公路路線設(shè)計(jì)的一體化與可視化研究

高衛(wèi)芬

晉中市交通運(yùn)輸局 山西晉中 030600

如今，公路路線設(shè)計(jì)還是以傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)為主，但公路的路線使三維實(shí)體，若只從某一個(gè)方面進(jìn)行描述，無(wú)論進(jìn)行平面、橫縱設(shè)計(jì)，都會(huì)對(duì)其它方面造成影響?；诖耍撛O(shè)計(jì)方法本質(zhì)上存在缺陷，亟需進(jìn)行改善和提高。

1 公路路線一體化設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)環(huán)境

在一體化設(shè)計(jì)中，應(yīng)先建立一個(gè)一體化平臺(tái)，在屏幕上創(chuàng)建若干視窗，不同視窗顯示不同的內(nèi)容，包括路線的橫縱斷面及平面，設(shè)計(jì)人員可對(duì)窗口進(jìn)行隨意切換，并能調(diào)整窗口所在位置及大小，不同窗口間不僅相互關(guān)聯(lián)，而且彼此獨(dú)立。其中，關(guān)聯(lián)指的是其中一個(gè)視窗的圖形修改可以關(guān)聯(lián)到其它視窗，比如設(shè)計(jì)人員對(duì)平面視窗中路線所在平面位置進(jìn)行修改后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成新的地面線；如果設(shè)計(jì)人員對(duì)縱斷面視窗的縱坡方案進(jìn)行了調(diào)整，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)設(shè)計(jì)和縱坡方案調(diào)整有關(guān)的橫斷面，同時(shí)計(jì)算確定相應(yīng)的土石方量。獨(dú)立指的是所有視窗中的繪圖區(qū)域與圖形比例都是完全獨(dú)立的，不會(huì)由于在同一視窗中進(jìn)行交互操作而對(duì)其它視窗圖形造成影響[1]。

1.2 設(shè)計(jì)功能

（1）交替設(shè)計(jì)?？勺杂汕袚Q至所有視窗，完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，比如在平面設(shè)計(jì)中能隨時(shí)切換至縱斷面視窗完成拉坡設(shè)計(jì)。這與路線設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn)完全相符，當(dāng)對(duì)某一個(gè)方面，比如平面線位實(shí)施修改后，需要對(duì)橫縱斷面也做相應(yīng)的修改。

（2）關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。由于視窗相互關(guān)聯(lián)，所以能使從事于某個(gè)方面的設(shè)計(jì)同時(shí)考慮到其它方面，比如在平面視窗中進(jìn)行線位調(diào)整能自動(dòng)使縱斷面視窗對(duì)應(yīng)的地面線發(fā)生變化，而對(duì)縱斷面視窗中縱坡進(jìn)行調(diào)整后能使橫斷面自動(dòng)開(kāi)始重新的設(shè)計(jì)[2]。

（3）信息查詢。對(duì)相關(guān)圖形進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并提供信息查詢功能，包括各樁號(hào)的橫斷面信息、土石方量信息和技術(shù)指標(biāo)，能判斷交互操作是否合理，進(jìn)而使方案的優(yōu)化調(diào)整更具備針對(duì)性。

在開(kāi)發(fā)以上功能之前，應(yīng)按照平面和橫縱向?qū)嵤?，再通過(guò)對(duì)實(shí)體和命令間相互關(guān)聯(lián)相應(yīng)的設(shè)置與信息查詢把平面和橫縱向充分聯(lián)系到一起，以此實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。在實(shí)際的開(kāi)發(fā)進(jìn)程當(dāng)中，可借助通知技術(shù)與響應(yīng)器完成。其中，響應(yīng)器主要對(duì)路線設(shè)計(jì)中發(fā)生的事件進(jìn)行觀察與監(jiān)視，目前有很多種類型的相應(yīng)器可供使用，不同類型的響應(yīng)器對(duì)應(yīng)不同響應(yīng)事件，如表1所示。而通知技術(shù)是一項(xiàng)技術(shù)，在創(chuàng)建實(shí)體的過(guò)程中，能向?qū)嶓w附加響應(yīng)器，使不同實(shí)體實(shí)現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)。如果設(shè)計(jì)人員對(duì)實(shí)體進(jìn)行了修改，則響應(yīng)器將自動(dòng)響應(yīng)[3]。在響應(yīng)器響應(yīng)后，通過(guò)對(duì)ID號(hào)的讀取，執(zhí)行之前就設(shè)置完成的操作。比如，在平面交互設(shè)計(jì)過(guò)程中，可在建立平面線元這一實(shí)體的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)響應(yīng)器的附加和縱斷面對(duì)應(yīng)的地面線相互關(guān)聯(lián)，此時(shí)如果設(shè)計(jì)人員對(duì)某個(gè)平面線元進(jìn)行了修改，則響應(yīng)器能立即自動(dòng)開(kāi)始地面線修改，包括點(diǎn)繪與重新插值。

