高衛(wèi)芬

晉中市交通運輸局 山西晉中 030600

如今，公路路線設(shè)計還是以傳統(tǒng)的二維設(shè)計為主，但公路的路線使三維實體，若只從某一個方面進行描述，無論進行平面、橫縱設(shè)計，都會對其它方面造成影響?；诖耍撛O(shè)計方法本質(zhì)上存在缺陷，亟需進行改善和提高。

1 公路路線一體化設(shè)計

1.1 設(shè)計環(huán)境

在一體化設(shè)計中，應(yīng)先建立一個一體化平臺，在屏幕上創(chuàng)建若干視窗，不同視窗顯示不同的內(nèi)容，包括路線的橫縱斷面及平面，設(shè)計人員可對窗口進行隨意切換，并能調(diào)整窗口所在位置及大小，不同窗口間不僅相互關(guān)聯(lián)，而且彼此獨立。其中，關(guān)聯(lián)指的是其中一個視窗的圖形修改可以關(guān)聯(lián)到其它視窗，比如設(shè)計人員對平面視窗中路線所在平面位置進行修改后，系統(tǒng)會自動生成新的地面線；如果設(shè)計人員對縱斷面視窗的縱坡方案進行了調(diào)整，則系統(tǒng)會自動設(shè)計和縱坡方案調(diào)整有關(guān)的橫斷面，同時計算確定相應(yīng)的土石方量。獨立指的是所有視窗中的繪圖區(qū)域與圖形比例都是完全獨立的，不會由于在同一視窗中進行交互操作而對其它視窗圖形造成影響[1]。

1.2 設(shè)計功能

（1）交替設(shè)計?？勺杂汕袚Q至所有視窗，完成相應(yīng)的設(shè)計任務(wù)，比如在平面設(shè)計中能隨時切換至縱斷面視窗完成拉坡設(shè)計。這與路線設(shè)計要求和特點完全相符，當(dāng)對某一個方面，比如平面線位實施修改后，需要對橫縱斷面也做相應(yīng)的修改。

（2）關(guān)聯(lián)設(shè)計。由于視窗相互關(guān)聯(lián)，所以能使從事于某個方面的設(shè)計同時考慮到其它方面，比如在平面視窗中進行線位調(diào)整能自動使縱斷面視窗對應(yīng)的地面線發(fā)生變化，而對縱斷面視窗中縱坡進行調(diào)整后能使橫斷面自動開始重新的設(shè)計[2]。

（3）信息查詢。對相關(guān)圖形進行實時顯示并提供信息查詢功能，包括各樁號的橫斷面信息、土石方量信息和技術(shù)指標(biāo)，能判斷交互操作是否合理，進而使方案的優(yōu)化調(diào)整更具備針對性。

在開發(fā)以上功能之前，應(yīng)按照平面和橫縱向?qū)嵤?，再通過對實體和命令間相互關(guān)聯(lián)相應(yīng)的設(shè)置與信息查詢把平面和橫縱向充分聯(lián)系到一起，以此實現(xiàn)一體化設(shè)計。在實際的開發(fā)進程當(dāng)中，可借助通知技術(shù)與響應(yīng)器完成。其中，響應(yīng)器主要對路線設(shè)計中發(fā)生的事件進行觀察與監(jiān)視，目前有很多種類型的相應(yīng)器可供使用，不同類型的響應(yīng)器對應(yīng)不同響應(yīng)事件，如表1所示。而通知技術(shù)是一項技術(shù)，在創(chuàng)建實體的過程中，能向?qū)嶓w附加響應(yīng)器，使不同實體實現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)。如果設(shè)計人員對實體進行了修改，則響應(yīng)器將自動響應(yīng)[3]。在響應(yīng)器響應(yīng)后，通過對ID號的讀取，執(zhí)行之前就設(shè)置完成的操作。比如，在平面交互設(shè)計過程中，可在建立平面線元這一實體的基礎(chǔ)上，通過對響應(yīng)器的附加和縱斷面對應(yīng)的地面線相互關(guān)聯(lián)，此時如果設(shè)計人員對某個平面線元進行了修改，則響應(yīng)器能立即自動開始地面線修改，包括點繪與重新插值。

2 公路路線可視化設(shè)計

以過去的二維設(shè)計為基礎(chǔ)，使路線設(shè)計達到可視化。近幾年，很多研究人員開始對公路工程三維顯示與動畫制作進行研究，形成了一條公認可行的思路，即：基于Auto CAD借助編制程序生成公路的三維模型，然后使用處理軟件得出公路的三維動畫。這一方法看似簡單可行，但實際上存在很多問題，比如，因公路的三維場景涉及到極其復(fù)雜且龐大的數(shù)據(jù)，所以上述過程必然要消耗很長的時間與大量空間，所以該方法盡可以在設(shè)計成果瀏覽中使用，無法在具體的設(shè)計過程當(dāng)中使用；在生成了公路動畫之后，僅可以按照之前設(shè)定好的路徑進行瀏覽，無法修改，致使設(shè)計與決策人員變成被動受眾，喪失了主動權(quán)。針對以上問題，最新研究成果引入了三維實時交互式仿真技術(shù)，同時以O(shè)pen GL為基礎(chǔ)開發(fā)出新的三維平臺，該平臺可以對公路路線進行三維顯示，而且還能實現(xiàn)交互式漫游[4]。采用這一全新三維平臺，能有效解決以下三方面問題：第一，對公路路線進行三維場景建模；第二，對建成的三維模型進行視相關(guān)簡化；第三，進一步提高圖形繪制成果及動畫的真實感。

