線路三維可視化設計基礎理論和方法探討

黃磊

（新疆生產建設兵團建工設計研究院石河子分院 新疆石河子 832000）

線路三維可視化設計基礎理論和方法探討

黃磊

（新疆生產建設兵團建工設計研究院石河子分院 新疆石河子 832000）

隨著軌道交通建設的不斷發展，線路設計任務變得日益繁重。因為大部分城市軌道交通線路位于城市中心區域，導致地上和地下建筑結構比較復雜，存在很多潛在的沖突。如果采用二維設計的設計方法，不僅設計效率不高，而且存在一定的設計缺陷，無法達到城市軌道交通建設的基本要求。所以需要構建一個可以達到軌道交通線路要求的三維地理環境，提升設計質量和設計效率，降低沖突。基于此，本文對線路三維可視化設計基礎理論和方法進行探討。

線路三維；可視化設計；基礎理論；方法

當前，線路計算機輔助設計軟件主要還是使用傳統的設計方法，站在設計的角度來說這些軟件只是對當前人工設計進行了模仿，無法將計算機的潛力發揮出來。橫面、縱面和平面是分開設計的，無法將之間的約束關系體現出來，無法生成三維圖，只有平面圖、縱斷面圖以及一些高程信息，導致用戶無法直接感受到線路的情況，很難識別一些較為復雜的關系，為了解決上述問題，需要進行三維可視化設計，并對三維問題進行進一步的研究。

1 線路三維可視化設計的基礎理論

在三維可視化設計中，建立三維模型是設計的重點，其中重點需要做好數字地面模型的構建。數字地面模型可以縮寫為DMT，主要利用攝影測量的方法得到地形數據，然后將這些數據作為設計公路工程的基礎，加快工程設計速度。數字地面模型是一個按照特定結構組織起來的數據組，是地形特征空間分布的體現。一般情況下，可以用平面坐標X、Y表示空間的分布，使用平面位置上地面點高程Z來表示地形特征。數字地面模型體現了地形起伏情況，通過在地面進行取樣后得到一組點的x坐標數據、y坐標數據和z坐標數據以及一套對地形表面提供連續描述算法組成的“f”，從廣義上來說，DTM除了代表地表高程數據，還代表地表植被、地質、水系等方面的數據，在農林規劃、測繪、地學分析等領域中均應用到了DTM技術，按照數據結構的不同，可以將DTM劃分為不規則格網數模和規則格網數模，由于在X、Y坐標平面上分布的數據點分別為隨機形式和柵格形式，規則格網指的是規則矩形格網，利用等間距高程值進行表述，對應地面某點高程即為格網交叉點高程，一般可利用攝影測量法在格網點取樣后就可以得到高程值，也可以在離散原始數據點利用內插的方法得到格網點的高程，常見的內插法主要有有限元法、移動曲面法、多面函數法等。利用規則格網數模可以對存儲量進行壓縮，并由格網墊在陣列中列號、行號的整數值取代格網點的平面坐標，二維行列號可以按照先列后行或者先行后列的規則轉變成一維序列號，并且可以將序號取消，然后利用記錄的先后位置取代，基本形式見表1。此外，由于拓撲關系比較簡單，可以用于地形三維動態的顯示。

表1 規則網原始數據記錄格式（n=row*col）

2 線路三維可視化設計方法

2.1 地形三維可視化模型設計

地形三維可視化模型主要以DTM（三維數字網地面模型）為基礎，在對上述問題進行處理時，可以根據網絡對離散地形數據點進行分區存儲，并在格中生成三角網，對生成的三角網進行合并后得到三維數字地面模型。為了可以將地形的實際情況真實的反應出來，需要將山谷線、斷裂線、山脊線等地形線作為三角形的邊。具體操作時，可以先不對地性線進行考慮，在生成三角形網格后，調整三角形網格，從而使地性線變成三角形格網邊，進行調整時，對三角形的形狀也進行了考慮。三角網數模建立好以后，可以將三角網數字地面模型作為地形三維模型，也可以在三維網數字模型的基礎上構建數字高程模型，并將其看成地形三維模型。

