三维虚拟场景中的道路选线设计探讨

贺钰钦

(郑州市交通规划勘察设计研究院，河南 郑州 450000)

0 引言

我国由于国土面积大，地形复杂，经常会出现丘陵和高山等地貌，有时还会面临严重的自然灾害，这就要求在道路选线过程中，综合考虑各个方面的影响因素，确保道路选线更加科学合理。现阶段，大部分道路选线设计都是利用二维平面设计进行，通过地理信息系统采集信息，然而，此种设计方式存在一定缺陷，只能反映等高线附近地貌与地形。随着科学技术的进步和发展，开始出现三维地理信息系统，它的出现给道路选线设计带来新的机遇，将其进行有效利用，能在一定程度上提升周围地理环境表现力，确保道路选线与实际发展相符合。如何优化三维虚拟场景中道路选线设计工作，成为当前亟待解决的问题。

1. 三维虚拟场景与道路选线概述

1.1 三维虚拟场景

三维虚拟场景主要指的是一种虚拟数字环境，此类环境是由计算机图形图像构造而成的三维数字化模型，利用编制方式，生成视觉感受的人工环境，在这环境中，可实现触觉和视觉等综合感知。在此基础上，可以触摸、观察和检测周围事物的内在变化，并且与之进行交互，实现人与计算机的有效结合，给人身临其境的感受。通常来说，三维虚拟场景中涉及很多技术，包括三维建筑初步建模、CAD设计图数据处理以及场景集成等各个方面，在社会发展中具有促进作用，尤其是应用于道路选线设计，可以为其奠定坚实基础[1]。

1.2 道路选线

所谓道路选线，重点是指在道路规划的起点和终点间选定一条道路中心线，在确保经济合理和技术可行的同时，还应满足道路实际使用要求。道路选线作为一项复杂而多样的工作，经常会受社会经济与自然条件的影响，因此，在进行道路选线时，要考量多方面的影响因素。道路选线一般要从“浅”至“深”、从“总体”到“具体”，从“面”到“带”再到“线”，主要包含以下3个步骤。

1)进行全面布局。该项工作实施，应在“起讫点”和“中间”必须经过的据点，找寻可以通行的路线带，将较大控制点进行确定并连接，形成路线基本走向，比如起讫点与据点之间，可能存在河流或者山岭，这些都需要对路线进行布局。

2)实施逐段安排。确定路线基本走向后，应对控制点进行加密，完成路线布局方案，即在大控制点之间，根据水文、地质以及气候等因素，逐段确定小控制点。

3)具体定线。于逐段安排的小控制点间，结合自然跳进与技术标准，对“横”“纵”“平”各方因素进行综合考虑，反复进行“穿线插点”，确定路线具体位置，使其更加细致与深入[2]。

路线作为道路骨架，选线好坏决定着道路自身的质量，这就意味着道路选线要考量各个方面影响因素，妥善处理各种关系，并遵循相应的原则，具体如下。

1)进行多方案选择。道路设计不同阶段，要使用不同方式，仔细研究路线方案，结合多方论证，在相互比对的基础上，选取最佳的路线方案。

2)科学处理农业与选线之间关系。选线工作中，要和农田基础建设相互配合，尽量不占或者少占包括“经济作物田”“高产田”以及“经济园林”等田地。

3)综合考虑工程造价和养护与管理等费用。路线设计应在安全舒适条件下，确保造价低、工程量小和效益高，并有利于开展通路施工养护和管理。如果工程量增加不是很大，可以适当使用高技术指标[3]。

4)确保路线与周围环境相协调。其中，包括景区和古迹等的道路，应尽量保持原有道路的自然状态，力争实现人工构造物和景观之间的有机协调。

2 三维地形建模

在开展三维地形建模工作时，需要对地图底面数据与基础数据进行相关分析，目的是分析三维地形数据，提升该项工作的有效性。在这一过程中，基础数据主要组成部分包括地形贴图数据和地形数据，处理地形数据时，需要使用ArcMap软件，且地形贴图数据有所区别，重点是利用谷歌地图软件进行处理和获取，将基础数据获取之后，还应处理成相同大小的二维坐标，构建建筑、道路以及水系等有关地理数据。地理数据获取完成之后，要构建“线”和“面”的构建器，对各种矢量数据添加高程值，保存在对应的地理信息系统与数据库中，最后放到文件夹里面。想要在地形上有效显示地物，应利用构件器处理“TIN”数据的同时，将其有效添加至地形数据之中[4]。

利用CityEngine 软件，将地理信息数据处理之后，可以实现数据建模与三维处理，在开展建模处理和软件处理工作中，主要包含以下几个步骤：首先，需要新建工程，打开工程后，要选择相应的新建场景；其次，完成新建场景工作后，应把地理数据导入至对应的新建场景之中，生成三维地形与三维图像；最后，在导入地图地面数据之后，还要使用平移、旋转和缩放等方式，促使地形相互重合，利用计算机体系结果，产生对应的三维数据模型，再分析模型的细节问题[5]。