2.1 維場景建模

因公路工程的三維場景十分復(fù)雜，所以只用一種曲面根本無法一次性詳細的描述模型，基于此，借助分割與歸并相結(jié)合的方法，把三維實體分割成兩類，即現(xiàn)狀景物與虛擬景物。對于現(xiàn)狀景物，它指的是現(xiàn)實當(dāng)中已經(jīng)存在的景物實體，如地形和地物；而虛擬景物指的是正處于規(guī)劃設(shè)計狀態(tài)的實體，如橋涵、隧道和路基，根據(jù)不同子實體自身具有的特點，對相應(yīng)的三維造型途徑進行分析研究，最后對不同的子實體進行拼合，以形成完整的整體。為達到無縫拼接，可引入以下計算方法：首先，對拼合交線進行計算，對橫斷面上坡腳點進行相互連接，同時在橋隧的起點和終點斷面上實施封閉，以此形成多個閉合環(huán)；然后，在DTM當(dāng)中嵌入計算好的拼合交線；第三，在由嵌入后的拼合交線形成的區(qū)域當(dāng)中植入病毒，由病毒對這一區(qū)域中所有三角形進行吞噬；最后，對完成裁剪的地形和道路模型進行拼合，形成完整的模型。以上方法不僅計算過程十分簡單，能在提高實際的建模效率和精度基礎(chǔ)上，降低實現(xiàn)的難度[5]。

2.2 模型簡化

采用以上方法建成的模型有一定復(fù)雜度，若沒有處理，設(shè)計中要等候很長時間才可以對三維動態(tài)效果進行瀏覽。對此，為實現(xiàn)實時瀏覽目標(biāo)，應(yīng)采取有效算法來簡化模型，從而提高計算效率與繪圖速度，并能減少對存儲空間的占用。簡化可從下列三個方面入手：第一，以地形特征為基礎(chǔ)進行簡化，在地形相對平坦的地區(qū)，采用較少面片數(shù)，而在地形相對復(fù)雜的地區(qū)，采用較多面片數(shù)。對于地形復(fù)雜程度，以電和平均平面之間的距離為依據(jù)判斷；第二，截取視見體，雖然公路場景十分復(fù)雜且龐大，但可見范圍固然有限，基于指定視點，對視野中的場景進行描述即可，其判別的方法主要為包圍球法；第三，采用細節(jié)層次技術(shù)，根據(jù)人體視覺具有的特點，針對視野范圍中不同景物從不同細節(jié)層次入手進行描述，和視點相距較近的進行較密細節(jié)描述，而和視點相距較遠的進行較粗細節(jié)描述。基于此，在累進網(wǎng)格技術(shù)支持下，提出一種以邊折疊為基礎(chǔ)的簡化算法，該算法的步驟為：首先，以地形的特征為依據(jù)確定所有邊折疊的集合，并將原始的網(wǎng)格簡化成基網(wǎng)格；然后，利用操作集合建立網(wǎng)格頂點對應(yīng)的合并樹，也就是形成層次結(jié)構(gòu)；最后，根據(jù)視點的具體位置與視線方向，結(jié)合視相關(guān)準(zhǔn)則，開始邊折疊，也可進行點分裂。完成以上操作中，即可在層次結(jié)構(gòu)當(dāng)中確定當(dāng)前細節(jié)層狀技術(shù)網(wǎng)格[6]。

2.3 圖形的繪制和動態(tài)顯示

在完成建模和簡化后，開始光照模擬及紋理映射。為保證立體效果，并減少計算量，可采用專門的光照模型。完成光照模擬后，可以生成在視覺上十分光滑的表面，然而，因?qū)毠?jié)的模擬還比較缺乏，所以模擬結(jié)果和真實的場景之間有很大的差別。在這種情況下，有必要引入紋理映射。根據(jù)實體屬性，可以把紋理圖片分成以下兩類：第一類為自然紋理；第二類為虛擬紋理。其中，自然紋理可在現(xiàn)狀景物中使用，先通過數(shù)字攝影測量獲得正射影像，以此作為地表上的真實紋理，最后映射至數(shù)字模型中；而虛擬紋理可在虛擬景物中使用，可直接根據(jù)實物的照片獲得。完成以上操作后，借助Open GL自帶雙緩存技術(shù)即可對場景進行動態(tài)瀏覽，也就是利用硬件和軟件實現(xiàn)緩存，提供兩種不同的顏色。在一個顯示以后，另外一個正在進行繪圖。繪圖每完成一幀都進行一次緩存交換，將顯示幀緩存主要用于繪圖，而繪圖緩存則用于顯示，以此達到理想的動畫顯示效果[7]。

3 結(jié)語

綜上所述，按照以上原理研發(fā)的一體化和可視化設(shè)計已經(jīng)在很多公路工程得到使用，通過對這一設(shè)計方法的應(yīng)用，設(shè)計人員能在路線設(shè)計中對所有修改方案對應(yīng)的三維效果進行瀏覽，從而為線形設(shè)計中的評價、環(huán)評、安全評估等工作提供可靠依據(jù)，使以往的二維設(shè)計變成三維，使靜態(tài)設(shè)計變成動態(tài)，在保證設(shè)計質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高設(shè)計效率。