线路三维可视化设计基础理论和方法探讨

黄磊

（新疆生产建设兵团建工设计研究院石河子分院 新疆石河子 832000）

线路三维可视化设计基础理论和方法探讨

黄磊

（新疆生产建设兵团建工设计研究院石河子分院 新疆石河子 832000）

随着轨道交通建设的不断发展，线路设计任务变得日益繁重。因为大部分城市轨道交通线路位于城市中心区域，导致地上和地下建筑结构比较复杂，存在很多潜在的冲突。如果采用二维设计的设计方法，不仅设计效率不高，而且存在一定的设计缺陷，无法达到城市轨道交通建设的基本要求。所以需要构建一个可以达到轨道交通线路要求的三维地理环境，提升设计质量和设计效率，降低冲突。基于此，本文对线路三维可视化设计基础理论和方法进行探讨。

线路三维；可视化设计；基础理论；方法

当前，线路计算机辅助设计软件主要还是使用传统的设计方法，站在设计的角度来说这些软件只是对当前人工设计进行了模仿，无法将计算机的潜力发挥出来。横面、纵面和平面是分开设计的，无法将之间的约束关系体现出来，无法生成三维图，只有平面图、纵断面图以及一些高程信息，导致用户无法直接感受到线路的情况，很难识别一些较为复杂的关系，为了解决上述问题，需要进行三维可视化设计，并对三维问题进行进一步的研究。

1 线路三维可视化设计的基础理论

在三维可视化设计中，建立三维模型是设计的重点，其中重点需要做好数字地面模型的构建。数字地面模型可以缩写为DMT，主要利用摄影测量的方法得到地形数据，然后将这些数据作为设计公路工程的基础，加快工程设计速度。数字地面模型是一个按照特定结构组织起来的数据组，是地形特征空间分布的体现。一般情况下，可以用平面坐标X、Y表示空间的分布，使用平面位置上地面点高程Z来表示地形特征。数字地面模型体现了地形起伏情况，通过在地面进行取样后得到一组点的x坐标数据、y坐标数据和z坐标数据以及一套对地形表面提供连续描述算法组成的“f”，从广义上来说，DTM除了代表地表高程数据，还代表地表植被、地质、水系等方面的数据，在农林规划、测绘、地学分析等领域中均应用到了DTM技术，按照数据结构的不同，可以将DTM划分为不规则格网数模和规则格网数模，由于在X、Y坐标平面上分布的数据点分别为随机形式和栅格形式，规则格网指的是规则矩形格网，利用等间距高程值进行表述，对应地面某点高程即为格网交叉点高程，一般可利用摄影测量法在格网点取样后就可以得到高程值，也可以在离散原始数据点利用内插的方法得到格网点的高程，常见的内插法主要有有限元法、移动曲面法、多面函数法等。利用规则格网数模可以对存储量进行压缩，并由格网垫在阵列中列号、行号的整数值取代格网点的平面坐标，二维行列号可以按照先列后行或者先行后列的规则转变成一维序列号，并且可以将序号取消，然后利用记录的先后位置取代，基本形式见表1。此外，由于拓扑关系比较简单，可以用于地形三维动态的显示。

表1 规则网原始数据记录格式（n=row*col）

2 线路三维可视化设计方法

2.1 地形三维可视化模型设计

地形三维可视化模型主要以DTM（三维数字网地面模型）为基础，在对上述问题进行处理时，可以根据网络对离散地形数据点进行分区存储，并在格中生成三角网，对生成的三角网进行合并后得到三维数字地面模型。为了可以将地形的实际情况真实的反应出来，需要将山谷线、断裂线、山脊线等地形线作为三角形的边。具体操作时，可以先不对地性线进行考虑，在生成三角形网格后，调整三角形网格，从而使地性线变成三角形格网边，进行调整时，对三角形的形状也进行了考虑。三角网数模建立好以后，可以将三角网数字地面模型作为地形三维模型，也可以在三维网数字模型的基础上构建数字高程模型，并将其看成地形三维模型。

