路線一體化設計平臺在公路設計中的應用

■王 旗 ■陜西華帆交通工程有限公司，陜西 西安 710068

公路建設水平直接決定著交通運行能力，關乎國家經濟發展，截止2013年年底，我國公路總里程達435萬公里。作為公路工程的前提，路線設計必須合理精確，否則易引起交通堵塞，或出現路程過長增加油耗的現象。建設范圍在擴大，偏遠地區越來越受重視，地形地勢愈發復雜。計算機技術的應用解決了手工設計中的許多問題，但路線是三維實體，須實現平、橫、縱一體化。若將其分開設計，必然會破壞路線的完整性，使得設計質量有所降低。因此在設計公路路線時，需加強對一體化的重視。

1 平縱橫一體化的設計分析

1.1 創設一體化設計環境

路線一體化設計需在專門平臺上開展，所以首先應建立一個相應的一體化設計平臺。在計算機上可同時打開多個窗口，將同一路線的平面、橫斷面和縱斷面進行視圖顯示。設計人員能夠根據需要切換窗口，并對窗口進行縮放、移動，這幾個窗口相對獨立但又緊密相連。即是說每一個窗口內的繪圖區域、圖像比例是獨立的，在操作另一個窗口時不會對其產生影響。而聯系是說彼此間的相互響應，如在平面視窗內對路線的位置做了調整，系統會自動調整縱斷面視窗內容，生成與平面視窗相應的地面線;而調整縱斷面視窗內的縱坡時，橫斷面視窗也會生成新的橫斷面。

1.2 開發一體化設計功能

主要包括3個功能:(1)交替設計。可實現視窗的任意切換，進行所需要的操作。如在平面窗口內設計時，可隨時切換至縱斷面窗口開展拉坡設計。這一功能是在公路路線設計中極為重要，因為路線設計需經過多次修改才能最終確定，而一旦一方面發生改變，另外兩方面也必然要有相應的變動;(2)關聯設計。即幾個視窗之間彼此相連，在設計某一方面時必須兼顧其他兩方面。如調整平面視窗內的線位，則會引起縱斷面視窗內地面線的變化;(3)信息查詢。各個窗口內涵蓋了大量與圖形相關的信息，可隨時搜索查詢，如土石方工程量、樁號的橫斷面等，輔助判定每次交互操作的合理性，以便有針對性地對方案加以調整。

具體來說，平面設計視窗能夠調整交點和線元，并對半徑、A值等參數進行修改;縱斷面設計視窗包括地面線點繪制、交互式拉破、調整坡長坡度和坡點;橫斷面設計視窗包括橫斷面的自動設計、交互設計等功能。在開發這些功能時，需逐個進行，先設計各個方面的獨立功能，然后將這幾個方面加以連接，實現平、縱、橫一體化。主要應用了兩種技術:一是響應器，用以監測路線設計時可能出現的事件;二是通知技術，創建實體的同時可在其內部安裝相應器，記錄有另一實體的對象ID號，負責兩個實體之間的關聯。一旦設計人員對實體有所改動，響應器變化自動發出相應的響應，通過讀出所依附實體的對象ID號，將實體打開，按照設計思路實現相關操作。如創建平面線元實體，安裝響應器便可與縱斷面窗口內的地面線相連，若修改前者的線元，響應器會自動引發后者對應地面線的重新操作。

2 公路勘測設計一體化分析

2.1 數字地面模型

公路建設引進計算機技術已有很長時間，但在一體化技術方面的研究不多。數字地面模型是一種集三維數字、數據采集、路線設計等多種功能于一體的技術，因為公路多呈不規則的帶狀，所以必須利用三維技術加以設計。數字地面模型利用數字對地形的起伏變化進行表述，先采集地形表面的數據，然后以x、y、z的方式分別表示路面的平、縱、橫坐標。模型的數據結構與工程進度、檢索效率密切相關，必須加強重視。

2.2 數字地面模型的應用

(1)在三維立體的地面數字模型中選擇合理的路線。通過該模型的收集和分析，能夠將所有路線都顯示出來，給設計人員提供多種方案。根據工程要求，設計人員在對比后可選擇最佳方案;利用CAD技術獲取路線平面的逐樁坐標，然后利用數字地面模型求出路線相對應的縱斷面與橫斷面的地面線，在此基礎上生成路線的縱斷面圖和橫斷面圖;最后將設計好的路線與數字地形的三維模型進行疊加處理并消影，然后經過渲染和動畫處理，以得到整個路線的三維真實模型。

(2)在以往計算土石方數量時，多是根據斷面加以計算，缺乏科學性且計算結果精確度較低。使用數字地面模型計算，因采用了三維技術，理論上更加嚴密，可提高計算效率和精準度。

(3)將實際勘測結果和數字地面模型測量出的結果相比較，從中不難發現，數模已經可以滿足任何道路最初期階段設計精度的要求，在各種地形中都較為適用。隨著地形越來越惡劣，對技術要求也更高，而且可能會用到加密、特征線處理等技術。

3 可視化技術在公路路線設計中的應用分析

從前面分析可知，公路路線設計的三維場景較為復雜，若只采用一種流形的曲面進行描述，難以一次性地將整個模型描述清楚。所以有必要通過分割－歸并的方法將三維實體分成現狀景物實體和虛擬的景物實體兩類，對其進行可視化描述。而一體化和可視化的聯合應用也是今后的主要趨勢。所謂現狀的景物實體，指的是地形、地貌等已經客觀存在的實體;而虛擬的景物實體指的是在規劃設計中還未真正施工建立的實體，包括隧道、橋梁、路基等結構。然后根據各個子實體的特點，對其三維實體造型依次進行探究。最后將多個子實體組成一個整體，形成一個可視實體。大致程序如下:

(1)計算拼合交線。連接道路橫斷面的前后坡腳點，在路線、橋隧的起終斷面處進行封閉，形成若干閉合環。

(2)嵌入拼合交線。利用約束的Delaunay三角化算法將拼合交線嵌入數字地面模型。

(3)裁剪地形。在拼合交線圍成的區域內植入一個可將區域內三角形吞噬的程序。

(4)拼合模型。將建立的道路模型與裁剪后的地形進行拼接，形成整體模型。

4 結束語

為提高公路路線設計水平，必須積極引進一體化、可視化等先進技術。通過平、縱、橫的相連，可提高路線勘察設計時的效率，以確保工程高質、快速地完成。

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［3］卓鑫，林建軍.淺析基于RTK技術的公路勘測一體化的實現［J］.今日科苑，2009，22(10):125 －127.

［4］蒲浩，宋占峰，詹振炎.公路路線設計的一體化與可視化［J］.中南大學學報，2004，35(5):151 －153.