公路工程內容可視化的實現方式探討

張耀允， 戴 瑋

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著公路信息化的不斷發展，項目參與人員及公眾對于項目可視化的需求也日益增加。而目前可視化的需求不再僅僅是效果圖或模型等外觀可視化，而是建立在信息化基礎上，通過地理信息[1,2]和公路信息模型[3-5]等管理系統的使用，實現幾何信息與屬性信息的可視化。

當前可視化信息系統主要還是以系統搭建為主，可視化部分，存在不全面、不統一的問題。展現的內容主要還是以結構物為主，其他的可展現信息很少。究其原因是很多公路工程相關的內容(如分部分項工作劃分、市政檢驗批等)幾何特征不完全，難以直接用三維圖形實現。如何合理地結合二三維要素，將工程內容及其位置分布表達清楚，是需要思考的問題。

本文是以地圖學中地理要素的表達方式為基礎，在三維場景中綜合應用圖形顯示手段和技術，從而實現工程內容的可視化表達[6]。

1 實現方式

可視化的工程內容的類型，一般有三大類：

(1)結構物幾何外形。結構物一般具有明確的外形特征，是一個獨立、完整的對象，如橋臺、機械、設備等。

(2)工作范圍或區域分布。工作范圍是一個二三維的空間閉合區域，如材料堆放區、清淤等。區域分布是同一項工程內容的若干空間分布，有點狀分布、現狀分布、面狀分布和體狀分布，如監控攝像頭分布、軟土地基分布等等。

(3)空間場景專題。綜合以上兩類內容，通過工程屬性進行專題展現，形成三維專題場景，針對性地表達某項工程的信息。

根據計算機圖形學原理和圖形表達習慣，工程內容可視化的主要實現方式有：

(1)基于幾何元素的表達：點、線(二三維)、面(二三維)、面網、體。

(2)基于顏色透明度的表達：顏色系統(如RGBA色彩模式)。

(3)基于符號系統的表達：符號、線型、填充材質。

(4)基于注記的表達：包括傳統的注記、標注。

(5)通過空間疊加及布爾運算的表達：疊加dem、遙感影像、地圖服務、信息模型、行業空間數據等數據，完整地表達工程及工程周邊信息。區別于二維疊加次序，三維場景中的疊加需要圖形顯示技術的支持，才能準確傳遞信息。常見的疊加方式有直接疊加、空間交集、空間并集、空間求差等方式。

圖1 專題渲染

綜合工程內容可視化的表達內容、表達方式和表達結果三個層次，工程內容可視化總體架構關系如圖2所示。

圖2 工程內容可視化層級關系

2 公路工程內容的可視化

公路工程在可視化方面的特點[6-8]有：①要素集中程度不高，呈大跨度的空間條帶狀；②結構復雜程度不均勻，如道路結構相對簡單，橋梁相對復雜；③元素界線不明顯，尤其道路元素在現實中是連續的，難以用一種原則進行拆分；④填挖方、路基特殊處理段等工作內容不方便與道路模型進行關聯；⑤綜合展現的數據源多，如在線地圖、傾斜模型、影像、信息模型、地質狀況、土地及環境等要素。

根據公路工程上述可視化特點，需要對各類數據和要素的表達進行分類處理，實現效果、效率和實用性的有效結合。在很多場景下，用戶關注的是某個對象是否存在，而不關心其具體外形細節[9,10]。因此，如果某項公路工程需要細粒度的信息，需要避免的一個狀況是不斷細化三維模型的精細度。針對公路工程的可視化特點，各類實現方法及其優缺點如下：

三維圖形表達法：即通過建立對象的三維圖形，表達位置、外形和分布。三維圖形直觀、形象，幾何信息準確，在三維場景中隨比例尺縮放，數據生產周期長，圖形顯示要求高。另外難以用三維模型表達外形不確定的對象。

符號表達法：將工程對象抽象為點、線或面元素，通過符號表達對象的位置和分布，分為點狀符號、線狀符號和面狀符號三類。具有便于數據生產，可以不隨圖縮放，目標明顯，可讀性強、顯示快等優點，缺點是不能表達對象的準確外形。

標注法：標注法本質是一種特殊的符號法，主要是通過文字表達內容。

專題渲染法：主要是通過顏色系統渲染圖形，表達三維對象的某項屬性，基于三維圖形和三維符號都可以渲染。

空間疊加法：主要指空間二三維圖形的相互疊加，在圖形顯示階段動態地表達對象。優點是靈活性高、準確，不需要生產大量數據。缺點是依賴圖形顯示平臺實現，針對不同的顯示平臺一般都需要編程實現。

在表1中，列舉了常見的公路工程相關的內容及其可視化方式，圖3、圖4是某立交互通項目實施中各類內容的可視化效果，圖5是某跨江大橋的病害分布示意。

表1 公路工程相關內容的可視化方式

圖3 道路、橋梁與dsm

圖4 土方工程檢驗批

圖5 病害分布

3 問題與展望

工程內容作為與空間密切相關的信息，具有生命周期短、內容復雜、動態變化等特點。因此，工程內容的圖形化考慮到周期、實用性等方面，對圖形的制作、顯示提出了更高的要求。對于規劃、設計等相對靜態的數據，可以先行繪制，對于施工過程中的數據，更應該結合現場的設備、人員的空間信息，動態展現變化的數據。