鐵路線路三維模型可視化建設(shè)研究

包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李志祥 楊育林

鐵路建設(shè)是我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要任務(wù)之一，以信息化技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像技術(shù)與地理信息技術(shù)，通過三維可視化的方式來呈現(xiàn)鐵路線路場景，創(chuàng)建鐵路信息化云平臺是未來鐵路行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。本文基于三維GIS理論與技術(shù)，分析了三維可視化的獨(dú)有優(yōu)勢與鐵路線路三維模型可視化建設(shè)的意義，配合線路橫、縱斷面數(shù)據(jù)，研究了鐵路線路三維可視化建模的流程方法。在建模工程中根據(jù)線路工程物特點(diǎn)與建模過程，對模型復(fù)雜度與建模流程進(jìn)行了簡化，由此提高了模型顯示效率，減少了建模周期。

可視化技術(shù)是利用信息技術(shù)與圖像技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)軟硬件將數(shù)據(jù)以圖像形式呈現(xiàn)在屏幕上，模擬仿真現(xiàn)實(shí)場景并具有交互功能的技術(shù)。隨著可視化技術(shù)與3S（GIS、GPS、RS）技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字城市、數(shù)字交通等構(gòu)想相繼被提出，數(shù)字化引起了科技界、地理學(xué)界，尤其是交通界的極大關(guān)注。鐵路建設(shè)是我國大型基建項(xiàng)目，為了順應(yīng)信息化社會的發(fā)展，融入地理信息系統(tǒng)（Geography Information Systems，GIS）技術(shù)，建設(shè)信息化鐵路地理信息系統(tǒng)已迫在眉睫?；谌S可視化技術(shù)與地理信息技術(shù)，對應(yīng)用程序進(jìn)行科學(xué)開發(fā)，提供直觀的三維虛擬線路場景，能了解線路全線相關(guān)信息，并且可為工作人員提供空間分析功能，為管理部門提供可視化平臺，這對鐵路建設(shè)具有極為重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 三維可視化的獨(dú)有優(yōu)勢

三維可視化的核心原理是借助可視化方法輔助完成線路設(shè)計(jì)，在建模過程中提高線路設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性并增加服務(wù)年限。對于傳統(tǒng)線路的二維設(shè)計(jì)，一般要多考慮線路設(shè)計(jì)要素，并且在過程中也要對線路平縱橫的關(guān)系進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。由此可知，二維設(shè)計(jì)是創(chuàng)建于與上版線路方案比較的基礎(chǔ)之上，在對比中進(jìn)行線路方案優(yōu)化。與二維設(shè)計(jì)不同的是，三維可視化能凸顯高水平的高效化與多樣化，并且也從整體上降低了線路設(shè)計(jì)的難度。縱觀當(dāng)代中國鐵路線路設(shè)計(jì)，應(yīng)依靠可視化措施實(shí)現(xiàn)線路選線設(shè)計(jì)，從而從整體視角來提高線路設(shè)計(jì)全程效益?，F(xiàn)如今，信息技術(shù)手段正在逐步融入各大線路調(diào)整優(yōu)化中，基于信息技術(shù)的可視化設(shè)計(jì)對二維設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益完善與優(yōu)化，由此彰顯了三維可視化的獨(dú)有優(yōu)勢。

2 鐵路線路三維模型可視化建設(shè)的意義

在鐵路建設(shè)中，將地理信息技術(shù)、圖形技術(shù)與信息化技術(shù)充分結(jié)合在一起，發(fā)揮三者的資源優(yōu)勢，對鐵路線路進(jìn)行全方位的三維可視化建設(shè)具有重要的意義。首先，可以提供決策支持。傳統(tǒng)鐵路信息管理對三維信息建設(shè)幾乎很少涉足，利用鐵路線路數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)創(chuàng)建整體化的鐵路沿線三維模型，從而實(shí)現(xiàn)鐵路線路的全景三維可視化，展示鐵路沿線景觀。其次，能夠通過地形分析創(chuàng)建鐵路災(zāi)害規(guī)避機(jī)制。在數(shù)字地面模型與高程模型的飛速發(fā)展下，地形分析打破了傳統(tǒng)二維平面的束縛，能夠從信息化地形模型中提取信息，可充分了解鐵路線路地形特點(diǎn)，為一些可能出現(xiàn)的災(zāi)害創(chuàng)建規(guī)避機(jī)制。

