高速公路真三維智能化演示系統(tǒng)

劉潤澤

（西北政法大學(xué)公安學(xué)院，陜西 西安 710063）

0 引言

在高速公路施工建設(shè)項目中，吸引眼球的展示對項目效果演示非常重要。如何在短暫的演示時間內(nèi)，直觀展現(xiàn)高速公路建成后的效果，給領(lǐng)導(dǎo)和專家心理和視覺上的沖擊感、滿足感以及身臨其境的真實感，是匯報者切實關(guān)心的一個問題。

目前，PPT是最常用、最理想的演示工具[1]，主要以二維的靜態(tài)圖片或文字說明為主[2]，缺乏三維動態(tài)的直觀效果。為達(dá)到直觀可視化，通常會錄制三維AVI視頻，插入PPT中。錄制視頻工作需要很大工作量，視頻效果難以控制，往往為了做一次簡短的匯報，需要很長時間的輔助工作，效率低。

近年來，計算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，各種具有視覺沖擊的界面大放異彩。尤其Windows8操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，系統(tǒng)獨特的metro開始界面和觸控式交互系統(tǒng)，讓人們的日常電腦操作更加簡單和快捷，為人們提供了高效易行的工作環(huán)境[3]，一改傳統(tǒng)微軟操作系統(tǒng)的設(shè)計風(fēng)格，讓人眼前一亮。筆者正是基于這種界面風(fēng)格設(shè)計研發(fā)了高速公路真三維智能化演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以直觀展現(xiàn)高速公路建成通車后的真實效果，更重要的是將匯報與展示融為一體，有效實現(xiàn)領(lǐng)導(dǎo)和專家對展示效果的直觀化、三維化的心理期望，并有助于消除視覺疲勞。下面介紹高速公路真三維智能化演示系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

高速公路真三維智能化演示系統(tǒng)，采用Win?dows操作平臺，利用DevExpress進(jìn)行界面設(shè)計，采用Windows8大圖標(biāo)界面風(fēng)格，使高速公路真三維智能化演示系統(tǒng)運行操作猶如PPT展示一樣，簡便直觀。同時，本系統(tǒng)還能在可觸控顯示屏上進(jìn)行手動觸屏操作，體現(xiàn)了三維立體直觀、演示匯報生動的系統(tǒng)特點。

1.1 高速公路真三維模型構(gòu)建

1.1.1 三維場景建模

真實三維地形建模是根據(jù)真實地形數(shù)據(jù)進(jìn)行地形生成，目前大多采用數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model，DEM）來生成[4]。對于數(shù)字高程模型的描述，通常有等高線模型、規(guī)則格網(wǎng)模型（GRID）和不規(guī)則三角網(wǎng)模型等。但在三維地形表達(dá)中，用得最多的是后兩種。本文采用了不規(guī)則三角網(wǎng)模型進(jìn)行地形場景模型構(gòu)建。

為體現(xiàn)地形場景地表各要素之間的特征，還需要利用衛(wèi)星影像或者航拍影像，預(yù)先處理成正射影像，采用一定的算法將兩者配準(zhǔn)，然后在空間上的三維模型頂點和正射影像中的像素之間定義一種映射關(guān)系，利用頂點的空間坐標(biāo)求得對應(yīng)正射影像中的紋理坐標(biāo)，并將正射影像逐步映射到三維立體模型的各個網(wǎng)格上，實現(xiàn)整體模型的紋理映射[3]，生成真實的三維地形場景模型，場景模型效果如圖1所示。

圖1 真三維地形場景

1.1.2 高速公路參數(shù)化建模

高速公路參數(shù)化建模是根據(jù)高速公路工程設(shè)計資料劃分公路結(jié)構(gòu)，再準(zhǔn)確地提取公路平面和縱斷面參數(shù)及橋涵構(gòu)造物和公路其他附屬設(shè)施設(shè)計參數(shù)，最后利用自行制作的自動化構(gòu)建公路三維模型工具軟件快速自動生成高速公路真三維模型[5]。本方法構(gòu)建的高速公路模型是按照公路設(shè)計資料創(chuàng)建公路組成部分的模型，依據(jù)公路建設(shè)規(guī)范將模型組裝起來，并通過三維GIS平臺展現(xiàn)。

