三維虛擬場景中的道路選線設(shè)計探討

賀鈺欽

(鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，河南 鄭州 450000)

0 引言

我國由于國土面積大，地形復(fù)雜，經(jīng)常會出現(xiàn)丘陵和高山等地貌，有時還會面臨嚴(yán)重的自然災(zāi)害，這就要求在道路選線過程中，綜合考慮各個方面的影響因素，確保道路選線更加科學(xué)合理?，F(xiàn)階段，大部分道路選線設(shè)計都是利用二維平面設(shè)計進(jìn)行，通過地理信息系統(tǒng)采集信息，然而，此種設(shè)計方式存在一定缺陷，只能反映等高線附近地貌與地形。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，開始出現(xiàn)三維地理信息系統(tǒng)，它的出現(xiàn)給道路選線設(shè)計帶來新的機(jī)遇，將其進(jìn)行有效利用，能在一定程度上提升周圍地理環(huán)境表現(xiàn)力，確保道路選線與實際發(fā)展相符合。如何優(yōu)化三維虛擬場景中道路選線設(shè)計工作，成為當(dāng)前亟待解決的問題。

1. 三維虛擬場景與道路選線概述

1.1 三維虛擬場景

三維虛擬場景主要指的是一種虛擬數(shù)字環(huán)境，此類環(huán)境是由計算機(jī)圖形圖像構(gòu)造而成的三維數(shù)字化模型，利用編制方式，生成視覺感受的人工環(huán)境，在這環(huán)境中，可實現(xiàn)觸覺和視覺等綜合感知。在此基礎(chǔ)上，可以觸摸、觀察和檢測周圍事物的內(nèi)在變化，并且與之進(jìn)行交互，實現(xiàn)人與計算機(jī)的有效結(jié)合，給人身臨其境的感受。通常來說，三維虛擬場景中涉及很多技術(shù)，包括三維建筑初步建模、CAD設(shè)計圖數(shù)據(jù)處理以及場景集成等各個方面，在社會發(fā)展中具有促進(jìn)作用，尤其是應(yīng)用于道路選線設(shè)計，可以為其奠定堅實基礎(chǔ)[1]。

1.2 道路選線

所謂道路選線，重點是指在道路規(guī)劃的起點和終點間選定一條道路中心線，在確保經(jīng)濟(jì)合理和技術(shù)可行的同時，還應(yīng)滿足道路實際使用要求。道路選線作為一項復(fù)雜而多樣的工作，經(jīng)常會受社會經(jīng)濟(jì)與自然條件的影響，因此，在進(jìn)行道路選線時，要考量多方面的影響因素。道路選線一般要從“淺”至“深”、從“總體”到“具體”，從“面”到“帶”再到“線”，主要包含以下3個步驟。

1)進(jìn)行全面布局。該項工作實施，應(yīng)在“起訖點”和“中間”必須經(jīng)過的據(jù)點，找尋可以通行的路線帶，將較大控制點進(jìn)行確定并連接，形成路線基本走向，比如起訖點與據(jù)點之間，可能存在河流或者山嶺，這些都需要對路線進(jìn)行布局。

2)實施逐段安排。確定路線基本走向后，應(yīng)對控制點進(jìn)行加密，完成路線布局方案，即在大控制點之間，根據(jù)水文、地質(zhì)以及氣候等因素，逐段確定小控制點。

3)具體定線。于逐段安排的小控制點間，結(jié)合自然跳進(jìn)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對“橫”“縱”“平”各方因素進(jìn)行綜合考慮，反復(fù)進(jìn)行“穿線插點”，確定路線具體位置，使其更加細(xì)致與深入[2]。

路線作為道路骨架，選線好壞決定著道路自身的質(zhì)量，這就意味著道路選線要考量各個方面影響因素，妥善處理各種關(guān)系，并遵循相應(yīng)的原則，具體如下。

1)進(jìn)行多方案選擇。道路設(shè)計不同階段，要使用不同方式，仔細(xì)研究路線方案，結(jié)合多方論證，在相互比對的基礎(chǔ)上，選取最佳的路線方案。

2)科學(xué)處理農(nóng)業(yè)與選線之間關(guān)系。選線工作中，要和農(nóng)田基礎(chǔ)建設(shè)相互配合，盡量不占或者少占包括“經(jīng)濟(jì)作物田”“高產(chǎn)田”以及“經(jīng)濟(jì)園林”等田地。

3)綜合考慮工程造價和養(yǎng)護(hù)與管理等費用。路線設(shè)計應(yīng)在安全舒適條件下，確保造價低、工程量小和效益高，并有利于開展通路施工養(yǎng)護(hù)和管理。如果工程量增加不是很大，可以適當(dāng)使用高技術(shù)指標(biāo)[3]。

