公路工程內(nèi)容可視化的實(shí)現(xiàn)方式探討

張耀允， 戴 瑋

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著公路信息化的不斷發(fā)展，項(xiàng)目參與人員及公眾對(duì)于項(xiàng)目可視化的需求也日益增加。而目前可視化的需求不再僅僅是效果圖或模型等外觀可視化，而是建立在信息化基礎(chǔ)上，通過(guò)地理信息[1,2]和公路信息模型[3-5]等管理系統(tǒng)的使用，實(shí)現(xiàn)幾何信息與屬性信息的可視化。

當(dāng)前可視化信息系統(tǒng)主要還是以系統(tǒng)搭建為主，可視化部分，存在不全面、不統(tǒng)一的問題。展現(xiàn)的內(nèi)容主要還是以結(jié)構(gòu)物為主，其他的可展現(xiàn)信息很少。究其原因是很多公路工程相關(guān)的內(nèi)容(如分部分項(xiàng)工作劃分、市政檢驗(yàn)批等)幾何特征不完全，難以直接用三維圖形實(shí)現(xiàn)。如何合理地結(jié)合二三維要素，將工程內(nèi)容及其位置分布表達(dá)清楚，是需要思考的問題。

本文是以地圖學(xué)中地理要素的表達(dá)方式為基礎(chǔ)，在三維場(chǎng)景中綜合應(yīng)用圖形顯示手段和技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)工程內(nèi)容的可視化表達(dá)[6]。

1 實(shí)現(xiàn)方式

可視化的工程內(nèi)容的類型，一般有三大類：

(1)結(jié)構(gòu)物幾何外形。結(jié)構(gòu)物一般具有明確的外形特征，是一個(gè)獨(dú)立、完整的對(duì)象，如橋臺(tái)、機(jī)械、設(shè)備等。

(2)工作范圍或區(qū)域分布。工作范圍是一個(gè)二三維的空間閉合區(qū)域，如材料堆放區(qū)、清淤等。區(qū)域分布是同一項(xiàng)工程內(nèi)容的若干空間分布，有點(diǎn)狀分布、現(xiàn)狀分布、面狀分布和體狀分布，如監(jiān)控?cái)z像頭分布、軟土地基分布等等。

(3)空間場(chǎng)景專題。綜合以上兩類內(nèi)容，通過(guò)工程屬性進(jìn)行專題展現(xiàn)，形成三維專題場(chǎng)景，針對(duì)性地表達(dá)某項(xiàng)工程的信息。

根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理和圖形表達(dá)習(xí)慣，工程內(nèi)容可視化的主要實(shí)現(xiàn)方式有：

(1)基于幾何元素的表達(dá)：點(diǎn)、線(二三維)、面(二三維)、面網(wǎng)、體。

(2)基于顏色透明度的表達(dá)：顏色系統(tǒng)(如RGBA色彩模式)。

(3)基于符號(hào)系統(tǒng)的表達(dá)：符號(hào)、線型、填充材質(zhì)。

(4)基于注記的表達(dá)：包括傳統(tǒng)的注記、標(biāo)注。

(5)通過(guò)空間疊加及布爾運(yùn)算的表達(dá)：疊加dem、遙感影像、地圖服務(wù)、信息模型、行業(yè)空間數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，完整地表達(dá)工程及工程周邊信息。區(qū)別于二維疊加次序，三維場(chǎng)景中的疊加需要圖形顯示技術(shù)的支持，才能準(zhǔn)確傳遞信息。常見的疊加方式有直接疊加、空間交集、空間并集、空間求差等方式。

圖1 專題渲染

綜合工程內(nèi)容可視化的表達(dá)內(nèi)容、表達(dá)方式和表達(dá)結(jié)果三個(gè)層次，工程內(nèi)容可視化總體架構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