2.2 建立線路三維模型

在建立線路三維模型時，要先設計橫斷面、縱斷面和平面，并在這個基礎上進行相關構造物的三維建模。按照橫斷面設計的相關信息，將各段路基夾的橫斷面找出來，然后連接好各個橫斷面，組成四邊形和三角形，從而得出此段路基的三維模型。例如在建立特殊地形地物的模型時，可以先將具有一定代表性的橫斷面找出來，然后連接各個橫斷面，進而得出線路三維模型。對于電力線路來說，由于特殊地形地物是采用特殊的塔型的，因此，三維模型為能更好的幫助設計師設計選用塔型，此時只需要將符合設計要求的塔型強度計算出來即可。

三維模型不僅在電力線路方面有一定的應用，在橋梁，道路，隧道方面也有應用。在進行隧道洞身三維模型的建立時，要先將隧道起止里程、洞身斷面確定出來，洞身三維模型可以通過對洞身斷面沿線路中心線掃描后得到。此外，隧道還需要建立洞門仰拱位置的三維模型，可以沿著線路中線和路基邊側帶帽子，然后將仰坡上緣三點得出。見圖1中的B點、C點、D點，然后順著仰坡面和隧道左側右側坡面交線EG和AF點戴帽子，將邊坡上緣和仰坡上緣A、E兩個交點得出，然后對A、B、C、D、E四個點進行連接以后就可以得出隧道仰坡邊緣線。

圖1 隧道仰坡三維模型圖

2.3 建立線路和地形整體三維模型

在進行線路三維可視化的設計時，需要重點將線路和地形兩個模型拼接成線路和地形整體三維模型。也就是說整體三維模型實際上是地形三維模型和線路三維模型的疊加。由于在對地段進行挖放后，對路基造成了覆蓋，不能將路基的形狀顯示出來。為了將這個問題解決，需要先裁剪地形模型，保證路基三維模型可以將地形三維模型覆蓋住。在裁剪地形模型時，可以先使用數字地面模型生成數字高程模型，然后使用數字高程模型對地形進行表示，在使用DEM生成規則三角網，將路基周圍邊側圍城的多變性找出，然后順次將多邊形加到已有的三角網中，并刪除三角網中多變形內部的面，使得線路可以完全覆蓋地形。

在數字高程模型中加入邊時，主要使用以下算法：設需要加入的邊為直線段AB，然后將數字模型中各個邊和此條直線的交點，算出交點C，再在線段AB穿過的格中生成一定規則的三角網，并在規則三角網中加入線段和交點的兩個端點，如圖2所示。先將需要加入點P所處的三角形，如果加入點P在三角形中，可以將三角形的三個點和加入點P進行連接，如果P落到三角形某個邊上時，可以找出和該邊臨近的三角形，然后分別進行連接。

圖2 路基邊界加入DEM

使用這種方法把路基邊緣圍繞成的多邊形加入到三角網中后，就可以將多邊形中的三角形刪除，在分析某一個三角形有沒有落到多邊形中時，只需要對三角形的中心進行分析就可以了。

根據以上算法可以得出，如果在規則三角形網中加入多邊形，那么規則三角網會成為一個缺乏規則性的三角網，為了做好三角網的管理，可以使用分治算法，先在DEM中對路基邊緣線組成的區域進行離散，然后按照以上方法把每一個離散得到的方格改成地形三維模型，增強線路模型和地形模型合并速度。

3 結論

實踐證明，利用線路三維可視化模型可以將線路建設后整體形象展現出來。通過線路三維可視化設計可以評估和審核線路設計方案，分析線路設計方案對環境造成的影響，用于解決一些技術難題，應用前景廣闊。

[1]李邵軍，馮夏庭，王威，周輝.巖土工程中基于柵格的三維地層建模及空間分析.巖石力學與工程學報，2007（03）：532～537.

[2]白世偉，賀懷建，王純祥.三維地層信息系統和巖土工程信息化[J].華中科技大學學報（城市科學版），2002（01）：23～26.

U212.3

A

1004-7344（2016）08-0319-02

2016-3-1

黃 磊（1992-），男，新疆石河子人，工程師，本科，從事線路設計工作。