4)確保路線與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。其中，包括景區(qū)和古跡等的道路，應(yīng)盡量保持原有道路的自然狀態(tài)，力爭實現(xiàn)人工構(gòu)造物和景觀之間的有機(jī)協(xié)調(diào)。

2 三維地形建模

在開展三維地形建模工作時，需要對地圖底面數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，目的是分析三維地形數(shù)據(jù)，提升該項工作的有效性。在這一過程中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要組成部分包括地形貼圖數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，處理地形數(shù)據(jù)時，需要使用ArcMap軟件，且地形貼圖數(shù)據(jù)有所區(qū)別，重點是利用谷歌地圖軟件進(jìn)行處理和獲取，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取之后，還應(yīng)處理成相同大小的二維坐標(biāo)，構(gòu)建建筑、道路以及水系等有關(guān)地理數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)獲取完成之后，要構(gòu)建“線”和“面”的構(gòu)建器，對各種矢量數(shù)據(jù)添加高程值，保存在對應(yīng)的地理信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫中，最后放到文件夾里面。想要在地形上有效顯示地物，應(yīng)利用構(gòu)件器處理“TIN”數(shù)據(jù)的同時，將其有效添加至地形數(shù)據(jù)之中[4]。

利用CityEngine 軟件，將地理信息數(shù)據(jù)處理之后，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)建模與三維處理，在開展建模處理和軟件處理工作中，主要包含以下幾個步驟：首先，需要新建工程，打開工程后，要選擇相應(yīng)的新建場景；其次，完成新建場景工作后，應(yīng)把地理數(shù)據(jù)導(dǎo)入至對應(yīng)的新建場景之中，生成三維地形與三維圖像；最后，在導(dǎo)入地圖地面數(shù)據(jù)之后，還要使用平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等方式，促使地形相互重合，利用計算機(jī)體系結(jié)果，產(chǎn)生對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)模型，再分析模型的細(xì)節(jié)問題[5]。

3 三維虛擬場景中的道路選線設(shè)計方法

3.1 確定權(quán)重，劃分影響因素

一般情況下，進(jìn)行道路選線設(shè)計時，由于會受到多種因素的影響，應(yīng)進(jìn)行綜合考慮。比如地質(zhì)層面，要充分考慮到“綠地和高程”“地質(zhì)與水文”以及“地形坡度”等情況；而對于國家政策來說，需要重視農(nóng)田設(shè)施；人文層面，還要考量不同建筑、房屋以及道路等影響。對影響因素進(jìn)行分析后，確定不同因素對決策的影響，掌握其所占權(quán)重。具體可以應(yīng)用層次分析法，將全部因素間重要性加以劃分，整理成矩陣形式，層次分析法矩陣：

影響因素類型坡度/(°)建筑地質(zhì)環(huán)境農(nóng)田坡度1247建筑12124地質(zhì)環(huán)境141214農(nóng)田1714141

通過對矩陣進(jìn)行檢驗，計算一致性指標(biāo)CI，并得出平均一致性指標(biāo)RI，由CI/RI能夠計算出隨機(jī)一致性比例CR，若是CR小于0.1，矩陣則具有可接受的一致性，若是CR不小于0.1，應(yīng)對矩陣加以修正的調(diào)整，最后檢驗矩陣一致性，看其是否在可接受范圍內(nèi)。最終對各類因素權(quán)重進(jìn)行有效計算，實際計算方法需要借助MATLAB編程來完成，最終得出各類權(quán)重的計算結(jié)果為“坡度(0.47)”“地質(zhì)環(huán)境(0.17)”“建筑(0.26)”和“農(nóng)田(0.07)”[6]。

3.2 實現(xiàn)信息的科學(xué)處理及提取和道路選線設(shè)計

對于不同地區(qū)，水文與地理條件有所不同，這決定了其光譜信息存在差異性，結(jié)合獲取的影像信息對其進(jìn)行處理和分類。坡度因素一般要通過DEM使用坡度提取工具進(jìn)行提取，而高程因素主要由DEM實現(xiàn)分級。另外，建筑因素還需要將矢量化建筑圖層進(jìn)行緩沖區(qū)分析。完成信息提取工作后，需要根據(jù)重要影響因素計算成本，無論是成本變化，還是不同曲面起伏表現(xiàn)的狀態(tài)，都能有效形成相應(yīng)的評價曲線。使用加權(quán)總和工具，將道路之外存在的影響因素加以疊加，在道路設(shè)計過程中，盡量確保新設(shè)計道路與原有道路進(jìn)行重合，最終產(chǎn)生道路位置權(quán)值為0的綜合成本評價曲面[7]。