2 公路路線可視化設(shè)計(jì)

以過(guò)去的二維設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，使路線設(shè)計(jì)達(dá)到可視化。近幾年，很多研究人員開(kāi)始對(duì)公路工程三維顯示與動(dòng)畫(huà)制作進(jìn)行研究，形成了一條公認(rèn)可行的思路，即：基于Auto CAD借助編制程序生成公路的三維模型，然后使用處理軟件得出公路的三維動(dòng)畫(huà)。這一方法看似簡(jiǎn)單可行，但實(shí)際上存在很多問(wèn)題，比如，因公路的三維場(chǎng)景涉及到極其復(fù)雜且龐大的數(shù)據(jù)，所以上述過(guò)程必然要消耗很長(zhǎng)的時(shí)間與大量空間，所以該方法盡可以在設(shè)計(jì)成果瀏覽中使用，無(wú)法在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中使用；在生成了公路動(dòng)畫(huà)之后，僅可以按照之前設(shè)定好的路徑進(jìn)行瀏覽，無(wú)法修改，致使設(shè)計(jì)與決策人員變成被動(dòng)受眾，喪失了主動(dòng)權(quán)。針對(duì)以上問(wèn)題，最新研究成果引入了三維實(shí)時(shí)交互式仿真技術(shù)，同時(shí)以O(shè)pen GL為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出新的三維平臺(tái)，該平臺(tái)可以對(duì)公路路線進(jìn)行三維顯示，而且還能實(shí)現(xiàn)交互式漫游[4]。采用這一全新三維平臺(tái)，能有效解決以下三方面問(wèn)題：第一，對(duì)公路路線進(jìn)行三維場(chǎng)景建模；第二，對(duì)建成的三維模型進(jìn)行視相關(guān)簡(jiǎn)化；第三，進(jìn)一步提高圖形繪制成果及動(dòng)畫(huà)的真實(shí)感。

2.1 維場(chǎng)景建模

因公路工程的三維場(chǎng)景十分復(fù)雜，所以只用一種曲面根本無(wú)法一次性詳細(xì)的描述模型，基于此，借助分割與歸并相結(jié)合的方法，把三維實(shí)體分割成兩類，即現(xiàn)狀景物與虛擬景物。對(duì)于現(xiàn)狀景物，它指的是現(xiàn)實(shí)當(dāng)中已經(jīng)存在的景物實(shí)體，如地形和地物；而虛擬景物指的是正處于規(guī)劃設(shè)計(jì)狀態(tài)的實(shí)體，如橋涵、隧道和路基，根據(jù)不同子實(shí)體自身具有的特點(diǎn)，對(duì)相應(yīng)的三維造型途徑進(jìn)行分析研究，最后對(duì)不同的子實(shí)體進(jìn)行拼合，以形成完整的整體。為達(dá)到無(wú)縫拼接，可引入以下計(jì)算方法：首先，對(duì)拼合交線進(jìn)行計(jì)算，對(duì)橫斷面上坡腳點(diǎn)進(jìn)行相互連接，同時(shí)在橋隧的起點(diǎn)和終點(diǎn)斷面上實(shí)施封閉，以此形成多個(gè)閉合環(huán)；然后，在DTM當(dāng)中嵌入計(jì)算好的拼合交線；第三，在由嵌入后的拼合交線形成的區(qū)域當(dāng)中植入病毒，由病毒對(duì)這一區(qū)域中所有三角形進(jìn)行吞噬；最后，對(duì)完成裁剪的地形和道路模型進(jìn)行拼合，形成完整的模型。以上方法不僅計(jì)算過(guò)程十分簡(jiǎn)單，能在提高實(shí)際的建模效率和精度基礎(chǔ)上，降低實(shí)現(xiàn)的難度[5]。

