鐵路三維建模實現(xiàn)意義及路基可視化研究

李航+栗江峰

摘 要：隨著中國鐵路的高速發(fā)展，單一、抽象的一維和二維建模形式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代鐵路的建設(shè)、運營和管理，而對數(shù)據(jù)三維可視化、仿真模擬、空間分析等方面的需求日益增長。三維可視化技術(shù)以立體技術(shù)展示空間信息，不僅能夠表達(dá)空間對象間的關(guān)系，而且能對空間對象進(jìn)行三維空間分析和操作，因此三維可視化技術(shù)成為鐵路信息化發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：鐵路選線；三維建模；路基；邊坡

近年來，隨著我國鐵路尤其是高速鐵路的大批量鋪設(shè)，鐵路行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了一個快速擴(kuò)張階段。高速鐵路的發(fā)展的同時直接加快了中國鐵路系統(tǒng)的信息化改進(jìn)，鐵路部門為實現(xiàn)信息化而建立MIS ，即TMIS、 DMIS等大型管理信息系統(tǒng)。使用GIS （地理信息系統(tǒng)）來實現(xiàn)信息系統(tǒng)中與地理空間相關(guān)的數(shù)據(jù)的分析和管理，并建立了各自的GIS子系統(tǒng)，MIS在鐵路建設(shè)運營管理中發(fā)揮著重要作用。

一、鐵路三維建模的改善作用

在我國的鐵路系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用GIS技術(shù)，但相關(guān)數(shù)據(jù)的可視化顯示仍存在缺陷，例如以二維地圖為其圖形界面，在利用鐵路空間數(shù)據(jù)的高程信息以及遙感影像信息上同樣存在劣勢，再如鐵路各部門仍以文本形式來表達(dá)各種信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，其擴(kuò)展性劣勢凸顯，未對數(shù)據(jù)充分利用和信息表達(dá)的模糊，都無法滿足現(xiàn)代鐵路管理部門對運營、空間數(shù)據(jù)、設(shè)計方案評價等多方面的要求。所以創(chuàng)建三維可視化、可交互的信息工具顯示鐵路空間數(shù)據(jù)十分關(guān)鍵。鐵路線路的三維模型在數(shù)字高程模型（DEM）的基礎(chǔ)上表達(dá)，即鐵路線路的三維可視化，是"數(shù)字鐵路"的重要組成部分。

（一）鐵路線路三維整體模型包含了所有空間信息，根據(jù)線路上的位置索引信息數(shù)據(jù)，可以為建立完整的鐵路信息模型服務(wù)，實現(xiàn)鐵路信息化，為信息資源的共享創(chuàng)造條件。

（二）鐵路線路三維模型的另一特點是逼真的虛擬場景，根據(jù)鐵路部門管理技術(shù)人員的需要在電腦屏幕上顯示直觀場景，打破二維模型抽象的工作環(huán)境，包括工程的建設(shè)階段和鐵路的運營管理階段，極大的提高人員的工作效率。

（三）鐵路線路三維整體模型在鐵路施工前的選線階段發(fā)揮作用，輔助鐵路選線設(shè)計人員根據(jù)不同的地理環(huán)境，自動生成相應(yīng)的設(shè)計，在不同方案的提出、比選、決策階段都能提供方便、直觀的虛擬環(huán)境，改善精確度和提高了效率。

二、鐵路線路路基三維可視化方法

三維鐵路線路的實現(xiàn)基于平面設(shè)計的結(jié)果，計算出中線主點的大地坐標(biāo)，以里程為單位，把平、縱設(shè)計結(jié)果及橫斷面地面線聯(lián)系起來，按路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面的設(shè)定，計算出線路左、右兩側(cè)路肩邊緣點和路基邊坡與地面線交點的三維空間坐標(biāo)。

（一）首先每隔10米取以線路里程為基準(zhǔn)的點三維坐標(biāo)的集合，然后利用線路中心線坐標(biāo)點計算兩側(cè)的特征點坐標(biāo)

