基于三维空间场景的铁路选线技术研究

李桂芳

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

基于三维空间场景的铁路选线技术研究

李桂芳

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

利用先进的机载激光雷达和数码航摄仪采集的高分辨率海量影像数据资源,建立三维空间场景。在“铁路线路虚拟踏勘系统”的海量数据管理平台上,结合CAD平面设计进行铁路选线。研究采用三维虚拟现实技术和CAD平面设计,将基础地形和线路方案相结合,实现基于三维空间场景的铁路选线,使设计方案更加合理,并在一定程度上解决了野外现场调查的人员和设备等投入大的问题。

铁路选线;三维空间场景;研究

1 概述

目前,我国铁路工程设计大都是在二维场景上进行的。这种通过等高线、地物边界线或特定符号表现地形、地貌以及地物情况的平面地图,其缺陷是缺乏立体感、不直观,需要有一定地图知识和经验的设计人员才能准确地判断地形和地貌的特征[1]。近些年随着三维遥感技术的发展,三维选线开始在公路、铁路、电力和桥梁等设计中开展应用[2-4]。三维场景是其中十分重要的组成部分,它为选线设计者在计算机屏幕上提供了最直观的空间选线环境,可以对整个选线区域进行全方位的观察、对不同的选线方案进行有效的筛选,实现室内拟实选线。在三维场景中选线,可以大量减少野外工作量和工作时间,有效地缩短勘察设计工期,节约人力和财力,同时还可认真研究其对环境的影响,加强环境评估,提高铁路设计方案的社会经济合理性。

本文研究利用高分辨率遥感影像和精细数字高程模型数据,建立模拟现实的三维空间场景,讨论三维选线技术框架和关键技术的实现,并在“铁路线路虚拟踏勘系统”的海量数据管理平台上,进行铁路选线及线形设计,为铁路三维协同选线设计提供参考。

2 基于三维场景铁路选线系统架构及关键技术

充分利用遥感技术、地形三维建模技术快速获取选线区域的高分辨率影像和数字高程模型(DEM),结合计算机图形学、数据建模技术快速建立选线系统的三维虚拟地理环境,并在该三维环境中进行选线设计。可辅助进行新建铁路的线路平面设计、纵断面设计、用地排水设计、线路方案比选及工程虚拟现实演示,为铁路选线方案的系统性、科学性和合理性提供了一个实用便利的手段和平台。基于三维空间场景的铁路选线系统结构见图1,其包括以下过程:(1)获取线路经过区域的DEM和高分辨率影像图;(2)三维空间场景的建立与渲染;(3)平面初步定线;(4)三维平纵横综合选线设计;(5)三维立体模型定线及方案比选,确定终选方案。

图1 基于三维空间场景的铁路选线系统结构

关键技术主要包括如下内容。

(1)三维空间场景的实现技术。三维空间场景的生成、浏览及数据管理技术,包括二、三维一体化的空间数据管理及分析模型的建立;精细场景的动态调度、裁剪;网络无缝可变带宽运行;多处理器、多计算机的集群处理技术;多坐标系自动转换;设计参数自动建模;属性数据快速关联;多数据源动态管理等。纹理采用遥感影像及数码相片联合匹配,高精度表现地形模型。将遥感影像和地面的DEM叠加,采用了消隐、光照、纹理映射等参数的设置,真实再现了三维地表景观。

(2)三维选线关键技术。包括在三维场景中,线路走向的交互设计,平、纵、横综合选线设计,以及车站的选址、桥隧最佳通过位置的选择等设计。具体包括线路平面线形交互设计、线路平面断链编辑、线路纵断面交互式设计、车站、桥隧等工点交互设计、三维中线的生成与编辑、三维模型的建立、还可辅助有排水系统设计、房屋及供变电地址的选择等。最后结合三维场景对线路方案进行系统评估,确定线路方案是否合理,并进行投资估算和方案评价。

