高速公路真三维智能化演示系统

刘润泽

（西北政法大学公安学院，陕西 西安 710063）

0 引言

在高速公路施工建设项目中，吸引眼球的展示对项目效果演示非常重要。如何在短暂的演示时间内，直观展现高速公路建成后的效果，给领导和专家心理和视觉上的冲击感、满足感以及身临其境的真实感，是汇报者切实关心的一个问题。

目前，PPT是最常用、最理想的演示工具[1]，主要以二维的静态图片或文字说明为主[2]，缺乏三维动态的直观效果。为达到直观可视化，通常会录制三维AVI视频，插入PPT中。录制视频工作需要很大工作量，视频效果难以控制，往往为了做一次简短的汇报，需要很长时间的辅助工作，效率低。

近年来，计算机技术突飞猛进，各种具有视觉冲击的界面大放异彩。尤其Windows8操作系统的出现，系统独特的metro开始界面和触控式交互系统，让人们的日常电脑操作更加简单和快捷，为人们提供了高效易行的工作环境[3]，一改传统微软操作系统的设计风格，让人眼前一亮。笔者正是基于这种界面风格设计研发了高速公路真三维智能化演示系统，该系统不仅可以直观展现高速公路建成通车后的真实效果，更重要的是将汇报与展示融为一体，有效实现领导和专家对展示效果的直观化、三维化的心理期望，并有助于消除视觉疲劳。下面介绍高速公路真三维智能化演示系统的设计方案。

1 系统总体设计

高速公路真三维智能化演示系统，采用Win⁃dows操作平台，利用DevExpress进行界面设计，采用Windows8大图标界面风格，使高速公路真三维智能化演示系统运行操作犹如PPT展示一样，简便直观。同时，本系统还能在可触控显示屏上进行手动触屏操作，体现了三维立体直观、演示汇报生动的系统特点。

1.1 高速公路真三维模型构建

1.1.1 三维场景建模

真实三维地形建模是根据真实地形数据进行地形生成，目前大多采用数字地面模型（Digital Terrain Model，DEM）来生成[4]。对于数字高程模型的描述，通常有等高线模型、规则格网模型（GRID）和不规则三角网模型等。但在三维地形表达中，用得最多的是后两种。本文采用了不规则三角网模型进行地形场景模型构建。

为体现地形场景地表各要素之间的特征，还需要利用卫星影像或者航拍影像，预先处理成正射影像，采用一定的算法将两者配准，然后在空间上的三维模型顶点和正射影像中的像素之间定义一种映射关系，利用顶点的空间坐标求得对应正射影像中的纹理坐标，并将正射影像逐步映射到三维立体模型的各个网格上，实现整体模型的纹理映射[3]，生成真实的三维地形场景模型，场景模型效果如图1所示。

图1 真三维地形场景

1.1.2 高速公路参数化建模

高速公路参数化建模是根据高速公路工程设计资料划分公路结构，再准确地提取公路平面和纵断面参数及桥涵构造物和公路其他附属设施设计参数，最后利用自行制作的自动化构建公路三维模型工具软件快速自动生成高速公路真三维模型[5]。本方法构建的高速公路模型是按照公路设计资料创建公路组成部分的模型，依据公路建设规范将模型组装起来，并通过三维GIS平台展现。

上文所述的高速公路真三维模型只包含了路基、路面、边坡模型。而构成高速公路环境的机电模型、交通安全标志标识、收费站、服务区、绿化带等[6]，则需要通过3DMAX等建模工具建模，并利用自行研发的模型插入工具，导入到高速公路真三维场景中，才能构建出完整的高速公路真三维模型（如图2所示）。

图2 真三维高速公路场景模型

1.2 资料数据库构建

资料数据库主要包括机电设施数据库、图纸资料数据库和附属设施数据库。相关数据表和字段的设计遵循统一编码、统一分类和组织，统一业务术语、统一标准代码[7]。除关系型的属性数据外，用于存储与高速公路相关的各种数据信息，还存在多种其他格式的数据，包括文本、图纸、监控视频、施工现场照片和机电设施参数等。这些数据来源多样，数据量大，操作复杂，难以在传统关系数据库中存储管理。如果将各类数据导入资料数据库及文件系统并建立相互之间的关联关系，通过表字段与真三维高速公路模型单元将资料数据库及文件系统数据进行关联（如图3所示），通过程序控制的方式实现模型与模型相关属性信息的关联展示，则可体现汇报资料的丰富性。

