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        基于Civil 3D航拍數(shù)模的路線三維設(shè)計

        2018-10-17 10:59:00姬子田王玉蘭
        山西建筑 2018年26期
        關(guān)鍵詞:道路設(shè)計縱斷面航拍

        姬子田 王玉蘭

        (臨沂大學土木工程與建筑學院,山東 臨沂 276000)

        0 引言

        道路是一條帶狀三維實體結(jié)構(gòu)物,道路線設(shè)計是從道路選線、定線開始,最終以平、縱、橫組成了立體線形,而道路的立體形狀及周圍的環(huán)境直接影響駕駛員的駕駛行為。

        國內(nèi)現(xiàn)行的路線設(shè)計方法是基于二維的設(shè)計,將公路中心線投影到二維平面上進行平、縱設(shè)計,在完成平面線性和縱斷面線形后再進行組合設(shè)計,這種分離式的線形設(shè)計方法雖然仍在沿用,但是實際工程應用和研究表明,這種平、縱分離式的公路線性設(shè)計方法并不是很理想,雖然滿足了平面線性組合的設(shè)計原則和要求,但是這種人為拆分和組合的設(shè)計方法忽略了平、縱線性設(shè)計幾何要素之間的相互聯(lián)系,使得道路設(shè)計的質(zhì)量好壞很大程度上取決于設(shè)計者的經(jīng)驗,甚至一些設(shè)計缺陷和疏漏被直接帶到后期運營中,引發(fā)一系列的交通事故。

        相比傳統(tǒng)的路線設(shè)計,道路三維設(shè)計精度更高,可以快速完成設(shè)計方案的比選,還可更直觀的進行平縱線形的檢查,尤其是視距保證問題,平面或縱斷面可能滿足視距要求,但在三維視距中不一定滿足。而三維路線設(shè)計是基于數(shù)字地面模型的基礎(chǔ)上進行的,數(shù)字地面模型可適用于道路設(shè)計的各個階段,在工程可行性研究階段,設(shè)計者在數(shù)字地面模型上進行路線方案選擇,確定路線的基本走向和主要控制點,擬選路線走廊方案;在工程設(shè)計階段設(shè)計者根據(jù)生成的地面起伏情況及技術(shù)指標等條件進行平、縱、橫的路線設(shè)計,并生成三維道路模型,可以非常直觀的進行路線設(shè)計質(zhì)量的檢查。因此在三維設(shè)計之前首先是建立設(shè)計區(qū)域的數(shù)字地面模型。

        1 數(shù)字地面模型的建立

        數(shù)字地面模型可以通過航空和航天遙感資料作為數(shù)據(jù)源,對于小區(qū)域的測繪無人機航拍技術(shù)已廣泛采用。特別適用于帶狀地區(qū)的航拍影像,該技術(shù)是將航拍過程中拍攝到的影像資料與定位系統(tǒng)相互結(jié)合,借助于計算機軟件對坐標的計算得出所測量地面點的三維坐標,本文以PhotoScan軟件為例介紹數(shù)字地面模型的建立的過程。

        PhotoScan是一款基于圖像自動生成三維模型的軟件,利用多視圖三維重建技術(shù),對任意拍攝的照片進行處理[1];可以對上千張圖片進行處理,生成控制點的地面坐標(x,y,z)。在三維建模的整個過程工作流程完全是自動化。首先利用無人機對所測區(qū)域進行無人機航拍,將拍攝得到的圖像導入到PhotoScan中,系統(tǒng)自動檢測照片中的點,然后生成密集的點云,按照所選的表面類型和源數(shù)據(jù)逐步加密生成一組用三角網(wǎng)格形式表達的數(shù)據(jù)集合及帶色彩紋理的DEM模型,還可以將成果轉(zhuǎn)換為大地坐標或工程坐標。生成的點云數(shù)據(jù)和模型通過導出命令導出Civil 3D所需要格式,比如.xyz,.txt格式,見圖1,圖2。

        2 三維道路設(shè)計

        AutoCAD Civil 3D是一款專業(yè)的三維道路設(shè)計軟件,它是在數(shù)字地面模型的基礎(chǔ)上進行路線的設(shè)計,將平曲線和縱斷面與定制的橫截面裝配件結(jié)合,創(chuàng)建參數(shù)化的三維模型。在路線設(shè)計之前首先創(chuàng)建曲面,將PhotoScan生成的點數(shù)據(jù)按照選定的格式添加到Civil 3D中的曲面定義中,生成三角網(wǎng)曲面,可以通過曲面特性對曲面高程、流域、坡度等特性進行分析。

        創(chuàng)建路線對象時,常用方法是采用類似于國內(nèi)的交點法,通過路線布局工具選擇創(chuàng)建路線的類型,也可以直接創(chuàng)建無曲線的交點線,在布局參數(shù)中修改或添加所選子圖元的相關(guān)參數(shù);在路線圖元表中為直線、曲線和緩和曲線輸入數(shù)字參數(shù)值來調(diào)整線形的布局。路線的布局參數(shù)值可通過對路線子圖元進行精細的調(diào)整。

        縱斷面設(shè)計是在平面設(shè)計完成后進行的,首先創(chuàng)建曲面縱斷面即原地面縱斷面,它是從曲面中沿著設(shè)計路線剖切自動提取,并顯示沿平面路線的地面起伏情況,由于Civil 3D是基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計,用地形曲面來創(chuàng)建縱斷面時,路線或曲面維持著實時動態(tài)關(guān)聯(lián),兩者中任何修改都將自動的引起縱斷面的更新[2]。拉坡設(shè)計采用交點法確定邊坡點,并修改邊坡點的位置、豎曲線半徑、切線長等參數(shù)。

        在指定的曲面上創(chuàng)建平、縱斷面后才能創(chuàng)建道路模型,道路裝配是道路建模中的主要結(jié)構(gòu),裝配是指道路典型橫斷面相互連接的部件組成,如車道、路緣、人行道、邊溝、路肩、中間帶等[2]。通過Civil 3D中附帶的部件來創(chuàng)建特定類型道路的裝配,在特性中修改部件的參數(shù)和名稱模板。利用創(chuàng)建裝配生成道路模型,道路設(shè)計流程如圖3所示。

        3 結(jié)語

        通過對三維道路設(shè)計的流程分析可知,借助于無人機航拍技術(shù)獲取數(shù)字地面模型數(shù)據(jù),將其與Civil 3D相結(jié)合,不僅在路線方案比選、選線、定線等方面,甚至在道路平、縱、橫設(shè)計質(zhì)量上有了很大的改進。使設(shè)計人員可以快速完成路線多方案的設(shè)計,縮短了初步設(shè)計的時間,提高了效率。采用Civil 3D在曲面上進行道路的三維設(shè)計,更直觀、精準,在很大程度上提高了道路設(shè)計的質(zhì)量,由此看來道路的三維設(shè)計將很快被普遍采用。

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