基于SketchUp、LocaSpaceViewer实现公路设计模型在真实地理环境可视化的应用

龙颖辉，李　松

(1.湖南省交通科学研究院，湖南 长沙　410015；2.中铁二十三局集团有限公司，四川 成都　610072)



基于SketchUp、LocaSpaceViewer实现公路设计模型在真实地理环境可视化的应用

龙颖辉1，李松2

(1.湖南省交通科学研究院，湖南 长沙410015；2.中铁二十三局集团有限公司，四川 成都610072)

针对陌生地理环境下的项目设计规划中所存在的基础数据陈旧、设计者对现场自然条件及勘测数据了解不一等实际问题，提出在公路项目设计过程中引入卫星数字地球平台并结合其它相关软件，虚拟实现公路项目三维设计模型在真实地理环境中的实时可视化应用以提高勘测设计的工作效率，达到优化设计及成果展示的目的。

；SketchUp；LocaSpaceViewer；设计模型；可视化应用

面对陌生的地理环境条件下，为做出满足地方政治经济、社会人文及技术条件等各方面要求的道路规划设计，涉及到多个专业各领域的协调匹配和综合考量。而设计质量的高低又主要基于设计者对项目区域内的自然地形、地质、水文条件和人文、经济、社会环境信息的获取分析。在项目的规划、勘测设计过程中，如果各参与者都能够实时地观察到该项目精确定位融入到高清卫星数字地球内真实地理位置环境中的设计模型并且进行实时的动态交互式观测查询，无疑对线路的优化设计和设计质量的提高有着重要的应用价值。

1　实现真实地理环境中公路设计模型虚拟可视化应用的意义

卫星数字地球是一个以地球坐标为依据，由多分辨率的海量数据和多维度信息合成的地球虚拟系统。基于卫星数字地球的真实地理环境中实现公路项目设计模型可视化技术可以广泛地应用在交通规划设计的各个方面，具有其特殊的现实意义。

1) 卫星数字地球中地理环境信息与现场实际情况的高度吻合性。

目前卫星数字地球主要基于Google Earth、天地图、微软Bing Maps等虚拟地球仪终端软件平台，它把卫星照片、航空照片和GIS整合布置在一个地球的三维模型上。大坝、油田、桥梁、高速公路、港口码头与机场等都是卫星图的重点关照对象，大多数地区的图像清晰度都在1 m左右，几乎所有城市都能达到，能清晰地分辨出区域内地理环境中的地形地貌、河流水系、路网交通及行驶中的车辆、田地树木、房屋建筑等，地图影像数据更新非常及时，一般少于3 a，并且具有历史影像功能，可以很方便地对比查询区域随着时间推移而发生的变化，使项目规划、勘察设计者能比较方便快捷地获取设计区域内的大量基础信息进行分析应用。

2) 利用卫星数字地球软件平台辅助设计的实用性和便利性。

基于卫星数字地球终端软件功能的二次开发和其它相关软件的配合利用，在面对项目规划、勘测设计过程中，能够给设计者提供解决实际问题的诸多方案，减少大量的资料调阅查询和实地外业踏勘工作。

① 目的地信息检索查询功能。三维数字地球软件，具备便捷的影像、高程、倾斜摄影数据阅读功能。能够方便地对二维、三维地理数据(包括地形、影像、矢量数据)进行浏览，地形数据和影像数据可以支持到全国范围0.6 m的分辨率量级，能够为项目设计规划、线路选择优化过程中提供十分全面详尽的实地地理环境信息。

② 便捷的标注、测量和分析功能。专业的三维数字地球软件可以方便地添加标注，DEM数据提取、绘制线面、距离测量、高度测量、三角测量和面积测量，能够进行一系列如通视分析、可视域分析、填挖方分析、剖面分析和淹没演示分析等辅助设计。

3) 卫星数字地球与设计成果模型结合的沉浸感和互动性。

基于卫星数字地球的真实地理环境场景中实现公路设计规划方案模型的虚拟可视化应用，通过两者结合在实时的虚拟环境中随时获取项目的相关数据资料，有利于设计与管理人员对各种方案进行辅助设计与方案评审，规避设计风险。由于所建立的可视化虚拟环境是基于真实数据建立的模型组合而成，严格遵循了工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，是对规划项目进行真实的效果展现。用户可以在三维场景中实现身临其境般的人机交互体验，以第一人称的视角进行任意漫游，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的损失与遗憾。

如何能够使政府主管部门、建设单位以及项目工程技术人员提前从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握项目的总体形态和理解规划设计意图是保证项目设计规划最终成功的前提，该项虚拟可视化应用的实现为这种沟通互动提供了理想的桥梁。

2　真实地理环境中设计模型虚拟可视化应用的实现

本文以S233津市澧水二桥项目为例，对基于卫星数字地球的项目规划、线路优化和设计方案模型导入卫星数字地球中与虚拟真实地形匹配进行设计成果展示验证过程的关键技术进行了应用研究，摸索出了一套简便快捷的应用方法并予以实现。