2.2 模型簡(jiǎn)化

采用以上方法建成的模型有一定復(fù)雜度，若沒(méi)有處理，設(shè)計(jì)中要等候很長(zhǎng)時(shí)間才可以對(duì)三維動(dòng)態(tài)效果進(jìn)行瀏覽。對(duì)此，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)瀏覽目標(biāo)，應(yīng)采取有效算法來(lái)簡(jiǎn)化模型，從而提高計(jì)算效率與繪圖速度，并能減少對(duì)存儲(chǔ)空間的占用。簡(jiǎn)化可從下列三個(gè)方面入手：第一，以地形特征為基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在地形相對(duì)平坦的地區(qū)，采用較少面片數(shù)，而在地形相對(duì)復(fù)雜的地區(qū)，采用較多面片數(shù)。對(duì)于地形復(fù)雜程度，以電和平均平面之間的距離為依據(jù)判斷；第二，截取視見(jiàn)體，雖然公路場(chǎng)景十分復(fù)雜且龐大，但可見(jiàn)范圍固然有限，基于指定視點(diǎn)，對(duì)視野中的場(chǎng)景進(jìn)行描述即可，其判別的方法主要為包圍球法；第三，采用細(xì)節(jié)層次技術(shù)，根據(jù)人體視覺(jué)具有的特點(diǎn)，針對(duì)視野范圍中不同景物從不同細(xì)節(jié)層次入手進(jìn)行描述，和視點(diǎn)相距較近的進(jìn)行較密細(xì)節(jié)描述，而和視點(diǎn)相距較遠(yuǎn)的進(jìn)行較粗細(xì)節(jié)描述?；诖?，在累進(jìn)網(wǎng)格技術(shù)支持下，提出一種以邊折疊為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)化算法，該算法的步驟為：首先，以地形的特征為依據(jù)確定所有邊折疊的集合，并將原始的網(wǎng)格簡(jiǎn)化成基網(wǎng)格；然后，利用操作集合建立網(wǎng)格頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的合并樹(shù)，也就是形成層次結(jié)構(gòu)；最后，根據(jù)視點(diǎn)的具體位置與視線方向，結(jié)合視相關(guān)準(zhǔn)則，開(kāi)始邊折疊，也可進(jìn)行點(diǎn)分裂。完成以上操作中，即可在層次結(jié)構(gòu)當(dāng)中確定當(dāng)前細(xì)節(jié)層狀技術(shù)網(wǎng)格[6]。

2.3 圖形的繪制和動(dòng)態(tài)顯示

在完成建模和簡(jiǎn)化后，開(kāi)始光照模擬及紋理映射。為保證立體效果，并減少計(jì)算量，可采用專門(mén)的光照模型。完成光照模擬后，可以生成在視覺(jué)上十分光滑的表面，然而，因?qū)?xì)節(jié)的模擬還比較缺乏，所以模擬結(jié)果和真實(shí)的場(chǎng)景之間有很大的差別。在這種情況下，有必要引入紋理映射。根據(jù)實(shí)體屬性，可以把紋理圖片分成以下兩類：第一類為自然紋理；第二類為虛擬紋理。其中，自然紋理可在現(xiàn)狀景物中使用，先通過(guò)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量獲得正射影像，以此作為地表上的真實(shí)紋理，最后映射至數(shù)字模型中；而虛擬紋理可在虛擬景物中使用，可直接根據(jù)實(shí)物的照片獲得。完成以上操作后，借助Open GL自帶雙緩存技術(shù)即可對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行動(dòng)態(tài)瀏覽，也就是利用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)緩存，提供兩種不同的顏色。在一個(gè)顯示以后，另外一個(gè)正在進(jìn)行繪圖。繪圖每完成一幀都進(jìn)行一次緩存交換，將顯示幀緩存主要用于繪圖，而繪圖緩存則用于顯示，以此達(dá)到理想的動(dòng)畫(huà)顯示效果[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，按照以上原理研發(fā)的一體化和可視化設(shè)計(jì)已經(jīng)在很多公路工程得到使用，通過(guò)對(duì)這一設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員能在路線設(shè)計(jì)中對(duì)所有修改方案對(duì)應(yīng)的三維效果進(jìn)行瀏覽，從而為線形設(shè)計(jì)中的評(píng)價(jià)、環(huán)評(píng)、安全評(píng)估等工作提供可靠依據(jù)，使以往的二維設(shè)計(jì)變成三維，使靜態(tài)設(shè)計(jì)變成動(dòng)態(tài)，在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高設(shè)計(jì)效率。