三維模型技術在公路選線中的應用

唐國才

【摘要】我國地域遼闊，地質復雜，傳統選線方法具有很大局限性，無法進行高效的大范圍多方案比選論證，如何在我國復雜的地形環境中選擇出技術可行、經濟合理的路線，成為公路勘測設計人員面前的難題。由此，公路選線的三維模型技術應運而生。論文介紹了數據采集技術的特點、數據采集方法，引入了在野外勘測與內業設計之間起紐帶連接作用的數字地面模型，并以沿河（溪）線為實例，具體地介紹了選線時數字地面模型的應用及效果。

【關鍵詞】數據采集；數字地面模型；選線；平面圖；三維模型

Application of three-dimensional model of highway route

Tang Guo-cai

（Chang'an University Xi'an Shanxi 710064）

【Abstract】China's vast territory， geological complexity， the traditional line selection method has great limitations， can not be efficient large-scale multi-scheme comparison demonstration， how to choose a technically feasible and economically reasonable route in our complex terrain environment， become Highway Survey designers challenges ahead. Thus， the three-dimensional modeling techniques highway route emerged. This paper introduces the characteristics of the data collection techniques， data collection methods， the introduction of digital terrestrial model between the field survey and design from the link connection within the industry， the role of， and along the river （creek） lines as an example， specifically describes the selected line application and effect of the digital terrain model.

【Key words】Data collection；Digital terrain model；Select lines；Plan；Three-dimensional model

1. 研究意義

公路選線作為公路建設的基礎工作，是根據實際地形、地質條件，并結合經濟技術及環保等方面的特定要求，有機布設在地面上的一個重要過程。從路線基本走向的確定到路線方案選擇和具體定線，所考慮因素的側重點各不相同，在各種因素綜合作用下要選定出一條最佳路線，技術上是非常復雜且困難的。并且伴隨著我國公路事業的快速發展，公路的設計已經不再僅僅局限于幾何設計與結構設計，更加強調公路三維空間的整體設計，同時也更加注重公路的整體布置以及公路與環境的協調性、美觀性。三維透視圖相比二維圖來說，更為一目了然，也更讓人容易理解。三維數字地面模型技術在公路選線中的應用可以明顯提高選線效率，增強方案比較的直觀效果，有助于對路線方案進行大范圍多方案的比選論證。

2. 數字地面模型

2.1 數字地面模型概念。

（1）數字地面模型（Digital Terrain Model，DTM，簡稱數模），是指地形表面形態等多種信息的數字表示，是按照一定的結構而組織在一起的數據組，是對帶有空間位分布的地形屬性特征的數字的描述，通常空間分布是用一個平面坐標系統來表示，而地形屬性特征是各個平面位置（X，Y）上地面點的高程，它是地形起伏的數字表達，是建立不同層次的地理信息系統不可缺少的組成部分 。

（2）數字地面模型不完全等同于數字高程模型（DEM），地形表面形態的屬性信息一般包括高程、坡度、坡向等，數字高程模型是某一范圍內依一定規則選取的格網點的平面坐標及其高程的數據集，顯然，當數字地面模型中z值為高程屬性時，DTM就是DEM，而DEM是建立DTM的基礎數據。

2.2 數字地面模型組成。

數字地面模型一般由三部分組成 ：

（1）使用離散的形式將某區域的采樣點信息，按一定的規則存儲于計算機當中，使之形成有限項的一個向量序列。一般使用x與y來表示平面坐標系，用z來表示高程點，各種平面的地理信息使用編碼或者分層的方式進行表示。

（2）通過數學方法來擬合的地表形態，可以求出此區域中任何一個平面位置的點高程，或者推算出其他的地面特征，比如坡向、坡度等。

（3）使用功能程序塊來進行坐標系的轉換工作。

數模可使用于公路設計中的每個階段。設計者利用數模進行路線方案比選，只需輸入少量設計參數，計算機按照編好的程序自動完成設計和分析比較工作，輸出比較結果。設計者可方便地對方案進行比較，選擇較優方案，而不需重測。

