李平蒼

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

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城市軌道交通三維系統(tǒng)制作與應(yīng)用探討

李平蒼

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

分析我國(guó)當(dāng)前軌道交通現(xiàn)狀，充分利用既有航空影像，將三維數(shù)字城市技術(shù)、參數(shù)化建模技術(shù)、視頻制作技術(shù)有機(jī)結(jié)合，研究探討軌道交通項(xiàng)目三維系統(tǒng)制作方法；具體介紹三維系統(tǒng)在軌道交通項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)、匯報(bào)展示、物業(yè)開(kāi)發(fā)、施工建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面的應(yīng)用。

軌道交通 三維系統(tǒng) 制作方法 應(yīng)用

城市軌道交通是城市公共交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它通常是以電能為動(dòng)力，采取輪軌方式的快速大運(yùn)量公共交通的總稱。目前，我國(guó)城市軌道交通主要有地鐵、輕軌、有軌電車(chē)和磁懸浮列車(chē)等多種類(lèi)型。隨著我國(guó)城市化建設(shè)步伐的加快，大量人口涌入城市，城市人口密度驟然增加，中心城市不斷向周邊輻射。為了緩解城市擁堵，方便市民出行，軌道交通建設(shè)的緊迫性大增，各大中城市紛紛規(guī)劃建設(shè)軌道交通項(xiàng)目。

三維可視化信息系統(tǒng)是三維地理信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維建模技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)手段的有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)用真實(shí)三維場(chǎng)景來(lái)表現(xiàn)真實(shí)空間地理要素的目的，具有直觀性、可視化、精細(xì)表達(dá)三維空間的優(yōu)點(diǎn)。由于城市軌道交通項(xiàng)目在初定測(cè)階段都進(jìn)行了航空攝影，可以利用既有的影像數(shù)據(jù)建立地面三維模型、建筑物模型、道路交通模型，再根據(jù)設(shè)計(jì)資料對(duì)軌道交通線路進(jìn)行建模，將各種模型集成制作軌道交通三維系統(tǒng)，真實(shí)模擬建成后效果。

1 城市軌道交通三維系統(tǒng)制作

1.1 地面三維模型的建立

地面三維模型是是利用數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像疊加而成，逼真反映地形起伏特征、地表形態(tài)和地表影像的模型(如圖1所示)。地面三維模型數(shù)據(jù)應(yīng)全面完整，模型紋理應(yīng)真實(shí)反映地形地貌的顏色、質(zhì)地和圖案，空間位置應(yīng)具有拓?fù)湟恢滦?。三維場(chǎng)景中地面三維模型可根據(jù)場(chǎng)景的大小分層次建立。線路附近的影像分辨率應(yīng)優(yōu)于0.2 m，DEM精度應(yīng)滿足1∶1 000比例尺精度要求。根據(jù)離線路方案的距離逐級(jí)降低影像分辨率，線路外圍場(chǎng)景可以利用分辨率為0.5～10 m的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和ASTER GDEM數(shù)據(jù)建立。

圖1 地面三維模型

1.2 沿線建筑物建模

對(duì)城市軌道交通沿線建筑物進(jìn)行三維建模，可分為如下幾個(gè)步驟。

(1)建筑物紋理采集

建筑物紋理采集是利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)建筑物外觀紋理進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍照。拍攝前應(yīng)準(zhǔn)備好正射影像圖或地形圖，根據(jù)線路走向?qū)π枰臄z的建筑物逐一編號(hào)。每個(gè)建筑物均需進(jìn)行多角度實(shí)地拍攝，拍攝時(shí)應(yīng)先全景再局部，照片應(yīng)能清晰表現(xiàn)建筑物結(jié)構(gòu)及紋理特征(如圖2、圖3所示)。全景拍攝十分重要，它是建筑物建模時(shí)樓層高度、整體外觀效果的最佳參考，對(duì)后期三維建模、材質(zhì)效果處理有很大幫助。

圖2 建筑物全景拍攝

圖3 建筑物局部拍攝

(2)建筑物立體采集

建筑物立體采集是指利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站在立體模式下采集建筑物的平面幾何和高程數(shù)據(jù)(如圖4所示)。采集時(shí)以面為單元，同一水平面上的結(jié)點(diǎn)高程要一致。

圖4 建筑物立體采集模型示意

(3)建筑物模型制作與貼圖

利用3DS Max等建模軟件，根據(jù)事先采集的矢量數(shù)據(jù)對(duì)建筑物進(jìn)行建模，保證每棟建筑是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，由裙樓或通道連接的建筑可根據(jù)文件數(shù)據(jù)量、細(xì)節(jié)表現(xiàn)等因素進(jìn)行拆分，但要保證整個(gè)建筑的完整性。

