龍穎輝，李　松

(1.湖南省交通科學研究院，湖南 長沙　410015；2.中鐵二十三局集團有限公司，四川 成都　610072)

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基于SketchUp、LocaSpaceViewer實現公路設計模型在真實地理環(huán)境可視化的應用

龍穎輝1，李松2

(1.湖南省交通科學研究院，湖南 長沙410015；2.中鐵二十三局集團有限公司，四川 成都610072)

針對陌生地理環(huán)境下的項目設計規(guī)劃中所存在的基礎數據陳舊、設計者對現場自然條件及勘測數據了解不一等實際問題，提出在公路項目設計過程中引入衛(wèi)星數字地球平臺并結合其它相關軟件，虛擬實現公路項目三維設計模型在真實地理環(huán)境中的實時可視化應用以提高勘測設計的工作效率，達到優(yōu)化設計及成果展示的目的。

；SketchUp；LocaSpaceViewer；設計模型；可視化應用

面對陌生的地理環(huán)境條件下，為做出滿足地方政治經濟、社會人文及技術條件等各方面要求的道路規(guī)劃設計，涉及到多個專業(yè)各領域的協(xié)調匹配和綜合考量。而設計質量的高低又主要基于設計者對項目區(qū)域內的自然地形、地質、水文條件和人文、經濟、社會環(huán)境信息的獲取分析。在項目的規(guī)劃、勘測設計過程中，如果各參與者都能夠實時地觀察到該項目精確定位融入到高清衛(wèi)星數字地球內真實地理位置環(huán)境中的設計模型并且進行實時的動態(tài)交互式觀測查詢，無疑對線路的優(yōu)化設計和設計質量的提高有著重要的應用價值。

1　實現真實地理環(huán)境中公路設計模型虛擬可視化應用的意義

衛(wèi)星數字地球是一個以地球坐標為依據，由多分辨率的海量數據和多維度信息合成的地球虛擬系統(tǒng)?；谛l(wèi)星數字地球的真實地理環(huán)境中實現公路項目設計模型可視化技術可以廣泛地應用在交通規(guī)劃設計的各個方面，具有其特殊的現實意義。

1) 衛(wèi)星數字地球中地理環(huán)境信息與現場實際情況的高度吻合性。

目前衛(wèi)星數字地球主要基于Google Earth、天地圖、微軟Bing Maps等虛擬地球儀終端軟件平臺，它把衛(wèi)星照片、航空照片和GIS整合布置在一個地球的三維模型上。大壩、油田、橋梁、高速公路、港口碼頭與機場等都是衛(wèi)星圖的重點關照對象，大多數地區(qū)的圖像清晰度都在1 m左右，幾乎所有城市都能達到，能清晰地分辨出區(qū)域內地理環(huán)境中的地形地貌、河流水系、路網交通及行駛中的車輛、田地樹木、房屋建筑等，地圖影像數據更新非常及時，一般少于3 a，并且具有歷史影像功能，可以很方便地對比查詢區(qū)域隨著時間推移而發(fā)生的變化，使項目規(guī)劃、勘察設計者能比較方便快捷地獲取設計區(qū)域內的大量基礎信息進行分析應用。

2) 利用衛(wèi)星數字地球軟件平臺輔助設計的實用性和便利性。

基于衛(wèi)星數字地球終端軟件功能的二次開發(fā)和其它相關軟件的配合利用，在面對項目規(guī)劃、勘測設計過程中，能夠給設計者提供解決實際問題的諸多方案，減少大量的資料調閱查詢和實地外業(yè)踏勘工作。

① 目的地信息檢索查詢功能。三維數字地球軟件，具備便捷的影像、高程、傾斜攝影數據閱讀功能。能夠方便地對二維、三維地理數據(包括地形、影像、矢量數據)進行瀏覽，地形數據和影像數據可以支持到全國范圍0.6 m的分辨率量級，能夠為項目設計規(guī)劃、線路選擇優(yōu)化過程中提供十分全面詳盡的實地地理環(huán)境信息。

