三维模型技术在公路选线中的应用

唐国才

【摘要】我国地域辽阔，地质复杂，传统选线方法具有很大局限性，无法进行高效的大范围多方案比选论证，如何在我国复杂的地形环境中选择出技术可行、经济合理的路线，成为公路勘测设计人员面前的难题。由此，公路选线的三维模型技术应运而生。论文介绍了数据采集技术的特点、数据采集方法，引入了在野外勘测与内业设计之间起纽带连接作用的数字地面模型，并以沿河（溪）线为实例，具体地介绍了选线时数字地面模型的应用及效果。

【关键词】数据采集；数字地面模型；选线；平面图；三维模型

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. 研究意义

公路选线作为公路建设的基础工作，是根据实际地形、地质条件，并结合经济技术及环保等方面的特定要求，有机布设在地面上的一个重要过程。从路线基本走向的确定到路线方案选择和具体定线，所考虑因素的侧重点各不相同，在各种因素综合作用下要选定出一条最佳路线，技术上是非常复杂且困难的。并且伴随着我国公路事业的快速发展，公路的设计已经不再仅仅局限于几何设计与结构设计，更加强调公路三维空间的整体设计，同时也更加注重公路的整体布置以及公路与环境的协调性、美观性。三维透视图相比二维图来说，更为一目了然，也更让人容易理解。三维数字地面模型技术在公路选线中的应用可以明显提高选线效率，增强方案比较的直观效果，有助于对路线方案进行大范围多方案的比选论证。

2. 数字地面模型

2.1 数字地面模型概念。

（1）数字地面模型（Digital Terrain Model，DTM，简称数模），是指地形表面形态等多种信息的数字表示，是按照一定的结构而组织在一起的数据组，是对带有空间位分布的地形属性特征的数字的描述，通常空间分布是用一个平面坐标系统来表示，而地形属性特征是各个平面位置（X，Y）上地面点的高程，它是地形起伏的数字表达，是建立不同层次的地理信息系统不可缺少的组成部分 。

（2）数字地面模型不完全等同于数字高程模型（DEM），地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等，数字高程模型是某一范围内依一定规则选取的格网点的平面坐标及其高程的数据集，显然，当数字地面模型中z值为高程属性时，DTM就是DEM，而DEM是建立DTM的基础数据。

2.2 数字地面模型组成。

数字地面模型一般由三部分组成 ：

（1）使用离散的形式将某区域的采样点信息，按一定的规则存储于计算机当中，使之形成有限项的一个向量序列。一般使用x与y来表示平面坐标系，用z来表示高程点，各种平面的地理信息使用编码或者分层的方式进行表示。

（2）通过数学方法来拟合的地表形态，可以求出此区域中任何一个平面位置的点高程，或者推算出其他的地面特征，比如坡向、坡度等。

（3）使用功能程序块来进行坐标系的转换工作。

数模可使用于公路设计中的每个阶段。设计者利用数模进行路线方案比选，只需输入少量设计参数，计算机按照编好的程序自动完成设计和分析比较工作，输出比较结果。设计者可方便地对方案进行比较，选择较优方案，而不需重测。

3. 公路三维建模程序

3.1 公路三维建模程序的基本内容。

公路是若干带状空间结构相互联结并置于三维地表之上的空间结构。公路线形是公路的平面、纵断面和横断面三者合一的立体线形，最终映入驾驶员眼睛的是公路平纵横配合后的三维带状实体。根据各构造物的设计计算方法和结构特点，可以把公路三维建模分成公路建模、交通设施建模、桥梁建模和辅助建模四个模块。endprint

（1）公路建模：可以创建路基、路面、边坡、边沟等物体的三维模型。

（2）交通设施建模：用于创建护栏、标志牌、轮廓标、路面标线等交通设施的三维建模。

（3）桥梁建模：用于创建桥头锥坡、下部构造、上部构造等三维模型。

（4）辅助建模：提供视图和空间视角视察、模型交互式编辑、信息查询、透视图图纸、摄像机路径生成、数据文件检查等辅助功能 。

3.2 公路三维建模程序的基本功能。

为了能较好地完成公路三维模型的建立，系统应具备以下的主要功能。

（1）根据公路的平纵横设计数据建立公路的三维模型。

系统能根据平纵横数据进行计算，建立其三维模型。为设计者提供一个直观的公路的形象。

（2）根据地形数据建立公路周围的带状三维地形模型。

建立公路周围的带状三维地形模型需要有地形资料，如果有该公路的带状数字地面模型数据，那么系统直接根据这些资料生成带状三维地形模型。如果没有数字地面模型数据，系统应提供从地形图上采取数模数据的工具，这样基本上可以模拟出公路周围的三维地形。

（3）进行公路三维模型与地形模型的叠加消隐。

4. 三维数模在山区公路的应用

（1）使用三维地面模型来进行公路设计的程序流程，和常规设计的基本相同，依然是先进行平面的定线，进而截取纵横地面线，再进行纵断面的设计以及横断面的计算，随后调入结构物并且计算工程量，然后建立起路线与地面的三维模型，最后进行三维的动画演示，它的重心是提取出纵横地面线与三维公路的真实模型 。

（2）平面的设计完成之后，将按照一定的间距及其平曲线的特征点来形成桩号文件，首先打开原先所建立起的数模，点取纵面以及横面的插值，软件会自动的沿着路线的中线方向及其桩号的垂直中线，对数模进行切割，并且通过插值的计算准确计算出来每个点在数模上的投影的高程值，遂自动的生成纵断的地面线以及横断的地面线文件，不过路线的坐标须和数模的坐标要保持相同。纵断插值的时候，可以同时按照所指定地形的变化率来提取出地形的变化点的桩号与高程，依据需要也可以同时提取出路面的左右边线所对应出来的地面高程插值。横断地面线要按照纵断地面线的桩号来进行取值。使用三维数模和一些相关三维动画程序，可以把公路建成之后的运营效果提前展现出来，轻松方便的制作出来公路的三维动画模型，如图1、图2所示。

（3）通过地形图对比分析，三维图形比平面图形更直观，更有利于设计人员对于地形图的了解，有利于整体把握，方便选线。同时，对于填挖方工程、构造物工程等有一个直观的展示，可以形成对路线的全面把握。这也是这次模型研究工作的体现。同时，构建的数字地面模型为实现三维选线做好数据准备。直观、精确、翔实的三维地形图为以后纸上定线提供了重要的数据资料和技术保障。

5. 结语

三维模型技术在公路选线中的应用为设计者提供具有真实感的三维视觉模型，便于找出各影响因素之间的联系，从而可对公路选线方案进行可视化分析和评价，择优汰劣。本让设计者在短时间内顺利完成工程项目路线的多方案设计，大大减少了初步设计时间，提高工作效率。该研究成果还可应用推广于公路工程、铁道工程等工程类专业方向。

参考文献

[1] 徐霄鹏. 公路工程测量[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 张坤宜. 交通土木工程测量[M].武汉：武汉大学出版社，2010.

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[4] 秦建平. 公路工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2011.

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