模型貼圖前要對(duì)紋理的大小、色調(diào)、精細(xì)度進(jìn)行相應(yīng)處理，紋理的長(zhǎng)、寬為2的n次冪像素值；紋理的大小盡量控制在1 024像素×1 024個(gè)像素以內(nèi)；紋理的色彩需使用PS軟件進(jìn)行調(diào)整，使其對(duì)比度適中，層次感強(qiáng)，建筑物整體色彩統(tǒng)一，具有真實(shí)感。圖5為紋理貼圖前后建筑模型效果對(duì)比。

圖5 紋理貼圖前后建筑物模型

(4)既有道路建模

在立體模式下進(jìn)行道路及附屬設(shè)施的平面幾何和高程數(shù)據(jù)矢量采集，通過(guò)建模還原其真實(shí)現(xiàn)狀。道路模型應(yīng)真實(shí)反映道路的結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)地、色彩等特征，紋理應(yīng)清晰可辨，效果與實(shí)際一致(如圖6所示)。

圖6 既有道路模型

1.3 設(shè)計(jì)資料建模

軌道交通線路主要包括橋梁、隧道、路基等，需要根據(jù)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行三維建模?？煞譃槿缦聨讉€(gè)步驟。

(1)設(shè)計(jì)資料準(zhǔn)備

線路平縱斷面圖、CAD中線文件；

工點(diǎn)缺口里程，格式為“工點(diǎn)名稱+起始里程+終點(diǎn)里程形式”；

路基、隧道、橋梁、站場(chǎng)等設(shè)計(jì)圖紙；

根據(jù)以上資料提取線路三維中線，并制作工點(diǎn)表(如圖7所示)。

圖7 工點(diǎn)表格式

(2)參數(shù)化建模軟件開(kāi)發(fā)

基于3DS Max等建模軟件，利用ObjectARX技術(shù)開(kāi)發(fā)用于軌道交通線路參數(shù)化建模軟件(如圖8所示)，能夠快速?gòu)脑O(shè)計(jì)圖紙中提取各種設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化參數(shù)化建模。

圖8 參數(shù)化建模界面

(3)參數(shù)化建模

根據(jù)線路三維中線、工點(diǎn)表和從設(shè)計(jì)圖紙中提取的設(shè)計(jì)參數(shù)，軟件自動(dòng)生成工點(diǎn)模型，并對(duì)模型進(jìn)行對(duì)應(yīng)貼圖(如圖9所示)。

圖9 橋梁參數(shù)化建模

1.4 三維系統(tǒng)集成

將地面三維模型、建筑物模型、設(shè)計(jì)線路模型、矢量信息數(shù)據(jù)集成到Skyline等三維信息管理平臺(tái)，創(chuàng)建真實(shí)的三維交互環(huán)境，模擬城市軌道交通建成后效果(如圖10所示)。

圖10 城軌三維效果

2 城市軌道交通三維系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 應(yīng)用于勘察設(shè)計(jì)

在城市軌道交通項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員和決策層可以利用三維系統(tǒng)進(jìn)行多尺度多視角的瀏覽、分析和研究方案，具體有如下幾個(gè)方面的應(yīng)用：

①利用三維系統(tǒng)輔助各專業(yè)人員踏勘調(diào)查，減少外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)踏勘次數(shù)。

②輔助地質(zhì)專業(yè)判讀沿線不良地質(zhì)、地形。

③將各專業(yè)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行建模集成，很容易發(fā)現(xiàn)專業(yè)設(shè)計(jì)間的差錯(cuò)漏等問(wèn)題。

④建模后能直觀地在三維場(chǎng)景中進(jìn)行方案比選，幫助選擇最佳的設(shè)計(jì)方案。

⑤利用三維系統(tǒng)進(jìn)行多角度、多視角錄屏，充分展示線路走向和重要工點(diǎn)，通過(guò)剪輯、特效加工與包裝并配以解說(shuō)詞，制作軌道交通項(xiàng)目三維宣傳視頻，向城市軌道交通規(guī)劃管理部門(mén)匯報(bào)項(xiàng)目建設(shè)的重要意義，向當(dāng)?shù)匕傩照故绢A(yù)建項(xiàng)目與周邊環(huán)境的和諧關(guān)系和對(duì)市民出行的便利，便于贏得地方政府和百姓對(duì)預(yù)建軌道交通項(xiàng)目的認(rèn)可。