(3)海量数据管理与交互设计技术。为了保证铁路三维虚拟踏勘与选线系统的灵活性、兼容性和易用性,保证勘察设计人员能够快速掌握,方便链接各种资料,系统数据管理平台实现了能够快速查找并管理各种资料,如CAD文件的导入、导出,说明文档的快速链接、数据库资料的快速查找等。

此外,基于三维空间场景进行遥感地质判释,查明铁路线路沿线的不良地质类型、规模、分布范围,并将判释结果添加到三维空间场景中,在铁路选线过程中有效地避让不良地质,使铁路选线方案更加合理、安全。

3 三维空间场景实现

三维空间场景实现主要由2个关键部分组成:正射影像图(DOM)和数字高程模型(DEM)。数据处理流程见图2。

图2 三维空间场景实现流程

(1)DOM制作数据源包括卫星影像和数码航摄影像。卫星影像包括中高分辨率卫星影像如QUICKBIRD(全色 0.61～0.72 m+多光谱 2.44～2.88m)、ALOS(全色2.5m+多光谱10m),中低分辨率TM卫星影像等。主要数据处理过程包括辐射校正、几何纠正、全色与多光谱影像精配准、全色与多光谱影像融合、调色等。由原始航空影像制作DOM要经历正射纠正、影像镶嵌、调色等处理流程。

(2)地形建模数据包括矢量地形图数据和LiDAR数据等,矢量数据通过插值运算和坐标转换得到DEM, LiDAR数据处理一般包括GPS/IMU联合平差计算、点云滤波、坐标转换处理。在统一坐标系后,将得到DOM和DEM数据发送到雷达处理软件进行三维场景渲染,得到三维遥感虚拟场景,进一步进行发布和应用。

从实际的生产过程来看,在方案预可研与可研阶段,三维地形影像数据实现主要以卫星图像和低分辨率DEM为主,DEM一般为25万DEM或目前最新发布的5万DEM;初测阶段可利用航空摄影测量制作较高精度DOM和DEM;定测阶段可采用更高精度的机载LiDAR DEM数据和高分辨率航摄影像制作DOM和DEM。

4 三维空间场景选线的实现及优势

在选线过程中,基于高精度数字高程模型,并利用高分辨率遥感图像作为纹理,对研究区进行三维虚拟地理景观可视化模拟,获取模拟真实三维的地面景观,增加对沿线地面信息的直观认识,提高可视化效果。在此基础上综合分析线路所经区域内地形、地貌、地质条件及环境敏感区分布等相关因素,提出技术经济合理、工程方案可行的线路方案,为提高线路方案的科学性提供支撑。

采用高精度航摄数码影像和精细DEM数据,建立铁路线路三维虚拟踏勘系统。利用其海量空间数据的管理能力,将各种工程背景信息进行融合,结合CAD平面设计进行铁路选线。基于精细三维空间场景,将平面设计参数进行三维建模处理,结合三维空间场景,进行线路、工点及站场设置合理性、重叠性和冗余性检查,并进行优化,从而实现隧道、桥梁、边坡及路基等空间选形及设计(图3)。

图3 三维空间场景铁路选线

其优势如下。

(1)在选线过程中通过逼真的3D立体显示,更加直观、立体地观看路线选址,以及站场、桥梁、隧道、路基等结构物在地形中的布设,将铁路选线与实地真实三维景观紧密结合,快速计算出线路土方量和工程造价,有利于线路方案的优化和多个线路方案的比较,提高了线路工程类别选择的合理性及工程数量准确度,保证了方案比选精度和准确性。

(2)铁路线路三维可视化能充分地发挥遥感数据的优势,解决传统的图上选线和设计与实际地形、地质条件不符,野外踏勘工作繁琐的弊端。在可行性研究阶段初期,利用遥感图像三维可视化可以解译识别地形和地质条件,能够表现现场地形地貌情况,使得选线和设计场景更加接近真实的地貌和地质情况,可减少设计人员野外实地踏勘验证的工作量。从而减轻勘察设计人员的劳动强度,提高工作效率,缩短勘察设计周期。

