公路選線的三維模型技術(shù)
【關(guān)鍵詞】核心期刊代發(fā)表,數(shù)據(jù)采集,數(shù)字地面模型,選線,平面圖,三維模型
1. 研究意義
公路選線作為公路建設(shè)的基礎(chǔ)工作，是根據(jù)實(shí)際地形、地質(zhì)條件，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)技術(shù)及環(huán)保等方面的特定要求，有機(jī)布設(shè)在地面上的一個(gè)重要過(guò)程。從路線基本走向的確定到路線方案選擇和具體定線，所考慮因素的側(cè)重點(diǎn)各不相同，在各種因素綜合作用下要選定出一條最佳路線，技術(shù)上是非常復(fù)雜且困難的。并且伴隨著我國(guó)公路事業(yè)的快速發(fā)展，公路的設(shè)計(jì)已經(jīng)不再僅僅局限于幾何設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更加強(qiáng)調(diào)公路三維空間的整體設(shè)計(jì)，同時(shí)也更加注重公路的整體布置以及公路與環(huán)境的協(xié)調(diào)性、美觀性。三維透視圖相比二維圖來(lái)說(shuō)，更為一目了然，也更讓人容易理解。三維數(shù)字地面模型技術(shù)在公路選線中的應(yīng)用可以明顯提高選線效率，增強(qiáng)方案比較的直觀效果，有助于對(duì)路線方案進(jìn)行大范圍多方案的比選論證。
2. 數(shù)字地面模型
2.1 數(shù)字地面模型概念。
(1)數(shù)字地面模型(Digital Terrain Model，DTM，簡(jiǎn)稱數(shù)模)，是指地形表面形態(tài)等多種信息的數(shù)字表示，是按照一定的結(jié)構(gòu)而組織在一起的數(shù)據(jù)組，是對(duì)帶有空間位分布的地形屬性特征的數(shù)字的描述，通常空間分布是用一個(gè)平面坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)表示，而地形屬性特征是各個(gè)平面位置(X，Y)上地面點(diǎn)的高程，它是地形起伏的數(shù)字表達(dá)，是建立不同層次的地理信息系統(tǒng)不可缺少的組成部分 。
(2)數(shù)字地面模型不完全等同于數(shù)字高程模型(DEM)，地形表面形態(tài)的屬性信息一般包括高程、坡度、坡向等，數(shù)字高程模型是某一范圍內(nèi)依一定規(guī)則選取的格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及其高程的數(shù)據(jù)集，顯然，當(dāng)數(shù)字地面模型中z值為高程屬性時(shí)，DTM就是DEM，而 DEM是建立DTM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
2.2 數(shù)字地面模型組成。
數(shù)字地面模型一般由三部分組成 ：
(1)使用離散的形式將某區(qū)域的采樣點(diǎn)信息，按一定的規(guī)則存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)當(dāng)中，使之形成有限項(xiàng)的一個(gè)向量序列。一般使用x與y來(lái)表示平面坐標(biāo)系，用z來(lái)表示高程點(diǎn)，各種平面的地理信息使用編碼或者分層的方式進(jìn)行表示。
(2)通過(guò)數(shù)學(xué)方法來(lái)擬合的地表形態(tài)，可以求出此區(qū)域中任何一個(gè)平面位置的點(diǎn)高程，或者推算出其他的地面特征，比如坡向、坡度等。
(3)使用功能程序塊來(lái)進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換工作。
數(shù)�？墒褂糜诠吩O(shè)計(jì)中的每個(gè)階段。設(shè)計(jì)者利用數(shù)模進(jìn)行路線方案比選，只需輸入少量設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算機(jī)按照編好的程序自動(dòng)完成設(shè)計(jì)和分析比較工作，輸出比較結(jié)果。設(shè)計(jì)者可方便地對(duì)方案進(jìn)行比較，選擇較優(yōu)方案，而不需重測(cè)。
3. 公路三維建模程序
3.1 公路三維建模程序的基本內(nèi)容。
公路是若干帶狀空間結(jié)構(gòu)相互聯(lián)結(jié)并置于三維地表之上的空間結(jié)構(gòu)。公路線形是公路的平面、縱斷面和橫斷面三者合一的立體線形，最終映入駕駛員眼睛的是公路平縱橫配合后的三維帶狀實(shí)體。根據(jù)各構(gòu)造物的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以把公路三維建模分成公路建模、交通設(shè)施建模、橋梁建模和輔助建模四個(gè)模塊。 (1)公路建模：可以創(chuàng)建路基、路面、邊坡、邊溝等物體的三維模型。