將綜合成本評價曲面生成之后，就可以開展相應(yīng)的道路選線設(shè)計工作。主要包含以下步驟：首先新建2個“shpefile”格式的點圖層，在其中一個圖層之中，畫出道路起點，而在另一個圖層里面標(biāo)出道路終點、起點和經(jīng)過點，根據(jù)綜合成本評價曲面，應(yīng)用相應(yīng)的成本距離工具，輸出“成本距離柵格”；然后使用成本“回溯鏈接”輸出成本“回溯鏈接”柵格；最后利用獲得的“成本距離柵格”和“成本回溯鏈接?xùn)鸥瘛保瑢Τ杀韭窂竭M(jìn)行有效分析，得出最后的選線結(jié)論。

3.3 實現(xiàn)三維圖像的顯示與有效分析

完成對應(yīng)的選線設(shè)計作業(yè)后，還需要對所選擇的道路進(jìn)行矢量化，要想實現(xiàn)這一目標(biāo)，就要使用AecScreen當(dāng)中的“模型構(gòu)件器”，賦予其對應(yīng)的高程值，同時將其保存至“gdb”文件夾內(nèi)，保存完成后，需要導(dǎo)入至提前創(chuàng)建的三維地形里，實現(xiàn)對道路的漫游觀察，站在三維角度，分析道路具體情況，這類數(shù)據(jù)就可以作為未來三維地理信息的原始創(chuàng)建數(shù)據(jù)。

除此之外，在三維地形圖中結(jié)合不同影響因素，分析其對道路選線產(chǎn)生的影響，從而在選線結(jié)果中體現(xiàn)出來。依照模型設(shè)計本身意圖，在道路經(jīng)過的一些區(qū)域，坡度盡量要保持小一點，這樣選線結(jié)果才能滿足道路設(shè)計基本要求，確保線路更加安全和穩(wěn)定。選線期間，需要避免很多區(qū)域，包括“房屋”和“綠地”等，若是部分地質(zhì)結(jié)構(gòu)較差的區(qū)域應(yīng)對其實施重點分析，不但要保障道路選線對設(shè)計要求相一致，還應(yīng)考慮到各個方面影響因素，最大程度降低成本[8]。

3.4 效果分析

三維虛擬場景中的道路選線設(shè)計，通過使用矢量數(shù)據(jù)以及數(shù)字柵格方式，將不同影響因素充分考慮其中，建立相應(yīng)的三維模型，能夠獲得良好的效果，并確保道路選線的科學(xué)性，實現(xiàn)道路選線設(shè)計的進(jìn)一步優(yōu)化和完善，降低了成本費用，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)實施道路選線作業(yè)時，既要結(jié)合道路選線基本原則，又要分析選線設(shè)計的各類影響因素，有效應(yīng)用層次分析法，將不同影響因素權(quán)值大小進(jìn)行有效確認(rèn)，從而實現(xiàn)各類影響因素的動態(tài)化考慮與分析，進(jìn)一步優(yōu)化道路選線結(jié)果，為選線結(jié)果的安全性和可靠性提供有力保障[9]。

2)使用地理信息系統(tǒng)，管理獲取的地理數(shù)據(jù)信息，將多個影響因素加以充分考量，結(jié)合相關(guān)要素，產(chǎn)生相應(yīng)的綜合成本評價曲面，應(yīng)用曲面之間的最短路徑與最短距離，增強(qiáng)道路選線的科學(xué)性和準(zhǔn)確度，確保選線操作更加規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，依照各類影響因素，考慮系統(tǒng)的整體性與綜合性，進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)的整體性，從而降低信息與數(shù)據(jù)的實際分析難度。

3)利用地理信息，使用相關(guān)語法與語言規(guī)則，促進(jìn)道路選線二維與三維的聯(lián)動設(shè)計，提升語言設(shè)計的可視化程度，實現(xiàn)人機(jī)交互，強(qiáng)化兩者之間的相關(guān)性，確保各類信息能夠得到有效利用，最終在三維虛擬場景中，完成道路選線設(shè)計工作，提升道路選線設(shè)計的科學(xué)性和合理性[10]。

4 結(jié)語

要想從根本上提升三維虛擬場景中的道路選線設(shè)計水平，相關(guān)人員就要充分了解三維虛擬場景以及道路選線的相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合我國道路選線工作中面臨的問題，通過科學(xué)有效的方式，將三維虛擬場景在道路選線設(shè)計中的最大價值發(fā)揮出來，滿足不同工作環(huán)節(jié)要求，保障道路選線設(shè)計各項工作的順利開展。