圖2 工程內(nèi)容可視化層級(jí)關(guān)系

2 公路工程內(nèi)容的可視化

公路工程在可視化方面的特點(diǎn)[6-8]有：①要素集中程度不高，呈大跨度的空間條帶狀；②結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不均勻，如道路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，橋梁相對(duì)復(fù)雜；③元素界線不明顯，尤其道路元素在現(xiàn)實(shí)中是連續(xù)的，難以用一種原則進(jìn)行拆分；④填挖方、路基特殊處理段等工作內(nèi)容不方便與道路模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)；⑤綜合展現(xiàn)的數(shù)據(jù)源多，如在線地圖、傾斜模型、影像、信息模型、地質(zhì)狀況、土地及環(huán)境等要素。

根據(jù)公路工程上述可視化特點(diǎn)，需要對(duì)各類數(shù)據(jù)和要素的表達(dá)進(jìn)行分類處理，實(shí)現(xiàn)效果、效率和實(shí)用性的有效結(jié)合。在很多場(chǎng)景下，用戶關(guān)注的是某個(gè)對(duì)象是否存在，而不關(guān)心其具體外形細(xì)節(jié)[9,10]。因此，如果某項(xiàng)公路工程需要細(xì)粒度的信息，需要避免的一個(gè)狀況是不斷細(xì)化三維模型的精細(xì)度。針對(duì)公路工程的可視化特點(diǎn)，各類實(shí)現(xiàn)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

三維圖形表達(dá)法：即通過(guò)建立對(duì)象的三維圖形，表達(dá)位置、外形和分布。三維圖形直觀、形象，幾何信息準(zhǔn)確，在三維場(chǎng)景中隨比例尺縮放，數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期長(zhǎng)，圖形顯示要求高。另外難以用三維模型表達(dá)外形不確定的對(duì)象。

符號(hào)表達(dá)法：將工程對(duì)象抽象為點(diǎn)、線或面元素，通過(guò)符號(hào)表達(dá)對(duì)象的位置和分布，分為點(diǎn)狀符號(hào)、線狀符號(hào)和面狀符號(hào)三類。具有便于數(shù)據(jù)生產(chǎn)，可以不隨圖縮放，目標(biāo)明顯，可讀性強(qiáng)、顯示快等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是不能表達(dá)對(duì)象的準(zhǔn)確外形。

標(biāo)注法：標(biāo)注法本質(zhì)是一種特殊的符號(hào)法，主要是通過(guò)文字表達(dá)內(nèi)容。

專題渲染法：主要是通過(guò)顏色系統(tǒng)渲染圖形，表達(dá)三維對(duì)象的某項(xiàng)屬性，基于三維圖形和三維符號(hào)都可以渲染。

空間疊加法：主要指空間二三維圖形的相互疊加，在圖形顯示階段動(dòng)態(tài)地表達(dá)對(duì)象。優(yōu)點(diǎn)是靈活性高、準(zhǔn)確，不需要生產(chǎn)大量數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)是依賴圖形顯示平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不同的顯示平臺(tái)一般都需要編程實(shí)現(xiàn)。

在表1中，列舉了常見的公路工程相關(guān)的內(nèi)容及其可視化方式，圖3、圖4是某立交互通項(xiàng)目實(shí)施中各類內(nèi)容的可視化效果，圖5是某跨江大橋的病害分布示意。

表1 公路工程相關(guān)內(nèi)容的可視化方式

圖3 道路、橋梁與dsm

圖4 土方工程檢驗(yàn)批

圖5 病害分布

3 問題與展望

工程內(nèi)容作為與空間密切相關(guān)的信息，具有生命周期短、內(nèi)容復(fù)雜、動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)。因此，工程內(nèi)容的圖形化考慮到周期、實(shí)用性等方面，對(duì)圖形的制作、顯示提出了更高的要求。對(duì)于規(guī)劃、設(shè)計(jì)等相對(duì)靜態(tài)的數(shù)據(jù)，可以先行繪制，對(duì)于施工過(guò)程中的數(shù)據(jù)，更應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備、人員的空間信息，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)變化的數(shù)據(jù)。