3 三维虚拟场景中的道路选线设计方法

3.1 确定权重，划分影响因素

一般情况下，进行道路选线设计时，由于会受到多种因素的影响，应进行综合考虑。比如地质层面，要充分考虑到“绿地和高程”“地质与水文”以及“地形坡度”等情况；而对于国家政策来说，需要重视农田设施；人文层面，还要考量不同建筑、房屋以及道路等影响。对影响因素进行分析后，确定不同因素对决策的影响，掌握其所占权重。具体可以应用层次分析法，将全部因素间重要性加以划分，整理成矩阵形式，层次分析法矩阵：

影响因素类型坡度/(°)建筑地质环境农田坡度1247建筑12124地质环境141214农田1714141

通过对矩阵进行检验，计算一致性指标CI，并得出平均一致性指标RI，由CI/RI能够计算出随机一致性比例CR，若是CR小于0.1，矩阵则具有可接受的一致性，若是CR不小于0.1，应对矩阵加以修正的调整，最后检验矩阵一致性，看其是否在可接受范围内。最终对各类因素权重进行有效计算，实际计算方法需要借助MATLAB编程来完成，最终得出各类权重的计算结果为“坡度(0.47)”“地质环境(0.17)”“建筑(0.26)”和“农田(0.07)”[6]。

3.2 实现信息的科学处理及提取和道路选线设计

对于不同地区，水文与地理条件有所不同，这决定了其光谱信息存在差异性，结合获取的影像信息对其进行处理和分类。坡度因素一般要通过DEM使用坡度提取工具进行提取，而高程因素主要由DEM实现分级。另外，建筑因素还需要将矢量化建筑图层进行缓冲区分析。完成信息提取工作后，需要根据重要影响因素计算成本，无论是成本变化，还是不同曲面起伏表现的状态，都能有效形成相应的评价曲线。使用加权总和工具，将道路之外存在的影响因素加以叠加，在道路设计过程中，尽量确保新设计道路与原有道路进行重合，最终产生道路位置权值为0的综合成本评价曲面[7]。

将综合成本评价曲面生成之后，就可以开展相应的道路选线设计工作。主要包含以下步骤：首先新建2个“shpefile”格式的点图层，在其中一个图层之中，画出道路起点，而在另一个图层里面标出道路终点、起点和经过点，根据综合成本评价曲面，应用相应的成本距离工具，输出“成本距离栅格”；然后使用成本“回溯链接”输出成本“回溯链接”栅格；最后利用获得的“成本距离栅格”和“成本回溯链接栅格”，对成本路径进行有效分析，得出最后的选线结论。

3.3 实现三维图像的显示与有效分析

完成对应的选线设计作业后，还需要对所选择的道路进行矢量化，要想实现这一目标，就要使用AecScreen当中的“模型构件器”，赋予其对应的高程值，同时将其保存至“gdb”文件夹内，保存完成后，需要导入至提前创建的三维地形里，实现对道路的漫游观察，站在三维角度，分析道路具体情况，这类数据就可以作为未来三维地理信息的原始创建数据。

除此之外，在三维地形图中结合不同影响因素，分析其对道路选线产生的影响，从而在选线结果中体现出来。依照模型设计本身意图，在道路经过的一些区域，坡度尽量要保持小一点，这样选线结果才能满足道路设计基本要求，确保线路更加安全和稳定。选线期间，需要避免很多区域，包括“房屋”和“绿地”等，若是部分地质结构较差的区域应对其实施重点分析，不但要保障道路选线对设计要求相一致，还应考虑到各个方面影响因素，最大程度降低成本[8]。

3.4 效果分析

三维虚拟场景中的道路选线设计，通过使用矢量数据以及数字栅格方式，将不同影响因素充分考虑其中，建立相应的三维模型，能够获得良好的效果，并确保道路选线的科学性，实现道路选线设计的进一步优化和完善，降低了成本费用，具体表现在以下几个方面。

1)实施道路选线作业时，既要结合道路选线基本原则，又要分析选线设计的各类影响因素，有效应用层次分析法，将不同影响因素权值大小进行有效确认，从而实现各类影响因素的动态化考虑与分析，进一步优化道路选线结果，为选线结果的安全性和可靠性提供有力保障[9]。

2)使用地理信息系统，管理获取的地理数据信息，将多个影响因素加以充分考量，结合相关要素，产生相应的综合成本评价曲面，应用曲面之间的最短路径与最短距离，增强道路选线的科学性和准确度，确保选线操作更加规范和标准。与此同时，依照各类影响因素，考虑系统的整体性与综合性，进一步强化系统的整体性，从而降低信息与数据的实际分析难度。

3)利用地理信息，使用相关语法与语言规则，促进道路选线二维与三维的联动设计，提升语言设计的可视化程度，实现人机交互，强化两者之间的相关性，确保各类信息能够得到有效利用，最终在三维虚拟场景中，完成道路选线设计工作，提升道路选线设计的科学性和合理性[10]。

4 结语

要想从根本上提升三维虚拟场景中的道路选线设计水平，相关人员就要充分了解三维虚拟场景以及道路选线的相关内容，结合我国道路选线工作中面临的问题，通过科学有效的方式，将三维虚拟场景在道路选线设计中的最大价值发挥出来，满足不同工作环节要求，保障道路选线设计各项工作的顺利开展。