（二）判斷路基兩側(cè)填挖類型，有挖方和填方兩種類型，需要挖方的計算排水溝各特征點的坐標(biāo)，生成路塹邊坡；需要填方的直接生成路堤邊坡。

（三）通過紋理貼圖，實現(xiàn)具有較強(qiáng)真實感的三維路基模型。

三、實現(xiàn)難點及技術(shù)方案

（一）邊坡是線路路基的路堤和路塹，其中路塹還需要設(shè)置水溝。在生成邊坡模型前，需要預(yù)先設(shè)定對應(yīng)的參數(shù)，如道床頂面寬度，道床邊坡坡率，道床厚度，路肩寬度，排水溝的相關(guān)參數(shù)，一級邊坡相關(guān)參數(shù)，二級邊坡相關(guān)參數(shù)，護(hù)墻相關(guān)參數(shù)等。根據(jù)線路兩側(cè)填挖類型的不同，邊坡分為路塹邊坡和路堤邊坡，對應(yīng)的邊坡生成算法分為路塹邊坡生成算法和路堤邊坡生成算法。

（二）線路任一點里程大地坐標(biāo)的計算。在曲線平面設(shè)計的過程中應(yīng)先算出線路各主點里程的大地坐標(biāo)，根據(jù)要求的任一里程點是在哪一段直線或者曲線或者緩和曲線上，分別根據(jù)大地坐標(biāo)與局部坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換來計算。

（三）路基邊坡與地面交點的計算。中樁處填、挖不能完全反應(yīng)斷面的填挖情況，須由路肩邊緣點與相應(yīng)地面線的高程關(guān)系分別確定路基兩側(cè)的填挖情況，這就需要用到DEM內(nèi)插高程來判斷。以中樁點地面線位置為原點O，以路基面為 X 軸、中心樁為 Y 軸，對每個橫斷面建立局部坐標(biāo)系。在路肩邊緣點處依次進(jìn)行放坡，直至與地面線相交為止，求出其與地面折線交點。

（四）原始地形和路基的疊加分析。由于路基與地形相交組成的是復(fù)雜的不規(guī)則多邊形，如果用點是否在多邊形內(nèi)的方法進(jìn)行判斷，算法十分復(fù)雜。采用 GIS 的空間疊加分析來進(jìn)行運算，原始地形為點數(shù)據(jù)集，路基與地形交接為面數(shù)據(jù)集，點面數(shù)據(jù)集間的擦除運算，除路基范圍內(nèi)的地形點，最后在運算結(jié)果集中，追加相應(yīng)的路基點集。

四、三維顯示

鐵路三維線路靜態(tài)顯示并不能滿足要求，更需要交互式的動態(tài)顯示。使用計算機(jī)硬件之外，OpenGL為實現(xiàn)三維顯示的提供了軟件技術(shù)能力：顯示列表和雙緩存技術(shù)。有兩種三維顯示表達(dá)：一種是視點不動而目標(biāo)移動；另一種是目標(biāo)固定視點移動。兩種顯示方式都是通過釆用改變模型變換矩陣或投影變換矩陣的方式得以實現(xiàn)。

（一）視點不動目標(biāo)移動。這種顯示方式比較簡單，可以采用兩種基本投影：平行投影和透視投影。在設(shè)置投影之后，就可以通過實時改變基本模型變換矩陣如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等相應(yīng)參數(shù)來改變目標(biāo)物體在對應(yīng)投影方式下的實時顯示效果。

（二）目標(biāo)固定視點移動。視點沿著預(yù)先設(shè)定的路徑移動，例如線路的設(shè)計中線，并采取透視投影以達(dá)到真實的顯示效果。

路基三維建模完成后，可以選擇一定的瀏覽模式，設(shè)置一點的瀏覽高度進(jìn)行線路路基的漫游，直觀的觀察線路路基的三維效果。