② 便捷的標注、測量和分析功能。專業(yè)的三維數字地球軟件可以方便地添加標注，DEM數據提取、繪制線面、距離測量、高度測量、三角測量和面積測量，能夠進行一系列如通視分析、可視域分析、填挖方分析、剖面分析和淹沒演示分析等輔助設計。

3) 衛(wèi)星數字地球與設計成果模型結合的沉浸感和互動性。

基于衛(wèi)星數字地球的真實地理環(huán)境場景中實現公路設計規(guī)劃方案模型的虛擬可視化應用，通過兩者結合在實時的虛擬環(huán)境中隨時獲取項目的相關數據資料，有利于設計與管理人員對各種方案進行輔助設計與方案評審，規(guī)避設計風險。由于所建立的可視化虛擬環(huán)境是基于真實數據建立的模型組合而成，嚴格遵循了工程項目設計的標準和要求建立逼真的三維場景，是對規(guī)劃項目進行真實的效果展現。用戶可以在三維場景中實現身臨其境般的人機交互體驗，以第一人稱的視角進行任意漫游，這樣很多不易察覺的設計缺陷能夠輕易地被發(fā)現，減少由于事先規(guī)劃不周全而造成的損失與遺憾。

如何能夠使政府主管部門、建設單位以及項目工程技術人員提前從任意角度，實時互動真實地看到規(guī)劃效果，更好地掌握項目的總體形態(tài)和理解規(guī)劃設計意圖是保證項目設計規(guī)劃最終成功的前提，該項虛擬可視化應用的實現為這種溝通互動提供了理想的橋梁。

2　真實地理環(huán)境中設計模型虛擬可視化應用的實現

本文以S233津市澧水二橋項目為例，對基于衛(wèi)星數字地球的項目規(guī)劃、線路優(yōu)化和設計方案模型導入衛(wèi)星數字地球中與虛擬真實地形匹配進行設計成果展示驗證過程的關鍵技術進行了應用研究，摸索出了一套簡便快捷的應用方法并予以實現。

2.1項目規(guī)劃選線階段的應用

項目規(guī)劃于津市貨運碼頭西側，津市澧水大橋下游約1 700 m處，起點位于津市市G353(原S302 K53+159)，終于津市S233(原S205 K4+250)處的區(qū)域位置。利用搜索查詢項目起訖點位置或調取大地坐標利用軟件平臺自帶“添加地標”功能實現精確定位。根據實踐操作，規(guī)劃區(qū)域內的村鎮(zhèn)民宅、道路交通、農田水利、河流工廠等反映的十分清晰，公路路面與周圍植被對比明顯，行駛的車輛都清晰可見，所反映的地物信息在某些方面比1∶2 000地形圖更具優(yōu)勢，設計者足不出戶就可掌握大量規(guī)劃設計區(qū)域內的城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村現狀、路網交通、水系航道等實地資料，大大地減少了外業(yè)調查的工作量和交通時間成本。設計區(qū)域衛(wèi)星影像見圖1～圖3。

2.2真實地形環(huán)境中設計模型可視化應用的實現

擬定線路方案審查通過后，按照既定計劃展開后續(xù)設計。赴現場進行主要方案核實，完成路線的平縱橫測量、地質勘察和各專業(yè)的調查工作，與相關方面進行充分地溝通并交換意見。施工圖設計階段通過AutoCAD和SketchUp軟件的相互配合進行項目設計的三維建模工作，模型的建造過程是二維斷面設計向三維虛擬實體轉換的過程，能實時地反映出項目建造實施生成效果的全過程，還能讓方案設計人員沉浸在虛擬的環(huán)境中很輕易地發(fā)現施工圖設計過程中存在的細小問題，對設計質量和效率的提高有著十分顯著的效果。

