李航+栗江峰

摘 要：隨著中國(guó)鐵路的高速發(fā)展，單一、抽象的一維和二維建模形式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代鐵路的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和管理，而對(duì)數(shù)據(jù)三維可視化、仿真模擬、空間分析等方面的需求日益增長(zhǎng)。三維可視化技術(shù)以立體技術(shù)展示空間信息，不僅能夠表達(dá)空間對(duì)象間的關(guān)系，而且能對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維空間分析和操作，因此三維可視化技術(shù)成為鐵路信息化發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：鐵路選線；三維建模；路基；邊坡

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路尤其是高速鐵路的大批量鋪設(shè)，鐵路行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)快速擴(kuò)張階段。高速鐵路的發(fā)展的同時(shí)直接加快了中國(guó)鐵路系統(tǒng)的信息化改進(jìn)，鐵路部門為實(shí)現(xiàn)信息化而建立MIS ，即TMIS、 DMIS等大型管理信息系統(tǒng)。使用GIS （地理信息系統(tǒng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)中與地理空間相關(guān)的數(shù)據(jù)的分析和管理，并建立了各自的GIS子系統(tǒng)，MIS在鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理中發(fā)揮著重要作用。

一、鐵路三維建模的改善作用

在我國(guó)的鐵路系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用GIS技術(shù)，但相關(guān)數(shù)據(jù)的可視化顯示仍存在缺陷，例如以二維地圖為其圖形界面，在利用鐵路空間數(shù)據(jù)的高程信息以及遙感影像信息上同樣存在劣勢(shì)，再如鐵路各部門仍以文本形式來(lái)表達(dá)各種信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，其擴(kuò)展性劣勢(shì)凸顯，未對(duì)數(shù)據(jù)充分利用和信息表達(dá)的模糊，都無(wú)法滿足現(xiàn)代鐵路管理部門對(duì)運(yùn)營(yíng)、空間數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)等多方面的要求。所以創(chuàng)建三維可視化、可交互的信息工具顯示鐵路空間數(shù)據(jù)十分關(guān)鍵。鐵路線路的三維模型在數(shù)字高程模型（DEM）的基礎(chǔ)上表達(dá)，即鐵路線路的三維可視化，是"數(shù)字鐵路"的重要組成部分。

（一）鐵路線路三維整體模型包含了所有空間信息，根據(jù)線路上的位置索引信息數(shù)據(jù)，可以為建立完整的鐵路信息模型服務(wù)，實(shí)現(xiàn)鐵路信息化，為信息資源的共享創(chuàng)造條件。

（二）鐵路線路三維模型的另一特點(diǎn)是逼真的虛擬場(chǎng)景，根據(jù)鐵路部門管理技術(shù)人員的需要在電腦屏幕上顯示直觀場(chǎng)景，打破二維模型抽象的工作環(huán)境，包括工程的建設(shè)階段和鐵路的運(yùn)營(yíng)管理階段，極大的提高人員的工作效率。

（三）鐵路線路三維整體模型在鐵路施工前的選線階段發(fā)揮作用，輔助鐵路選線設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同的地理環(huán)境，自動(dòng)生成相應(yīng)的設(shè)計(jì)，在不同方案的提出、比選、決策階段都能提供方便、直觀的虛擬環(huán)境，改善精確度和提高了效率。

二、鐵路線路路基三維可視化方法

三維鐵路線路的實(shí)現(xiàn)基于平面設(shè)計(jì)的結(jié)果，計(jì)算出中線主點(diǎn)的大地坐標(biāo)，以里程為單位，把平、縱設(shè)計(jì)結(jié)果及橫斷面地面線聯(lián)系起來(lái)，按路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面的設(shè)定，計(jì)算出線路左、右兩側(cè)路肩邊緣點(diǎn)和路基邊坡與地面線交點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。

（一）首先每隔10米取以線路里程為基準(zhǔn)的點(diǎn)三維坐標(biāo)的集合，然后利用線路中心線坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算兩側(cè)的特征點(diǎn)坐標(biāo)

（二）判斷路基兩側(cè)填挖類型，有挖方和填方兩種類型，需要挖方的計(jì)算排水溝各特征點(diǎn)的坐標(biāo)，生成路塹邊坡；需要填方的直接生成路堤邊坡。