3 鐵路線路三維可視化建模流程

3.1 采集鐵路線路三維可視化建模數(shù)據(jù)

鐵路線路三維可視化建模的內(nèi)容較為繁雜，基本可以分為幾何數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)兩種類型。幾何數(shù)據(jù)主要指的是線路數(shù)據(jù)與工程物數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要是指部門業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與工程物屬性數(shù)據(jù)。幾何數(shù)據(jù)采集包括線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與工程物參數(shù)采集，例如線路設(shè)計(jì)的橫縱斷面、信號燈尺寸；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集包括線路構(gòu)筑物屬性采集，例如橋梁里程的修建年限數(shù)據(jù)等。在鐵路線路三維可視化建模之前，要先對三維可視化所需的必要數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)篩選與整理。

3.2 自動提取鐵路線路中心線

三維空間線是鐵路線路中心線的空間表現(xiàn)，在線路設(shè)計(jì)過程中，其在水平面上的投影便是平面線，主要包括圓曲線、緩和曲線以及直線。圓曲線指的是線路中的圓弧路段；緩和曲線指的是在直線與圓曲兩大路段間的連續(xù)變化曲線。縱斷面設(shè)計(jì)線即為沿中心線豎直剖切得到的中心線投影，其主要有豎曲線與直線構(gòu)成。在構(gòu)建線路中心線的過程中，基于平面線與豎曲線，科學(xué)計(jì)算線路平面坐標(biāo)與高程值，通過程序完成中心線三維擬合。在鐵路線路三維可視化建模時(shí)，如果能快速確定中心線，并根據(jù)橫斷面數(shù)據(jù)即可構(gòu)成三維模型，所以在三維可視化建模過程中，生成中心線可以理解為重中之重。生成中心線雖然能夠從縱斷面與水平面的相關(guān)數(shù)據(jù)匹配而出，但由于路段過長及地形影響，線路的空間表現(xiàn)并不是直線，而呈現(xiàn)為三維空間曲線，采用舊式建模方式的工作量便會非常大，同時(shí)由于曲線與坡度等不可抗拒因素，難度也會相應(yīng)增加。而通過信息化技術(shù)，將復(fù)雜計(jì)算完全交給計(jì)算機(jī)，便可極大減少三維可視化建模時(shí)間，同時(shí)也能提高中心線構(gòu)造效率。

3.3 鐵路線路三維可視化建模內(nèi)容

第一，路基三維可視化建模。路基三維可視化建模是線路整體三維可視化建模的基礎(chǔ)工作?；诘匦尾町?，現(xiàn)實(shí)中的鐵路路基主要包括路堤與路塹兩種形式，也就是所對應(yīng)的填方與挖方。對于鐵路軌道而言，路基工程是一種帶狀的基礎(chǔ)建筑，處于線路結(jié)構(gòu)下部，事關(guān)鐵路的安全運(yùn)行。在實(shí)際操作過程中，路基三維可視化建模的順序可概括為利用Auto CAD二次開發(fā)的中心線為路徑，路基橫斷面為具體對象，通過掃掠形式進(jìn)行三維可視化建模。需要強(qiáng)調(diào)的是，應(yīng)對路基三維可視化模型進(jìn)行一定的貼圖紋理處理，這樣會讓效果更加真實(shí)。

