黃磊

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)建工設(shè)計(jì)研究院石河子分院 新疆石河子 832000）

線路三維可視化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論和方法探討

黃磊

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)建工設(shè)計(jì)研究院石河子分院 新疆石河子 832000）

隨著軌道交通建設(shè)的不斷發(fā)展，線路設(shè)計(jì)任務(wù)變得日益繁重。因?yàn)榇蟛糠殖鞘熊壍澜煌ň€路位于城市中心區(qū)域，導(dǎo)致地上和地下建筑結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存在很多潛在的沖突。如果采用二維設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法，不僅設(shè)計(jì)效率不高，而且存在一定的設(shè)計(jì)缺陷，無(wú)法達(dá)到城市軌道交通建設(shè)的基本要求。所以需要構(gòu)建一個(gè)可以達(dá)到軌道交通線路要求的三維地理環(huán)境，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，降低沖突?；诖?，本文對(duì)線路三維可視化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論和方法進(jìn)行探討。

線路三維；可視化設(shè)計(jì)；基礎(chǔ)理論；方法

當(dāng)前，線路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件主要還是使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，站在設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)這些軟件只是對(duì)當(dāng)前人工設(shè)計(jì)進(jìn)行了模仿，無(wú)法將計(jì)算機(jī)的潛力發(fā)揮出來(lái)。橫面、縱面和平面是分開設(shè)計(jì)的，無(wú)法將之間的約束關(guān)系體現(xiàn)出來(lái)，無(wú)法生成三維圖，只有平面圖、縱斷面圖以及一些高程信息，導(dǎo)致用戶無(wú)法直接感受到線路的情況，很難識(shí)別一些較為復(fù)雜的關(guān)系，為了解決上述問題，需要進(jìn)行三維可視化設(shè)計(jì)，并對(duì)三維問題進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1 線路三維可視化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論

在三維可視化設(shè)計(jì)中，建立三維模型是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其中重點(diǎn)需要做好數(shù)字地面模型的構(gòu)建。數(shù)字地面模型可以縮寫為DMT，主要利用攝影測(cè)量的方法得到地形數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)公路工程的基礎(chǔ)，加快工程設(shè)計(jì)速度。數(shù)字地面模型是一個(gè)按照特定結(jié)構(gòu)組織起來(lái)的數(shù)據(jù)組，是地形特征空間分布的體現(xiàn)。一般情況下，可以用平面坐標(biāo)X、Y表示空間的分布，使用平面位置上地面點(diǎn)高程Z來(lái)表示地形特征。數(shù)字地面模型體現(xiàn)了地形起伏情況，通過在地面進(jìn)行取樣后得到一組點(diǎn)的x坐標(biāo)數(shù)據(jù)、y坐標(biāo)數(shù)據(jù)和z坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及一套對(duì)地形表面提供連續(xù)描述算法組成的“f”，從廣義上來(lái)說(shuō)，DTM除了代表地表高程數(shù)據(jù)，還代表地表植被、地質(zhì)、水系等方面的數(shù)據(jù)，在農(nóng)林規(guī)劃、測(cè)繪、地學(xué)分析等領(lǐng)域中均應(yīng)用到了DTM技術(shù)，按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可以將DTM劃分為不規(guī)則格網(wǎng)數(shù)模和規(guī)則格網(wǎng)數(shù)模，由于在X、Y坐標(biāo)平面上分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為隨機(jī)形式和柵格形式，規(guī)則格網(wǎng)指的是規(guī)則矩形格網(wǎng)，利用等間距高程值進(jìn)行表述，對(duì)應(yīng)地面某點(diǎn)高程即為格網(wǎng)交叉點(diǎn)高程，一般可利用攝影測(cè)量法在格網(wǎng)點(diǎn)取樣后就可以得到高程值，也可以在離散原始數(shù)據(jù)點(diǎn)利用內(nèi)插的方法得到格網(wǎng)點(diǎn)的高程，常見的內(nèi)插法主要有有限元法、移動(dòng)曲面法、多面函數(shù)法等。利用規(guī)則格網(wǎng)數(shù)模可以對(duì)存儲(chǔ)量進(jìn)行壓縮，并由格網(wǎng)墊在陣列中列號(hào)、行號(hào)的整數(shù)值取代格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，二維行列號(hào)可以按照先列后行或者先行后列的規(guī)則轉(zhuǎn)變成一維序列號(hào)，并且可以將序號(hào)取消，然后利用記錄的先后位置取代，基本形式見表1。此外，由于拓?fù)潢P(guān)系比較簡(jiǎn)單，可以用于地形三維動(dòng)態(tài)的顯示。

表1 規(guī)則網(wǎng)原始數(shù)據(jù)記錄格式（n=row*col）

2 線路三維可視化設(shè)計(jì)方法

2.1 地形三維可視化模型設(shè)計(jì)

地形三維可視化模型主要以DTM（三維數(shù)字網(wǎng)地面模型）為基礎(chǔ)，在對(duì)上述問題進(jìn)行處理時(shí)，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)離散地形數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)存儲(chǔ)，并在格中生成三角網(wǎng)，對(duì)生成的三角網(wǎng)進(jìn)行合并后得到三維數(shù)字地面模型。為了可以將地形的實(shí)際情況真實(shí)的反應(yīng)出來(lái)，需要將山谷線、斷裂線、山脊線等地形線作為三角形的邊。具體操作時(shí)，可以先不對(duì)地性線進(jìn)行考慮，在生成三角形網(wǎng)格后，調(diào)整三角形網(wǎng)格，從而使地性線變成三角形格網(wǎng)邊，進(jìn)行調(diào)整時(shí)，對(duì)三角形的形狀也進(jìn)行了考慮。三角網(wǎng)數(shù)模建立好以后，可以將三角網(wǎng)數(shù)字地面模型作為地形三維模型，也可以在三維網(wǎng)數(shù)字模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)字高程模型，并將其看成地形三維模型。

