证基于体感交互的公路真三维设计方法的可行性与有效性,以Google Earth为三维设计平台,开发了原型系统。经用户测试表明,采用手势自然用户界面与公路空间曲线数学三维统一描述模型的结合,可实现三维虚拟设计环境中的公路空间曲线对象的直接交互设计以及沉浸式立体三维可视化展示,使线形设计过程与三维可视化过程完全融合,做到公路空间曲线设计的同步三维可视化。本文的研究解决了建立公路真三维设计系统所面临的“三维人机交互界面”与“公路空间曲线数学三维统一描述模型”两个关键问题,为推进公路设计向真三维发展,提高公路线形设计质量提供了新的思路和方法,也为后续的公路全景工程模型建立、三维安全性评价等三维应用奠定了坚实的基础。