（三）通過(guò)紋理貼圖，實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)真實(shí)感的三維路基模型。

三、實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)及技術(shù)方案

（一）邊坡是線路路基的路堤和路塹，其中路塹還需要設(shè)置水溝。在生成邊坡模型前，需要預(yù)先設(shè)定對(duì)應(yīng)的參數(shù)，如道床頂面寬度，道床邊坡坡率，道床厚度，路肩寬度，排水溝的相關(guān)參數(shù)，一級(jí)邊坡相關(guān)參數(shù)，二級(jí)邊坡相關(guān)參數(shù)，護(hù)墻相關(guān)參數(shù)等。根據(jù)線路兩側(cè)填挖類型的不同，邊坡分為路塹邊坡和路堤邊坡，對(duì)應(yīng)的邊坡生成算法分為路塹邊坡生成算法和路堤邊坡生成算法。

（二）線路任一點(diǎn)里程大地坐標(biāo)的計(jì)算。在曲線平面設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)先算出線路各主點(diǎn)里程的大地坐標(biāo)，根據(jù)要求的任一里程點(diǎn)是在哪一段直線或者曲線或者緩和曲線上，分別根據(jù)大地坐標(biāo)與局部坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換來(lái)計(jì)算。

（三）路基邊坡與地面交點(diǎn)的計(jì)算。中樁處填、挖不能完全反應(yīng)斷面的填挖情況，須由路肩邊緣點(diǎn)與相應(yīng)地面線的高程關(guān)系分別確定路基兩側(cè)的填挖情況，這就需要用到DEM內(nèi)插高程來(lái)判斷。以中樁點(diǎn)地面線位置為原點(diǎn)O，以路基面為 X 軸、中心樁為 Y 軸，對(duì)每個(gè)橫斷面建立局部坐標(biāo)系。在路肩邊緣點(diǎn)處依次進(jìn)行放坡，直至與地面線相交為止，求出其與地面折線交點(diǎn)。

（四）原始地形和路基的疊加分析。由于路基與地形相交組成的是復(fù)雜的不規(guī)則多邊形，如果用點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)的方法進(jìn)行判斷，算法十分復(fù)雜。采用 GIS 的空間疊加分析來(lái)進(jìn)行運(yùn)算，原始地形為點(diǎn)數(shù)據(jù)集，路基與地形交接為面數(shù)據(jù)集，點(diǎn)面數(shù)據(jù)集間的擦除運(yùn)算，除路基范圍內(nèi)的地形點(diǎn)，最后在運(yùn)算結(jié)果集中，追加相應(yīng)的路基點(diǎn)集。

四、三維顯示

鐵路三維線路靜態(tài)顯示并不能滿足要求，更需要交互式的動(dòng)態(tài)顯示。使用計(jì)算機(jī)硬件之外，OpenGL為實(shí)現(xiàn)三維顯示的提供了軟件技術(shù)能力：顯示列表和雙緩存技術(shù)。有兩種三維顯示表達(dá)：一種是視點(diǎn)不動(dòng)而目標(biāo)移動(dòng)；另一種是目標(biāo)固定視點(diǎn)移動(dòng)。兩種顯示方式都是通過(guò)釆用改變模型變換矩陣或投影變換矩陣的方式得以實(shí)現(xiàn)。

（一）視點(diǎn)不動(dòng)目標(biāo)移動(dòng)。這種顯示方式比較簡(jiǎn)單，可以采用兩種基本投影：平行投影和透視投影。在設(shè)置投影之后，就可以通過(guò)實(shí)時(shí)改變基本模型變換矩陣如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等相應(yīng)參數(shù)來(lái)改變目標(biāo)物體在對(duì)應(yīng)投影方式下的實(shí)時(shí)顯示效果。

（二）目標(biāo)固定視點(diǎn)移動(dòng)。視點(diǎn)沿著預(yù)先設(shè)定的路徑移動(dòng)，例如線路的設(shè)計(jì)中線，并采取透視投影以達(dá)到真實(shí)的顯示效果。

路基三維建模完成后，可以選擇一定的瀏覽模式，設(shè)置一點(diǎn)的瀏覽高度進(jìn)行線路路基的漫游，直觀的觀察線路路基的三維效果。