【摘要】我國地域遼闊，地質(zhì)復(fù)雜，傳統(tǒng)選線方法具有很大局限性，無法進(jìn)行高效的大范圍多方案比選論證，如何在我國復(fù)雜的地形環(huán)境中選擇出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的路線，成為公路勘測設(shè)計(jì)人員面前的難題。由此，公路選線的三維模型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。論文介紹了數(shù)據(jù)采集技術(shù)的特點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集方法，引入了在野外勘測與內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)之間起紐帶連接作用的數(shù)字地面模型，并以沿河(溪)線為實(shí)例，具體地介紹了選線時(shí)數(shù)字地面模型的應(yīng)用及效果。

　　【關(guān)鍵詞】核心期刊表,數(shù)據(jù)采集,數(shù)字地面模型,選線,平面圖,三維模型

　　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. 研究意義

　　公路選線作為公路建設(shè)的基礎(chǔ)工作，是根據(jù)實(shí)際地形、地質(zhì)條件，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)技術(shù)及環(huán)保等方面的特定要求，有機(jī)布設(shè)在地面上的一個(gè)重要過程。從路線基本走向的確定到路線方案選擇和具體定線，所考慮因素的側(cè)重點(diǎn)各不相同，在各種因素綜合作用下要選定出一條最佳路線，技術(shù)上是非常復(fù)雜且困難的。并且伴隨著我國公路事業(yè)的快速發(fā)展，公路的設(shè)計(jì)已經(jīng)不再僅僅局限于幾何設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更加強(qiáng)調(diào)公路三維空間的整體設(shè)計(jì)，同時(shí)也更加注重公路的整體布置以及公路與環(huán)境的協(xié)調(diào)性、美觀性。三維透視圖相比二維圖來說，更為一目了然，也更讓人容易理解。三維數(shù)字地面模型技術(shù)在公路選線中的應(yīng)用可以明顯提高選線效率，增強(qiáng)方案比較的直觀效果，有助于對(duì)路線方案進(jìn)行大范圍多方案的比選論證。

　　2. 數(shù)字地面模型

　　2.1 數(shù)字地面模型概念。

　　(1)數(shù)字地面模型(Digital Terrain Model，DTM，簡稱數(shù)模)，是指地形表面形態(tài)等多種信息的數(shù)字表示，是按照一定的結(jié)構(gòu)而組織在一起的數(shù)據(jù)組，是對(duì)帶有空間位分布的地形屬性特征的數(shù)字的描述，通�？臻g分布是用一個(gè)平面坐標(biāo)系統(tǒng)來表示，而地形屬性特征是各個(gè)平面位置(X，Y)上地面點(diǎn)的高程，它是地形起伏的數(shù)字表達(dá)，是建立不同層次的地理信息系統(tǒng)不可缺少的組成部分 。

　　(2)數(shù)字地面模型不完全等同于數(shù)字高程模型(DEM)，地形表面形態(tài)的屬性信息一般包括高程、坡度、坡向等，數(shù)字高程模型是某一范圍內(nèi)依一定規(guī)則選取的格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及其高程的數(shù)據(jù)集，顯然，當(dāng)數(shù)字地面模型中z值為高程屬性時(shí)，DTM就是DEM，而 DEM是建立DTM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　2.2 數(shù)字地面模型組成。

　　數(shù)字地面模型一般由三部分組成 ：

　　(1)使用離散的形式將某區(qū)域的采樣點(diǎn)信息，按一定的規(guī)則存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)當(dāng)中，使之形成有限項(xiàng)的一個(gè)向量序列。一般使用x與y來表示平面坐標(biāo)系，用z來表示高程點(diǎn)，各種平面的地理信息使用編碼或者分層的方式進(jìn)行表示。

　　(2)通過數(shù)學(xué)方法來擬合的地表形態(tài)，可以求出此區(qū)域中任何一個(gè)平面位置的點(diǎn)高程，或者推算出其他的地面特征，比如坡向、坡度等。

　　(3)使用功能程序塊來進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換工作。

　　數(shù)�？墒褂糜诠�路設(shè)計(jì)中的每個(gè)階段。設(shè)計(jì)者利用數(shù)模進(jìn)行路線方案比選，只需輸入少量設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算機(jī)按照編好的程序自動(dòng)完成設(shè)計(jì)和分析比較工作，輸出比較結(jié)果。設(shè)計(jì)者可方便地對(duì)方案進(jìn)行比較，選擇較優(yōu)方案，而不需重測。

　　3. 公路三維建模程序

　　3.1 公路三維建模程序的基本內(nèi)容。

　　公路是若干帶狀空間結(jié)構(gòu)相互聯(lián)結(jié)并置于三維地表之上的空間結(jié)構(gòu)。公路線形是公路的平面、縱斷面和橫斷面三者合一的立體線形，最終映入駕駛員眼睛的是公路平縱橫配合后的三維帶狀實(shí)體。根據(jù)各構(gòu)造物的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以把公路三維建模分成公路建模、交通設(shè)施建模、橋梁建模和輔助建模四個(gè)模塊。 　　(1)公路建模：可以創(chuàng)建路基、路面、邊坡、邊溝等物體的三維模型。