上文所述的高速公路真三維模型只包含了路基、路面、邊坡模型。而構(gòu)成高速公路環(huán)境的機(jī)電模型、交通安全標(biāo)志標(biāo)識、收費站、服務(wù)區(qū)、綠化帶等[6]，則需要通過3DMAX等建模工具建模，并利用自行研發(fā)的模型插入工具，導(dǎo)入到高速公路真三維場景中，才能構(gòu)建出完整的高速公路真三維模型（如圖2所示）。

圖2 真三維高速公路場景模型

1.2 資料數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

資料數(shù)據(jù)庫主要包括機(jī)電設(shè)施數(shù)據(jù)庫、圖紙資料數(shù)據(jù)庫和附屬設(shè)施數(shù)據(jù)庫。相關(guān)數(shù)據(jù)表和字段的設(shè)計遵循統(tǒng)一編碼、統(tǒng)一分類和組織，統(tǒng)一業(yè)務(wù)術(shù)語、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)代碼[7]。除關(guān)系型的屬性數(shù)據(jù)外，用于存儲與高速公路相關(guān)的各種數(shù)據(jù)信息，還存在多種其他格式的數(shù)據(jù)，包括文本、圖紙、監(jiān)控視頻、施工現(xiàn)場照片和機(jī)電設(shè)施參數(shù)等。這些數(shù)據(jù)來源多樣，數(shù)據(jù)量大，操作復(fù)雜，難以在傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存儲管理。如果將各類數(shù)據(jù)導(dǎo)入資料數(shù)據(jù)庫及文件系統(tǒng)并建立相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過表字段與真三維高速公路模型單元將資料數(shù)據(jù)庫及文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)（如圖3所示），通過程序控制的方式實現(xiàn)模型與模型相關(guān)屬性信息的關(guān)聯(lián)展示，則可體現(xiàn)匯報資料的豐富性。

圖3 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)按高速公路施工建設(shè)項目匯報所關(guān)心的幾個版塊進(jìn)行功能設(shè)計，如圖4所示。

圖4 功能架構(gòu)設(shè)計

該架構(gòu)主要包括道路巡視、道路基礎(chǔ)設(shè)施、交通安全設(shè)施、管理及服務(wù)設(shè)施、應(yīng)急處置、機(jī)電設(shè)施和交通路況等版塊。

道路巡視版塊主要實現(xiàn)以模擬駕駛的方式進(jìn)行道路瀏覽的功能，可以根據(jù)起始樁號、行駛方向和車道、車速等參數(shù)來控制道路巡視的方式。

道路基礎(chǔ)設(shè)施版塊主要實現(xiàn)對路基、路面、邊坡、橋梁和隧道等屬性的查詢和展示，并定制開發(fā)了橋梁定位、飛行瀏覽等功能，匯報時可以從360°的視角展示橋梁的建設(shè)效果。

交通安全設(shè)施版塊實現(xiàn)了對交通安全相關(guān)的標(biāo)識、標(biāo)線、標(biāo)牌、防撞設(shè)施等的查詢和瀏覽，通過彈出窗口的方式展示交通安全設(shè)施的設(shè)計單位、建成時間和規(guī)格參數(shù)等內(nèi)容。

管理及服務(wù)設(shè)施版塊主要用于對高速公路上的收費站、收費廣場、服務(wù)區(qū)等設(shè)施的管理、查詢和瀏覽。通過鼠標(biāo)點擊操作，可以實現(xiàn)對收費站收費車道開放度、通過車輛型號、載重、收費情況等的查詢，以及服務(wù)區(qū)停車位、開放時間、總體布置情況等的查詢，還能夠以設(shè)定路線飛行的方式瀏覽服務(wù)區(qū)、收費廣場的建成后效果，直觀生動。