(3)推动铁路勘察设计向三维协同方向快速发展。目前,以GPS、GIS、RS技术和现代航测技术等为主的新一代测绘综合技术的应用,不仅使测量手段发生了根本性变革,也使勘察和设计专业趋向融合,铁路勘测设计一体化和三维协同设计正在逐步实现。

(4)可提高工程设计的总体性和系统性。使专业接口更加顺畅合理,系统设计更加协调和完善。铁路线路三维立体选线为各个专业的接口设计及协调配合提供了基础条件,利于提高接口设计方案的可行性及合理性。

(5)基于高精度的三维空间场景进行铁路选线,可有效地避让房屋等建筑物,减少了房屋的拆迁量;可充分考虑沿线的地形及森林覆盖,采取跨树或避开森林的方案,减少了树木的砍伐,保护了生态环境。

由此可见,将遥感图像三维可视化技术应用于铁路选线,可以实现在虚拟现实中快速进行线路、路基、桥梁、隧道等工点的可视化设计,将设计人员从不必要的体能消耗和智力浪费中解放出来,赢得了时间和精力,使设计人员的大量时间和精力投入线路方案的比选论证、工程措施的研究和处理中,有效地解决现在线路方案优化困难的问题,提高了线路专业的设计质量,为困难复杂地区的选线提供了一套较为完整的技术解决方案。

5 三维空间场景选线设计成果

将三维可视化信息管理平台和CAD软件进行有机的结合,一方面为线路专业设计人员提供了线路方案选择的方便快捷工具;另一方面项目总体可直观、快捷地阅读线路的全部工程内容,及时发现各工点的设置是否合理,有无差、错、漏、重叠等情况;三维可视设计成果也可为提高建设管理及运营管理质量提供支撑。通过设计软件完成线路专业需要的成果图,使线路专业的设计工作更加系统化。可提交如下成果: (1)线路方案三维浏览地形渲染图;(2)局部方案比选成果图、方案比较表;(3)平纵断面成果图;(4)相应比例尺成果图;(5)相关成果的数据库等。

6 结语

铁路线路三维空间场景选线技术,采用高精度、高分辨率影像和DEM资料作为基础资料,可以直观表现现场复杂的地形地貌,在此基础上开展线路选线设计。可以充分利用现场详细的基础地形资料,使设计方案更加合理,设计成果以三维参数化建模的方式得以体现,为铁路设计提出了一条新的思路,代表着未来勘察设计模式的发展方向,应用前景广阔。

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[3] 刘宜灼.SkyLine支持下的电力选线三维系统的没计与实现[J].地理空间信息,2010,8(5):24 -26.

[4] 阎平,熊晓光,蒋荣安,等.应用高分辨率卫片三维选线平台进行规划选线[J].电力勘测设计,2008(4):58 -61.

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Technical Research on Railway Route Selection Based on Three-dimensional Scene

LIGui-fang
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

This article focuses on establishing three-dimensional scene by using the data which were collected from light detection and ranging and digital aerial camera.Then,the datemanagement platform named railway virtual reconnaissance system,and the CAD plane design technique were used for railway route selection.Through the virtual reality technique and CAD plane design technique,the basic terrain was combined with the railway scheme to implement the railway route selection.Thesemethods can make the design more reasonable and reduce the cost of survey personnel and equipment in field site to some extent.

railway route selection;three-dimensional scene;research

U212.32

A

1004 -2954(2012)10 -0019 -03

2012 -06 -13

铁三院科研项目“铁路线路方案虚拟踏勘系统”(编号: 720935)

李桂芳(1965—),女,高级工程师,1987年毕业于兰州铁道学院,工学学士,E-mail:liguifang@tsdig.com。