2.2.1項目設計模型的繪制

在該項目設計模型的繪制過程中首先利用AutoCAD軟件直接將設計線路的平縱斷面、澧水二橋立平面、路基橫斷面按1∶1比例調整，圖中只保留線路設計平縱斷面的中軸線、邊框線，刪除建模不需要的多余數據、標注、線段圖層等，定義成塊后并分別保存?zhèn)溆?。項目建模采用SketchUp軟件繪制，由于建筑模型是需要導入衛(wèi)星數字地球中使用的，在軟件開始界面選擇“Google地球建模-米”模式后導入定義成塊的設計線路的平縱斷面、澧水二橋立平面、路基橫斷面.dwg文件，利用軟件的“封面、推拉、路徑”等工具完成結構物斷面由面成體的轉變。建模過程中，按照中軸線定位，線路邊框線約束的原則，將線路的平縱斷面在起點位置重合，將平縱斷面的中軸線按控制點里程樁號、曲線要素沿XY軸投影合成現實線路三維空間的中軸線，作為路線的生成路徑。建模過程見圖4、圖5。

圖1　起點900 m視高衛(wèi)星影像圖

圖2　終點800 m視高衛(wèi)星影像圖

圖3　項目規(guī)劃線路區(qū)域衛(wèi)星影像圖

圖4　橋梁建模過程示意圖

圖5　橋面豎曲線匹配示意圖

結構物建模完成為達到逼真的現實效果使用SketchUp軟件界面中的“顏料桶”工具，根據結構物建筑材料的類別分別對不同結構物模型外露面添加對應材質，完成建模后導出三維模型保存為“*.3ds或*.obj”格式，見圖6～圖8。

2.2.2衛(wèi)星數字地球中定位真實地理環(huán)境導入設計模型

利用LocaSpaceViewer軟件平臺實現基于衛(wèi)星數字地球的真實地理環(huán)境下項目設計模型虛擬可視化的應用。由于軟件是基于數據流實現計算機終端的衛(wèi)星數據提取，初次使用時必須保持計算機網路通暢的狀態(tài)下進行操作。打開軟件界面后，點擊右下角“添加模型”按鈕，在彈出的對話框內輸入項目設計模型在電腦文件夾中的保存路徑、定位點的大地坐標及相關參數。模型導入后對項目的線路控制點位、高程核實調整無誤后保存為“*.kml”模式，需再次打開始直接在軟件左側“圖層”菜單下右鍵選擇“加載圖層”選擇保存后的“*.kml”文件，即可實現工程項目線路內結構物模型在真實地形中的全方位虛擬可視化顯示和漫游。

圖6　澧水二橋建筑模型

圖7　道路模型

圖8　設計模型整體效果圖

見圖9～圖11。

圖9　澧水二橋局部橋址原位虛擬可視化漫游截圖

圖10　設計模型真實場景虛擬可視化鳥瞰圖

圖11　設計模型真實場景虛擬可視化俯視圖

3　結論

基于衛(wèi)星數字地球的真實地理環(huán)境條件下，通過利用AutoCAD、SketchUp、LocaSpaceViewer等軟件平臺實現公路項目設計模型的虛擬可視化應用，無需翻墻及復雜的編程和數據交互轉換便能夠流暢地觀測到高低起伏、十分逼真的三維實地場景和建筑模型效果。在公路項目設計階段的規(guī)劃選線、線路勘測、設計成果復核驗證、設計效果實時漫游展示等方面具有十分廣闊的應用前景。

[1]易共才，王彥軍，高宏.Google Earth 在公路工程中的應用研究[J].中外公路，2008，28(1)：1～4.

[2]張秀山.虛擬現實技術及編程技巧[M].北京：國防科技大學出版社，2002.

2016-01-06

龍穎輝(1984-)，女，工程師，主要從事公路與橋梁設計。

；1008-844X(2016)03-0201-05

；U 412.3

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