2.1项目规划选线阶段的应用

项目规划于津市货运码头西侧，津市澧水大桥下游约1 700 m处，起点位于津市市G353(原S302 K53+159)，终于津市S233(原S205 K4+250)处的区域位置。利用搜索查询项目起讫点位置或调取大地坐标利用软件平台自带“添加地标”功能实现精确定位。根据实践操作，规划区域内的村镇民宅、道路交通、农田水利、河流工厂等反映的十分清晰，公路路面与周围植被对比明显，行驶的车辆都清晰可见，所反映的地物信息在某些方面比1∶2 000地形图更具优势，设计者足不出户就可掌握大量规划设计区域内的城镇乡村现状、路网交通、水系航道等实地资料，大大地减少了外业调查的工作量和交通时间成本。设计区域卫星影像见图1～图3。

2.2真实地形环境中设计模型可视化应用的实现

拟定线路方案审查通过后，按照既定计划展开后续设计。赴现场进行主要方案核实，完成路线的平纵横测量、地质勘察和各专业的调查工作，与相关方面进行充分地沟通并交换意见。施工图设计阶段通过AutoCAD和SketchUp软件的相互配合进行项目设计的三维建模工作，模型的建造过程是二维断面设计向三维虚拟实体转换的过程，能实时地反映出项目建造实施生成效果的全过程，还能让方案设计人员沉浸在虚拟的环境中很轻易地发现施工图设计过程中存在的细小问题，对设计质量和效率的提高有着十分显著的效果。

2.2.1项目设计模型的绘制

在该项目设计模型的绘制过程中首先利用AutoCAD软件直接将设计线路的平纵断面、澧水二桥立平面、路基横断面按1∶1比例调整，图中只保留线路设计平纵断面的中轴线、边框线，删除建模不需要的多余数据、标注、线段图层等，定义成块后并分别保存备用。项目建模采用SketchUp软件绘制，由于建筑模型是需要导入卫星数字地球中使用的，在软件开始界面选择“Google地球建模-米”模式后导入定义成块的设计线路的平纵断面、澧水二桥立平面、路基横断面.dwg文件，利用软件的“封面、推拉、路径”等工具完成结构物断面由面成体的转变。建模过程中，按照中轴线定位，线路边框线约束的原则，将线路的平纵断面在起点位置重合，将平纵断面的中轴线按控制点里程桩号、曲线要素沿XY轴投影合成现实线路三维空间的中轴线，作为路线的生成路径。建模过程见图4、图5。

图1　起点900 m视高卫星影像图

图2　终点800 m视高卫星影像图

图3　项目规划线路区域卫星影像图

图4　桥梁建模过程示意图

图5　桥面竖曲线匹配示意图

结构物建模完成为达到逼真的现实效果使用SketchUp软件界面中的“颜料桶”工具，根据结构物建筑材料的类别分别对不同结构物模型外露面添加对应材质，完成建模后导出三维模型保存为“*.3ds或*.obj”格式，见图6～图8。

2.2.2卫星数字地球中定位真实地理环境导入设计模型

利用LocaSpaceViewer软件平台实现基于卫星数字地球的真实地理环境下项目设计模型虚拟可视化的应用。由于软件是基于数据流实现计算机终端的卫星数据提取，初次使用时必须保持计算机网路通畅的状态下进行操作。打开软件界面后，点击右下角“添加模型”按钮，在弹出的对话框内输入项目设计模型在电脑文件夹中的保存路径、定位点的大地坐标及相关参数。模型导入后对项目的线路控制点位、高程核实调整无误后保存为“*.kml”模式，需再次打开始直接在软件左侧“图层”菜单下右键选择“加载图层”选择保存后的“*.kml”文件，即可实现工程项目线路内结构物模型在真实地形中的全方位虚拟可视化显示和漫游。

图6　澧水二桥建筑模型

图7　道路模型

图8　设计模型整体效果图

见图9～图11。

图9　澧水二桥局部桥址原位虚拟可视化漫游截图

图10　设计模型真实场景虚拟可视化鸟瞰图

图11　设计模型真实场景虚拟可视化俯视图

3　结论

基于卫星数字地球的真实地理环境条件下，通过利用AutoCAD、SketchUp、LocaSpaceViewer等软件平台实现公路项目设计模型的虚拟可视化应用，无需翻墙及复杂的编程和数据交互转换便能够流畅地观测到高低起伏、十分逼真的三维实地场景和建筑模型效果。在公路项目设计阶段的规划选线、线路勘测、设计成果复核验证、设计效果实时漫游展示等方面具有十分广阔的应用前景。

[1]易共才，王彦军，高宏.Google Earth 在公路工程中的应用研究[J].中外公路，2008，28(1)：1～4.

[2]张秀山.虚拟现实技术及编程技巧[M].北京：国防科技大学出版社，2002.

2016-01-06

龙颖辉(1984-)，女，工程师，主要从事公路与桥梁设计。

；1008-844X(2016)03-0201-05

；U 412.3

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