⑥利用三維系統(tǒng)可以更好地規(guī)劃研究城市軌道交通沿線和車(chē)站周邊的物業(yè)開(kāi)發(fā)，直觀模擬建成后效果，實(shí)現(xiàn)城軌與商業(yè)的無(wú)縫銜接。

2.2 應(yīng)用于施工建設(shè)

在軌道交通項(xiàng)目施工建設(shè)階段，可以基于三維系統(tǒng)進(jìn)行施工進(jìn)度、防災(zāi)、視頻監(jiān)控等功能的開(kāi)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通的施工進(jìn)度、現(xiàn)場(chǎng)安全、工程質(zhì)量等有效管控，提升施工組織管理效率。主要應(yīng)用有如下幾個(gè)方面：

①在三維系統(tǒng)中建立各種設(shè)計(jì)模型和設(shè)備模型，可對(duì)基礎(chǔ)地形進(jìn)行相應(yīng)的填、挖方效果展示，模擬施工效果，便于檢查施工方案的合理性。

②改變以往以報(bào)表形式表示工程進(jìn)度的方式，利用三維系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度預(yù)警、施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和施工進(jìn)度更為形象的模型化展示(如圖11所示)。

圖11 隧道施工進(jìn)度展示

③在施工現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)備，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將視頻監(jiān)控信號(hào)接入三維系統(tǒng)，可進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)預(yù)警，且為施工安全提供直觀的監(jiān)控管理手段。

2.3 應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)管理

城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)可以將三維系統(tǒng)接入視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)三維情況下的日常數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析和預(yù)警，為軌道交通運(yùn)營(yíng)提供三維地理信息服務(wù)，提升運(yùn)營(yíng)管理水平，適應(yīng)現(xiàn)代軌道交通信息化發(fā)展的要求，更好地進(jìn)行軌道交通運(yùn)營(yíng)管理與維護(hù)。主要應(yīng)用有如下幾個(gè)方面：

①根據(jù)三維系統(tǒng)中沿線真實(shí)的地形地物特征，對(duì)軌道交通沿線環(huán)境可能給線路運(yùn)營(yíng)造成的影響進(jìn)行評(píng)估分析，對(duì)重要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警。

②基于三維系統(tǒng)，建立軌道交通設(shè)備三維可視化管理平臺(tái)，對(duì)設(shè)備部件進(jìn)行建模并賦予地理空間屬性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備二維臺(tái)賬數(shù)據(jù)管理向三維可視化模型管理的轉(zhuǎn)變，三維平臺(tái)上更有利于設(shè)備數(shù)據(jù)的查詢、分析、維護(hù)等日常管理工作。

③基于三維系統(tǒng)，建立軌道交通應(yīng)急搶險(xiǎn)、災(zāi)害處理、維修作業(yè)可視化管理平臺(tái)，面對(duì)災(zāi)害、事故等緊急情況時(shí)，管理者可以利用平臺(tái)快速直觀查詢事故周邊地形地物情況，有針對(duì)性地制定對(duì)策，更好地完成快速搶險(xiǎn)、災(zāi)害處理和維修作業(yè)等工作。

3 結(jié)論

城市軌道交通作為一個(gè)城市的名片和標(biāo)志，對(duì)提升城市形象，推進(jìn)城市的可持續(xù)和諧發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。但項(xiàng)目建設(shè)周期較長(zhǎng)，投資巨大，是個(gè)大規(guī)模、綜合性較強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，項(xiàng)目建設(shè)施工、運(yùn)營(yíng)管理難度較大，要求較高。而我國(guó)在對(duì)軌道交通項(xiàng)目進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)營(yíng)管理等方面仍然采用二維圖紙或表格文檔形式，建設(shè)管理手段落后。目前，三維地理信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)飛速發(fā)展，全國(guó)各個(gè)城市都在打造以3D GIS為基礎(chǔ)的數(shù)字城市、智慧城市。軌道交通行業(yè)更應(yīng)大力推進(jìn)三維技術(shù)應(yīng)用，采用多維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和管理勢(shì)在必行。

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Discussion on the Production and Application of the 3D System of Ubran Rail Transit

LI Pingcang

2016-06-07

李平蒼(1976—)，男，1999年畢業(yè)于西南交通大學(xué)攝影測(cè)量與遙感專業(yè)，高級(jí)工程師。

1672-7479(2016)05-0008-04

P208

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