(2)交通設(shè)施建模：用于創(chuàng)建護(hù)欄、標(biāo)志牌、輪廓標(biāo)、路面標(biāo)線等交通設(shè)施的三維建模。
(3)橋梁建模：用于創(chuàng)建橋頭錐坡、下部構(gòu)造、上部構(gòu)造等三維模型。
(4)輔助建模：提供視圖和空間視角視察、模型交互式編輯、信息查詢、透視圖圖紙、攝像機(jī)路徑生成、數(shù)據(jù)文件檢查等輔助功能 。
3.2 公路三維建模程序的基本功能。
為了能較好地完成公路三維模型的建立，系統(tǒng)應(yīng)具備以下的主要功能。
(1)根據(jù)公路的平縱橫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立公路的三維模型。
系統(tǒng)能根據(jù)平縱橫數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，建立其三維模型。為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)直觀的公路的形象。
(2)根據(jù)地形數(shù)據(jù)建立公路周圍的帶狀三維地形模型。
建立公路周圍的帶狀三維地形模型需要有地形資料，如果有該公路的帶狀數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)，那么系統(tǒng)直接根據(jù)這些資料生成帶狀三維地形模型。如果沒(méi)有數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)應(yīng)提供從地形圖上采取數(shù)模數(shù)據(jù)的工具，這樣基本上可以模擬出公路周圍的三維地形。
(3)進(jìn)行公路三維模型與地形模型的疊加消隱。
4. 三維數(shù)模在山區(qū)公路的應(yīng)用
(1)使用三維地面模型來(lái)進(jìn)行公路設(shè)計(jì)的程序流程，和常規(guī)設(shè)計(jì)的基本相同，依然是先進(jìn)行平面的定線，進(jìn)而截取縱橫地面線，再進(jìn)行縱斷面的設(shè)計(jì)以及橫斷面的計(jì)算，隨后調(diào)入結(jié)構(gòu)物并且計(jì)算工程量，然后建立起路線與地面的三維模型，最后進(jìn)行三維的動(dòng)畫(huà)演示，它的重心是提取出縱橫地面線與三維公路的真實(shí)模型 。
(2)平面的設(shè)計(jì)完成之后，將按照一定的間距及其平曲線的特征點(diǎn)來(lái)形成樁號(hào)文件，首先打開(kāi)原先所建立起的數(shù)模，點(diǎn)取縱面以及橫面的插值，軟件會(huì)自動(dòng)的沿著路線的中線方向及其樁號(hào)的垂直中線，對(duì)數(shù)模進(jìn)行切割，并且通過(guò)插值的計(jì)算準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)每個(gè)點(diǎn)在數(shù)模上的投影的高程值，遂自動(dòng)的生成縱斷的地面線以及橫斷的地面線文件，不過(guò)路線的坐標(biāo)須和數(shù)模的坐標(biāo)要保持相同�？v斷插值的時(shí)候，可以同時(shí)按照所指定地形的變化率來(lái)提取出地形的變化點(diǎn)的樁號(hào)與高程，依據(jù)需要也可以同時(shí)提取出路面的左右邊線所對(duì)應(yīng)出來(lái)的地面高程插值。橫斷地面線要按照縱斷地面線的樁號(hào)來(lái)進(jìn)行取值。使用三維數(shù)模和一些相關(guān)三維動(dòng)畫(huà)程序，可以把公路建成之后的運(yùn)營(yíng)效果提前展現(xiàn)出來(lái)，輕松方便的制作出來(lái)公路的三維動(dòng)畫(huà)模型，如圖1、圖2所示。
(3)通過(guò)地形圖對(duì)比分析，三維圖形比平面圖形更直觀，更有利于設(shè)計(jì)人員對(duì)于地形圖的了解，有利于整體把握，方便選線。同時(shí)，對(duì)于填挖方工程、構(gòu)造物工程等有一個(gè)直觀的展示，可以形成對(duì)路線的全面把握。這也是這次模型研究工作的體現(xiàn)。同時(shí)，構(gòu)建的數(shù)字地面模型為實(shí)現(xiàn)三維選線做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。直觀、精確、翔實(shí)的三維地形圖為以后紙上定線提供了重要的數(shù)據(jù)資料和技術(shù)保障。
5. 結(jié)語(yǔ)
三維模型技術(shù)在公路選線中的應(yīng)用為設(shè)計(jì)者提供具有真實(shí)感的三維視覺(jué)模型，便于找出各影響因素之間的聯(lián)系，從而可對(duì)公路選線方案進(jìn)行可視化分析和評(píng)價(jià)，擇優(yōu)汰劣。本讓設(shè)計(jì)者在短時(shí)間內(nèi)順利完成工程項(xiàng)目路線的多方案設(shè)計(jì)，大大減少了初步設(shè)計(jì)時(shí)間，提高工作效率。該研究成果還可應(yīng)用推廣于公路工程、鐵道工程等工程類專業(yè)方向。
參考文獻(xiàn)
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