2.2 建立線路三維模型

在建立線路三維模型時(shí)，要先設(shè)計(jì)橫斷面、縱斷面和平面，并在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)構(gòu)造物的三維建模。按照橫斷面設(shè)計(jì)的相關(guān)信息，將各段路基夾的橫斷面找出來(lái)，然后連接好各個(gè)橫斷面，組成四邊形和三角形，從而得出此段路基的三維模型。例如在建立特殊地形地物的模型時(shí)，可以先將具有一定代表性的橫斷面找出來(lái)，然后連接各個(gè)橫斷面，進(jìn)而得出線路三維模型。對(duì)于電力線路來(lái)說(shuō)，由于特殊地形地物是采用特殊的塔型的，因此，三維模型為能更好的幫助設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)選用塔型，此時(shí)只需要將符合設(shè)計(jì)要求的塔型強(qiáng)度計(jì)算出來(lái)即可。

三維模型不僅在電力線路方面有一定的應(yīng)用，在橋梁，道路，隧道方面也有應(yīng)用。在進(jìn)行隧道洞身三維模型的建立時(shí)，要先將隧道起止里程、洞身斷面確定出來(lái)，洞身三維模型可以通過對(duì)洞身斷面沿線路中心線掃描后得到。此外，隧道還需要建立洞門仰拱位置的三維模型，可以沿著線路中線和路基邊側(cè)帶帽子，然后將仰坡上緣三點(diǎn)得出。見圖1中的B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)，然后順著仰坡面和隧道左側(cè)右側(cè)坡面交線EG和AF點(diǎn)戴帽子，將邊坡上緣和仰坡上緣A、E兩個(gè)交點(diǎn)得出，然后對(duì)A、B、C、D、E四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行連接以后就可以得出隧道仰坡邊緣線。

圖1 隧道仰坡三維模型圖

2.3 建立線路和地形整體三維模型

在進(jìn)行線路三維可視化的設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)將線路和地形兩個(gè)模型拼接成線路和地形整體三維模型。也就是說(shuō)整體三維模型實(shí)際上是地形三維模型和線路三維模型的疊加。由于在對(duì)地段進(jìn)行挖放后，對(duì)路基造成了覆蓋，不能將路基的形狀顯示出來(lái)。為了將這個(gè)問題解決，需要先裁剪地形模型，保證路基三維模型可以將地形三維模型覆蓋住。在裁剪地形模型時(shí)，可以先使用數(shù)字地面模型生成數(shù)字高程模型，然后使用數(shù)字高程模型對(duì)地形進(jìn)行表示，在使用DEM生成規(guī)則三角網(wǎng)，將路基周圍邊側(cè)圍城的多變性找出，然后順次將多邊形加到已有的三角網(wǎng)中，并刪除三角網(wǎng)中多變形內(nèi)部的面，使得線路可以完全覆蓋地形。

在數(shù)字高程模型中加入邊時(shí)，主要使用以下算法：設(shè)需要加入的邊為直線段AB，然后將數(shù)字模型中各個(gè)邊和此條直線的交點(diǎn)，算出交點(diǎn)C，再在線段AB穿過的格中生成一定規(guī)則的三角網(wǎng)，并在規(guī)則三角網(wǎng)中加入線段和交點(diǎn)的兩個(gè)端點(diǎn)，如圖2所示。先將需要加入點(diǎn)P所處的三角形，如果加入點(diǎn)P在三角形中，可以將三角形的三個(gè)點(diǎn)和加入點(diǎn)P進(jìn)行連接，如果P落到三角形某個(gè)邊上時(shí)，可以找出和該邊臨近的三角形，然后分別進(jìn)行連接。

圖2 路基邊界加入DEM

使用這種方法把路基邊緣圍繞成的多邊形加入到三角網(wǎng)中后，就可以將多邊形中的三角形刪除，在分析某一個(gè)三角形有沒有落到多邊形中時(shí)，只需要對(duì)三角形的中心進(jìn)行分析就可以了。

根據(jù)以上算法可以得出，如果在規(guī)則三角形網(wǎng)中加入多邊形，那么規(guī)則三角網(wǎng)會(huì)成為一個(gè)缺乏規(guī)則性的三角網(wǎng)，為了做好三角網(wǎng)的管理，可以使用分治算法，先在DEM中對(duì)路基邊緣線組成的區(qū)域進(jìn)行離散，然后按照以上方法把每一個(gè)離散得到的方格改成地形三維模型，增強(qiáng)線路模型和地形模型合并速度。

3 結(jié)論

實(shí)踐證明，利用線路三維可視化模型可以將線路建設(shè)后整體形象展現(xiàn)出來(lái)。通過線路三維可視化設(shè)計(jì)可以評(píng)估和審核線路設(shè)計(jì)方案，分析線路設(shè)計(jì)方案對(duì)環(huán)境造成的影響，用于解決一些技術(shù)難題，應(yīng)用前景廣闊。

[1]李邵軍，馮夏庭，王威，周輝.巖土工程中基于柵格的三維地層建模及空間分析.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（03）：532～537.

[2]白世偉，賀懷建，王純祥.三維地層信息系統(tǒng)和巖土工程信息化[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（城市科學(xué)版），2002（01）：23～26.

U212.3

A

1004-7344（2016）08-0319-02

2016-3-1

黃 磊（1992-），男，新疆石河子人，工程師，本科，從事線路設(shè)計(jì)工作。