機(jī)電設(shè)施版塊具有對高速公路上布置的監(jiān)控探頭、車檢器、氣象檢測器等機(jī)電設(shè)備的屬性查詢和監(jiān)控視頻調(diào)度等功能。

系統(tǒng)維護(hù)版塊主要具有對用戶的權(quán)限管理、資料數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。

在演示匯報過程中，高速公路施工建設(shè)項目匯報者可以將文字、圖片、視頻等相關(guān)匯報材料通過資料數(shù)據(jù)維護(hù)功能，導(dǎo)入資料數(shù)據(jù)庫中，并建立與三維可視化模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過系統(tǒng)的操作，直接在三維可視化展示的同時進(jìn)行匯報，給人直觀印象。

2 演示界面及效果

為符合演示匯報的風(fēng)格，本系統(tǒng)利用DevEx?press進(jìn)行輔助界面設(shè)計，主界面（見圖5）參考Windows8大圖標(biāo)風(fēng)格。從感官效果來看，類似于PPT的演示效果，可實現(xiàn)演示與匯報的統(tǒng)一。

在功能界面上，以交通安全設(shè)施功能為例來說明界面效果，如圖6所示。圖中，①區(qū)域表示不同交通安全設(shè)施的縮略圖；②區(qū)域用于顯示鏈接的文字、圖片、圖紙等資料信息，也是匯報過程中介紹內(nèi)容的文字說明；③區(qū)域是系統(tǒng)的三維窗口，展示在①區(qū)域選中的縮略圖對應(yīng)的真實三維效果。在三維窗口中，還能夠?qū)φ故镜恼嫒S模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、點選、瀏覽等操作。

在系統(tǒng)功能中，道路巡視功能比較特殊，用于體驗在行車駕駛狀態(tài)下的真三維高速公路效果。因此，可將三維窗口以全屏的方式展現(xiàn)出來，以增強(qiáng)演示效果。該版塊在三維窗口下側(cè)設(shè)置了模擬駕駛參數(shù)選擇框，用于控制模擬駕駛的方式，如圖7所示。在演示匯報過程中，模擬駕駛功能可以隨時暫停、繼續(xù)和停止。

3 結(jié)論

圖5 主界面

圖6 交通安全設(shè)施效果圖

圖7 道路巡視效果圖

綜上所述，高速公路真三維智能化演示系統(tǒng)在功能方面具備高速公路施工建設(shè)中各種信息的查詢、瀏覽和交互等功能；在界面上，類似PPT的匯報模式，從整體設(shè)計風(fēng)格和用戶操作體驗上，真正做到了將演示與匯報融為一體。本系統(tǒng)的應(yīng)用，將革新傳統(tǒng)匯報模式，起到運用應(yīng)用系統(tǒng)直接進(jìn)行匯報的作用，直觀展示高速公路建設(shè)效果，令人耳目一新，消除觀看者的視覺疲勞。同時，本研究成果是先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)在交通行業(yè)的一種創(chuàng)新性應(yīng)用，將直接影響交通行業(yè)的科技發(fā)展方向。

[1]周秋平，鄭尚志.計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)教程[M].合肥：安徽大學(xué)出版社，2009.

[2]齊軼.三維地形建模實現(xiàn)方法研究[D].貴陽：貴州大學(xué)，2006.

[3]湯文生，劉連戰(zhàn)，吳劍，等.公路3D參數(shù)化自動建模技術(shù)研究[J].中外公路，2012（1）：279-283.

[4]王國鋒，許振輝，秦濤.真三維道路智能設(shè)計理論與方法實踐[M].北京：人民交通出版社，2013.

[5]康諾利，貝格.數(shù)據(jù)庫設(shè)計教程[M].何玉潔，梁琦，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.