第二，軌道三維可視化建模。軌道表達(dá)一般通過里程、坡度、坡長、股道長度等要素進(jìn)行空間位置描述。在鐵路軌道三維可視化建模過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注四方面內(nèi)容：其一，曲線表內(nèi)容應(yīng)包括軌道曲線的空間與屬性信息，三維可視化建模時(shí)要有效利用表中信息，即軌道空間位置與幾何數(shù)據(jù)；其二，坡度表要對軌道中坡度斷的空間與屬性信息進(jìn)行科學(xué)記錄；其三，鋼軌表同樣記錄了鋼軌空間與屬性信息，根據(jù)三維可視化建模所需，也應(yīng)從表中合理提取建模所需的幾何數(shù)據(jù)與位置信息，從而為建模提供便利；其四，道床表對道床材質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)描述，并記錄了道床信息，在三維可視化建模時(shí)可將其當(dāng)作紋理依據(jù)。除此之外，從鋼軌參數(shù)所得的鋼軌橫斷面，從軌枕參數(shù)所得的軌枕三維可視化模型，基于中心線通過陣列與掃掠的形式創(chuàng)建軌道整體三維可視化模型。

第三，橋梁三維可視化建模。在鐵路線路工程中，橋梁設(shè)計(jì)的主要目的在于克服低洼地段以及跨度大的地理因素。鐵路線路橋梁設(shè)計(jì)的類型較為多樣化，一般多為鋼制、混凝土制，三維可視化建模的過程中要根據(jù)各類型的橋采用具有差異化的建模方法。對于橋梁建模而言，橋梁位置應(yīng)由中心里程決定，在幾何數(shù)據(jù)之外，還要包括橋梁的屬性信息?；炷林频臉蛄耗軌蚋鶕?jù)橋面性質(zhì)尋找到具有顯著代表性的橫斷面，依次將橫斷面連接在一起便得到橋面三維可視化模型；鋼制的橋梁橋面一般由鋼板與特種鋼相連而成，所以對于鋼制橋的三維可視化建模其實(shí)就是對鋼板與特種鋼的三維可視化建模。在橋面模型的三維可視化建模完成之后，再逐步構(gòu)建出下部結(jié)構(gòu)便可完整構(gòu)建橋梁整體的三維可視化建模。

第四，隧道三維可視化建模。在鐵路線路工程中，隧道設(shè)計(jì)的主要目的在于克服高程障礙與避開非良性地質(zhì)。隧道一般由洞門、防排水設(shè)施、道床等構(gòu)成，隧道三維可視化建模的重點(diǎn)在于道口建模，在道口三維可視化建模過程中，需要對道口仰坡進(jìn)行格外關(guān)注。

第五，信號機(jī)三維可視化建模。信號機(jī)具體是指在站場通過燈光顏色與燈光數(shù)目的變換，向行車工作者指示運(yùn)行條件的一種視覺信號設(shè)施。信號機(jī)對列車運(yùn)行安全與強(qiáng)化調(diào)度效率而言具有重要價(jià)值。一般情況下，信號機(jī)主要由信號機(jī)構(gòu)與機(jī)柱所組成，除了外在的信號燈之外，還有橢圓背板與半圓遮檐。在鐵路線路三維可視化建模過程中，可具體根據(jù)線路數(shù)據(jù)來對信號機(jī)位置進(jìn)行確定。

結(jié)語：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像技術(shù)與地理信息技術(shù)的飛速發(fā)展，可充分結(jié)合地理信息在三維數(shù)據(jù)中的實(shí)時(shí)獲取、空間分析等技術(shù)研究成果來建設(shè)完善場景更大、內(nèi)容更豐富的信息化鐵路管理系統(tǒng)。鐵路線路三維模型可視化建設(shè)的內(nèi)容豐富多樣，建模時(shí)要考慮線路設(shè)施模型特點(diǎn)，集中使用優(yōu)化模型減少多余的多邊形，減少表達(dá)不可見內(nèi)容等方法，從而提升場景顯示效率。與此同時(shí)，運(yùn)用自動建模也可大大增強(qiáng)建模效率，減少建模時(shí)間，在具體三維可視化建模過程中應(yīng)根據(jù)真實(shí)建模內(nèi)容，盡可能提高編程建模的使用率。