　　(2)交通設(shè)施建模：用于創(chuàng)建護(hù)欄、標(biāo)志牌、輪廓標(biāo)、路面標(biāo)線等交通設(shè)施的三維建模。

　　(3)橋梁建模：用于創(chuàng)建橋頭錐坡、下部構(gòu)造、上部構(gòu)造等三維模型。

　　(4)輔助建模：提供視圖和空間視角視察、模型交互式編輯、信息查詢、透視圖圖紙、攝像機(jī)路徑生成、數(shù)據(jù)文件檢查等輔助功能 。

　　3.2 公路三維建模程序的基本功能。

　　為了能較好地完成公路三維模型的建立，系統(tǒng)應(yīng)具備以下的主要功能。

　　(1)根據(jù)公路的平縱橫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立公路的三維模型。

　　系統(tǒng)能根據(jù)平縱橫數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，建立其三維模型。為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)直觀的公路的形象。

　　(2)根據(jù)地形數(shù)據(jù)建立公路周圍的帶狀三維地形模型。

　　建立公路周圍的帶狀三維地形模型需要有地形資料，如果有該公路的帶狀數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)，那么系統(tǒng)直接根據(jù)這些資料生成帶狀三維地形模型。如果沒有數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)應(yīng)提供從地形圖上采取數(shù)模數(shù)據(jù)的工具，這樣基本上可以模擬出公路周圍的三維地形。

　　(3)進(jìn)行公路三維模型與地形模型的疊加消隱。

　　4. 三維數(shù)模在山區(qū)公路的應(yīng)用

　　(1)使用三維地面模型來進(jìn)行公路設(shè)計(jì)的程序流程，和常規(guī)設(shè)計(jì)的基本相同，依然是先進(jìn)行平面的定線，進(jìn)而截取縱橫地面線，再進(jìn)行縱斷面的設(shè)計(jì)以及橫斷面的計(jì)算，隨后調(diào)入結(jié)構(gòu)物并且計(jì)算工程量，然后建立起路線與地面的三維模型，最后進(jìn)行三維的動(dòng)畫演示，它的重心是提取出縱橫地面線與三維公路的真實(shí)模型 。

　　(2)平面的設(shè)計(jì)完成之后，將按照一定的間距及其平曲線的特征點(diǎn)來形成樁號(hào)文件，首先打開原先所建立起的數(shù)模，點(diǎn)取縱面以及橫面的插值，軟件會(huì)自動(dòng)的沿著路線的中線方向及其樁號(hào)的垂直中線，對(duì)數(shù)模進(jìn)行切割，并且通過插值的計(jì)算準(zhǔn)確計(jì)算出來每個(gè)點(diǎn)在數(shù)模上的投影的高程值，遂自動(dòng)的生成縱斷的地面線以及橫斷的地面線文件，不過路線的坐標(biāo)須和數(shù)模的坐標(biāo)要保持相同�？v斷插值的時(shí)候，可以同時(shí)按照所指定地形的變化率來提取出地形的變化點(diǎn)的樁號(hào)與高程，依據(jù)需要也可以同時(shí)提取出路面的左右邊線所對(duì)應(yīng)出來的地面高程插值。橫斷地面線要按照縱斷地面線的樁號(hào)來進(jìn)行取值。使用三維數(shù)模和一些相關(guān)三維動(dòng)畫程序，可以把公路建成之后的運(yùn)營效果提前展現(xiàn)出來，輕松方便的制作出來公路的三維動(dòng)畫模型，如圖1、圖2所示。

　　(3)通過地形圖對(duì)比分析，三維圖形比平面圖形更直觀，更有利于設(shè)計(jì)人員對(duì)于地形圖的了解，有利于整體把握，方便選線。同時(shí)，對(duì)于填挖方工程、構(gòu)造物工程等有一個(gè)直觀的展示，可以形成對(duì)路線的全面把握。這也是這次模型研究工作的體現(xiàn)。同時(shí)，構(gòu)建的數(shù)字地面模型為實(shí)現(xiàn)三維選線做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。直觀、精確、翔實(shí)的三維地形圖為以后紙上定線提供了重要的數(shù)據(jù)資料和技術(shù)保障。

　　5. 結(jié)語

　　三維模型技術(shù)在公路選線中的應(yīng)用為設(shè)計(jì)者提供具有真實(shí)感的三維視覺模型，便于找出各影響因素之間的聯(lián)系，從而可對(duì)公路選線方案進(jìn)行可視化分析和評(píng)價(jià)，擇優(yōu)汰劣。本讓設(shè)計(jì)者在短時(shí)間內(nèi)順利完成工程項(xiàng)目路線的多方案設(shè)計(jì)，大大減少了初步設(shè)計(jì)時(shí)間，提高工作效率。該研究成果還可應(yīng)用推廣于公路工程、鐵道工程等工程類專業(yè)方向。

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