2.2 建立线路三维模型

在建立线路三维模型时，要先设计横断面、纵断面和平面，并在这个基础上进行相关构造物的三维建模。按照横断面设计的相关信息，将各段路基夹的横断面找出来，然后连接好各个横断面，组成四边形和三角形，从而得出此段路基的三维模型。例如在建立特殊地形地物的模型时，可以先将具有一定代表性的横断面找出来，然后连接各个横断面，进而得出线路三维模型。对于电力线路来说，由于特殊地形地物是采用特殊的塔型的，因此，三维模型为能更好的帮助设计师设计选用塔型，此时只需要将符合设计要求的塔型强度计算出来即可。

三维模型不仅在电力线路方面有一定的应用，在桥梁，道路，隧道方面也有应用。在进行隧道洞身三维模型的建立时，要先将隧道起止里程、洞身断面确定出来，洞身三维模型可以通过对洞身断面沿线路中心线扫描后得到。此外，隧道还需要建立洞门仰拱位置的三维模型，可以沿着线路中线和路基边侧带帽子，然后将仰坡上缘三点得出。见图1中的B点、C点、D点，然后顺着仰坡面和隧道左侧右侧坡面交线EG和AF点戴帽子，将边坡上缘和仰坡上缘A、E两个交点得出，然后对A、B、C、D、E四个点进行连接以后就可以得出隧道仰坡边缘线。

图1 隧道仰坡三维模型图

2.3 建立线路和地形整体三维模型

在进行线路三维可视化的设计时，需要重点将线路和地形两个模型拼接成线路和地形整体三维模型。也就是说整体三维模型实际上是地形三维模型和线路三维模型的叠加。由于在对地段进行挖放后，对路基造成了覆盖，不能将路基的形状显示出来。为了将这个问题解决，需要先裁剪地形模型，保证路基三维模型可以将地形三维模型覆盖住。在裁剪地形模型时，可以先使用数字地面模型生成数字高程模型，然后使用数字高程模型对地形进行表示，在使用DEM生成规则三角网，将路基周围边侧围城的多变性找出，然后顺次将多边形加到已有的三角网中，并删除三角网中多变形内部的面，使得线路可以完全覆盖地形。

在数字高程模型中加入边时，主要使用以下算法：设需要加入的边为直线段AB，然后将数字模型中各个边和此条直线的交点，算出交点C，再在线段AB穿过的格中生成一定规则的三角网，并在规则三角网中加入线段和交点的两个端点，如图2所示。先将需要加入点P所处的三角形，如果加入点P在三角形中，可以将三角形的三个点和加入点P进行连接，如果P落到三角形某个边上时，可以找出和该边临近的三角形，然后分别进行连接。

图2 路基边界加入DEM

使用这种方法把路基边缘围绕成的多边形加入到三角网中后，就可以将多边形中的三角形删除，在分析某一个三角形有没有落到多边形中时，只需要对三角形的中心进行分析就可以了。

根据以上算法可以得出，如果在规则三角形网中加入多边形，那么规则三角网会成为一个缺乏规则性的三角网，为了做好三角网的管理，可以使用分治算法，先在DEM中对路基边缘线组成的区域进行离散，然后按照以上方法把每一个离散得到的方格改成地形三维模型，增强线路模型和地形模型合并速度。

3 结论

实践证明，利用线路三维可视化模型可以将线路建设后整体形象展现出来。通过线路三维可视化设计可以评估和审核线路设计方案，分析线路设计方案对环境造成的影响，用于解决一些技术难题，应用前景广阔。

[1]李邵军，冯夏庭，王威，周辉.岩土工程中基于栅格的三维地层建模及空间分析.岩石力学与工程学报，2007（03）：532～537.

[2]白世伟，贺怀建，王纯祥.三维地层信息系统和岩土工程信息化[J].华中科技大学学报（城市科学版），2002（01）：23～26.

U212.3

A

1004-7344（2016）08-0319-02

2016-3-1

黄 磊（1992-），男，新疆石河子人，工程师，本科，从事线路设计工作。