鐵路三維建模實現意義及路基可視化研究

李航+栗江峰

摘 要：隨著中國鐵路的高速發展，單一、抽象的一維和二維建模形式已經不能滿足現代鐵路的建設、運營和管理，而對數據三維可視化、仿真模擬、空間分析等方面的需求日益增長。三維可視化技術以立體技術展示空間信息，不僅能夠表達空間對象間的關系，而且能對空間對象進行三維空間分析和操作，因此三維可視化技術成為鐵路信息化發展的趨勢。

關鍵詞：鐵路選線；三維建模；路基；邊坡

近年來，隨著我國鐵路尤其是高速鐵路的大批量鋪設，鐵路行業已經進入了一個快速擴張階段。高速鐵路的發展的同時直接加快了中國鐵路系統的信息化改進，鐵路部門為實現信息化而建立MIS ，即TMIS、 DMIS等大型管理信息系統。使用GIS （地理信息系統）來實現信息系統中與地理空間相關的數據的分析和管理，并建立了各自的GIS子系統，MIS在鐵路建設運營管理中發揮著重要作用。

一、鐵路三維建模的改善作用

在我國的鐵路系統中已經廣泛應用GIS技術，但相關數據的可視化顯示仍存在缺陷，例如以二維地圖為其圖形界面，在利用鐵路空間數據的高程信息以及遙感影像信息上同樣存在劣勢，再如鐵路各部門仍以文本形式來表達各種信息系統中的數據，其擴展性劣勢凸顯，未對數據充分利用和信息表達的模糊，都無法滿足現代鐵路管理部門對運營、空間數據、設計方案評價等多方面的要求。所以創建三維可視化、可交互的信息工具顯示鐵路空間數據十分關鍵。鐵路線路的三維模型在數字高程模型（DEM）的基礎上表達，即鐵路線路的三維可視化，是"數字鐵路"的重要組成部分。

（一）鐵路線路三維整體模型包含了所有空間信息，根據線路上的位置索引信息數據，可以為建立完整的鐵路信息模型服務，實現鐵路信息化，為信息資源的共享創造條件。

（二）鐵路線路三維模型的另一特點是逼真的虛擬場景，根據鐵路部門管理技術人員的需要在電腦屏幕上顯示直觀場景，打破二維模型抽象的工作環境，包括工程的建設階段和鐵路的運營管理階段，極大的提高人員的工作效率。

（三）鐵路線路三維整體模型在鐵路施工前的選線階段發揮作用，輔助鐵路選線設計人員根據不同的地理環境，自動生成相應的設計，在不同方案的提出、比選、決策階段都能提供方便、直觀的虛擬環境，改善精確度和提高了效率。

二、鐵路線路路基三維可視化方法

三維鐵路線路的實現基于平面設計的結果，計算出中線主點的大地坐標，以里程為單位，把平、縱設計結果及橫斷面地面線聯系起來，按路基標準橫斷面的設定，計算出線路左、右兩側路肩邊緣點和路基邊坡與地面線交點的三維空間坐標。

（一）首先每隔10米取以線路里程為基準的點三維坐標的集合，然后利用線路中心線坐標點計算兩側的特征點坐標

（二）判斷路基兩側填挖類型，有挖方和填方兩種類型，需要挖方的計算排水溝各特征點的坐標，生成路塹邊坡；需要填方的直接生成路堤邊坡。

（三）通過紋理貼圖，實現具有較強真實感的三維路基模型。

三、實現難點及技術方案

（一）邊坡是線路路基的路堤和路塹，其中路塹還需要設置水溝。在生成邊坡模型前，需要預先設定對應的參數，如道床頂面寬度，道床邊坡坡率，道床厚度，路肩寬度，排水溝的相關參數，一級邊坡相關參數，二級邊坡相關參數，護墻相關參數等。根據線路兩側填挖類型的不同，邊坡分為路塹邊坡和路堤邊坡，對應的邊坡生成算法分為路塹邊坡生成算法和路堤邊坡生成算法。

（二）線路任一點里程大地坐標的計算。在曲線平面設計的過程中應先算出線路各主點里程的大地坐標，根據要求的任一里程點是在哪一段直線或者曲線或者緩和曲線上，分別根據大地坐標與局部坐標的轉換來計算。

（三）路基邊坡與地面交點的計算。中樁處填、挖不能完全反應斷面的填挖情況，須由路肩邊緣點與相應地面線的高程關系分別確定路基兩側的填挖情況，這就需要用到DEM內插高程來判斷。以中樁點地面線位置為原點O，以路基面為 X 軸、中心樁為 Y 軸，對每個橫斷面建立局部坐標系。在路肩邊緣點處依次進行放坡，直至與地面線相交為止，求出其與地面折線交點。

（四）原始地形和路基的疊加分析。由于路基與地形相交組成的是復雜的不規則多邊形，如果用點是否在多邊形內的方法進行判斷，算法十分復雜。采用 GIS 的空間疊加分析來進行運算，原始地形為點數據集，路基與地形交接為面數據集，點面數據集間的擦除運算，除路基范圍內的地形點，最后在運算結果集中，追加相應的路基點集。

四、三維顯示

鐵路三維線路靜態顯示并不能滿足要求，更需要交互式的動態顯示。使用計算機硬件之外，OpenGL為實現三維顯示的提供了軟件技術能力：顯示列表和雙緩存技術。有兩種三維顯示表達：一種是視點不動而目標移動；另一種是目標固定視點移動。兩種顯示方式都是通過釆用改變模型變換矩陣或投影變換矩陣的方式得以實現。

（一）視點不動目標移動。這種顯示方式比較簡單，可以采用兩種基本投影：平行投影和透視投影。在設置投影之后，就可以通過實時改變基本模型變換矩陣如平移、旋轉、縮放等相應參數來改變目標物體在對應投影方式下的實時顯示效果。

（二）目標固定視點移動。視點沿著預先設定的路徑移動，例如線路的設計中線，并采取透視投影以達到真實的顯示效果。

路基三維建模完成后，可以選擇一定的瀏覽模式，設置一點的瀏覽高度進行線路路基的漫游，直觀的觀察線路路基的三維效果。