图3 数据关联关系

1.3 系统功能设计

本系统按高速公路施工建设项目汇报所关心的几个版块进行功能设计，如图4所示。

图4 功能架构设计

该架构主要包括道路巡视、道路基础设施、交通安全设施、管理及服务设施、应急处置、机电设施和交通路况等版块。

道路巡视版块主要实现以模拟驾驶的方式进行道路浏览的功能，可以根据起始桩号、行驶方向和车道、车速等参数来控制道路巡视的方式。

道路基础设施版块主要实现对路基、路面、边坡、桥梁和隧道等属性的查询和展示，并定制开发了桥梁定位、飞行浏览等功能，汇报时可以从360°的视角展示桥梁的建设效果。

交通安全设施版块实现了对交通安全相关的标识、标线、标牌、防撞设施等的查询和浏览，通过弹出窗口的方式展示交通安全设施的设计单位、建成时间和规格参数等内容。

管理及服务设施版块主要用于对高速公路上的收费站、收费广场、服务区等设施的管理、查询和浏览。通过鼠标点击操作，可以实现对收费站收费车道开放度、通过车辆型号、载重、收费情况等的查询，以及服务区停车位、开放时间、总体布置情况等的查询，还能够以设定路线飞行的方式浏览服务区、收费广场的建成后效果，直观生动。

机电设施版块具有对高速公路上布置的监控探头、车检器、气象检测器等机电设备的属性查询和监控视频调度等功能。

系统维护版块主要具有对用户的权限管理、资料数据维护等功能。

在演示汇报过程中，高速公路施工建设项目汇报者可以将文字、图片、视频等相关汇报材料通过资料数据维护功能，导入资料数据库中，并建立与三维可视化模型的关联关系。通过系统的操作，直接在三维可视化展示的同时进行汇报，给人直观印象。

2 演示界面及效果

为符合演示汇报的风格，本系统利用DevEx⁃press进行辅助界面设计，主界面（见图5）参考Windows8大图标风格。从感官效果来看，类似于PPT的演示效果，可实现演示与汇报的统一。

在功能界面上，以交通安全设施功能为例来说明界面效果，如图6所示。图中，①区域表示不同交通安全设施的缩略图；②区域用于显示链接的文字、图片、图纸等资料信息，也是汇报过程中介绍内容的文字说明；③区域是系统的三维窗口，展示在①区域选中的缩略图对应的真实三维效果。在三维窗口中，还能够对展示的真三维模型进行旋转、缩放、点选、浏览等操作。

在系统功能中，道路巡视功能比较特殊，用于体验在行车驾驶状态下的真三维高速公路效果。因此，可将三维窗口以全屏的方式展现出来，以增强演示效果。该版块在三维窗口下侧设置了模拟驾驶参数选择框，用于控制模拟驾驶的方式，如图7所示。在演示汇报过程中，模拟驾驶功能可以随时暂停、继续和停止。

3 结论

图5 主界面

图6 交通安全设施效果图

图7 道路巡视效果图

综上所述，高速公路真三维智能化演示系统在功能方面具备高速公路施工建设中各种信息的查询、浏览和交互等功能；在界面上，类似PPT的汇报模式，从整体设计风格和用户操作体验上，真正做到了将演示与汇报融为一体。本系统的应用，将革新传统汇报模式，起到运用应用系统直接进行汇报的作用，直观展示高速公路建设效果，令人耳目一新，消除观看者的视觉疲劳。同时，本研究成果是先进的计算机技术在交通行业的一种创新性应用，将直接影响交通行业的科技发展方向。

[1]周秋平，郑尚志.计算机应用基础教程[M].合肥：安徽大学出版社，2009.

[2]齐轶.三维地形建模实现方法研究[D].贵阳：贵州大学，2006.

[3]汤文生，刘连战，吴剑，等.公路3D参数化自动建模技术研究[J].中外公路，2012（1）：279-283.

[4]王国锋，许振辉，秦涛.真三维道路智能设计理论与方法实践[M].北京：人民交通出版社，2013.

[5]康诺利，贝格.数据库设计教程[M].何玉洁，梁琦，译.北京：机械工业出版社，2005.