3. 公路三維建模程序

3.1 公路三維建模程序的基本內容。

公路是若干帶狀空間結構相互聯結并置于三維地表之上的空間結構。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體。根據各構造物的設計計算方法和結構特點，可以把公路三維建模分成公路建模、交通設施建模、橋梁建模和輔助建模四個模塊。endprint

（1）公路建模：可以創建路基、路面、邊坡、邊溝等物體的三維模型。

（2）交通設施建模：用于創建護欄、標志牌、輪廓標、路面標線等交通設施的三維建模。

（3）橋梁建模：用于創建橋頭錐坡、下部構造、上部構造等三維模型。

（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、攝像機路徑生成、數據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，系統應具備以下的主要功能。

（1）根據公路的平縱橫設計數據建立公路的三維模型。

系統能根據平縱橫數據進行計算，建立其三維模型。為設計者提供一個直觀的公路的形象。

（2）根據地形數據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字地面模型數據，那么系統直接根據這些資料生成帶狀三維地形模型。如果沒有數字地面模型數據，系統應提供從地形圖上采取數模數據的工具，這樣基本上可以模擬出公路周圍的三維地形。

（3）進行公路三維模型與地形模型的疊加消隱。

4. 三維數模在山區公路的應用

（1）使用三維地面模型來進行公路設計的程序流程，和常規設計的基本相同，依然是先進行平面的定線，進而截取縱橫地面線，再進行縱斷面的設計以及橫斷面的計算，隨后調入結構物并且計算工程量，然后建立起路線與地面的三維模型，最后進行三維的動畫演示，它的重心是提取出縱橫地面線與三維公路的真實模型 。

（2）平面的設計完成之后，將按照一定的間距及其平曲線的特征點來形成樁號文件，首先打開原先所建立起的數模，點取縱面以及橫面的插值，軟件會自動的沿著路線的中線方向及其樁號的垂直中線，對數模進行切割，并且通過插值的計算準確計算出來每個點在數模上的投影的高程值，遂自動的生成縱斷的地面線以及橫斷的地面線文件，不過路線的坐標須和數模的坐標要保持相同?？v斷插值的時候，可以同時按照所指定地形的變化率來提取出地形的變化點的樁號與高程，依據需要也可以同時提取出路面的左右邊線所對應出來的地面高程插值。橫斷地面線要按照縱斷地面線的樁號來進行取值。使用三維數模和一些相關三維動畫程序，可以把公路建成之后的運營效果提前展現出來，輕松方便的制作出來公路的三維動畫模型，如圖1、圖2所示。

（3）通過地形圖對比分析，三維圖形比平面圖形更直觀，更有利于設計人員對于地形圖的了解，有利于整體把握，方便選線。同時，對于填挖方工程、構造物工程等有一個直觀的展示，可以形成對路線的全面把握。這也是這次模型研究工作的體現。同時，構建的數字地面模型為實現三維選線做好數據準備。直觀、精確、翔實的三維地形圖為以后紙上定線提供了重要的數據資料和技術保障。

5. 結語

三維模型技術在公路選線中的應用為設計者提供具有真實感的三維視覺模型，便于找出各影響因素之間的聯系，從而可對公路選線方案進行可視化分析和評價，擇優汰劣。本讓設計者在短時間內順利完成工程項目路線的多方案設計，大大減少了初步設計時間，提高工作效率。該研究成果還可應用推廣于公路工程、鐵道工程等工程類專業方向。

參考文獻

[1] 徐霄鵬. 公路工程測量[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 張坤宜. 交通土木工程測量[M].武漢：武漢大學出版社，2010.

[3] 王福建. 公路工程三維建模技術[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4] 秦建平. 公路工程[M].武漢：武漢理工大學出版社，2011.

[5] Peter G.Gipps.ALIGH-3D. A package to optimize route alignment. ROD&TRANSPORT RESEARCHVOL.1NO.2pp.50～59.1992.endprint