城市轨道交通三维系统制作与应用探讨

2016-12-06李平苍

铁道勘察 2016年5期

关键词：纹理轨道交通建筑物

李平苍

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

城市轨道交通三维系统制作与应用探讨

李平苍

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

分析我国当前轨道交通现状，充分利用既有航空影像，将三维数字城市技术、参数化建模技术、视频制作技术有机结合，研究探讨轨道交通项目三维系统制作方法；具体介绍三维系统在轨道交通项目的勘察设计、汇报展示、物业开发、施工建设、运营维护等方面的应用。

轨道交通三维系统制作方法应用

城市轨道交通是城市公共交通系统的一个重要组成部分，它通常是以电能为动力，采取轮轨方式的快速大运量公共交通的总称。目前，我国城市轨道交通主要有地铁、轻轨、有轨电车和磁悬浮列车等多种类型。随着我国城市化建设步伐的加快，大量人口涌入城市，城市人口密度骤然增加，中心城市不断向周边辐射。为了缓解城市拥堵，方便市民出行，轨道交通建设的紧迫性大增，各大中城市纷纷规划建设轨道交通项目。

三维可视化信息系统是三维地理信息技术、虚拟现实技术、三维建模技术和计算机技术等技术手段的有机结合，可以实现用真实三维场景来表现真实空间地理要素的目的，具有直观性、可视化、精细表达三维空间的优点。由于城市轨道交通项目在初定测阶段都进行了航空摄影，可以利用既有的影像数据建立地面三维模型、建筑物模型、道路交通模型，再根据设计资料对轨道交通线路进行建模，将各种模型集成制作轨道交通三维系统，真实模拟建成后效果。

1 城市轨道交通三维系统制作

1.1 地面三维模型的建立

地面三维模型是是利用数字高程模型和数字正射影像叠加而成，逼真反映地形起伏特征、地表形态和地表影像的模型(如图1所示)。地面三维模型数据应全面完整，模型纹理应真实反映地形地貌的颜色、质地和图案，空间位置应具有拓扑一致性。三维场景中地面三维模型可根据场景的大小分层次建立。线路附近的影像分辨率应优于0.2 m，DEM精度应满足1∶1 000比例尺精度要求。根据离线路方案的距离逐级降低影像分辨率，线路外围场景可以利用分辨率为0.5～10 m的卫星影像数据和ASTER GDEM数据建立。

图1 地面三维模型

1.2 沿线建筑物建模

对城市轨道交通沿线建筑物进行三维建模，可分为如下几个步骤。

(1)建筑物纹理采集

建筑物纹理采集是利用数码相机对建筑物外观纹理进行现场拍照。拍摄前应准备好正射影像图或地形图，根据线路走向对需要拍摄的建筑物逐一编号。每个建筑物均需进行多角度实地拍摄，拍摄时应先全景再局部，照片应能清晰表现建筑物结构及纹理特征(如图2、图3所示)。全景拍摄十分重要，它是建筑物建模时楼层高度、整体外观效果的最佳参考，对后期三维建模、材质效果处理有很大帮助。

图2 建筑物全景拍摄

图3 建筑物局部拍摄

(2)建筑物立体采集

建筑物立体采集是指利用数字摄影测量工作站在立体模式下采集建筑物的平面几何和高程数据(如图4所示)。采集时以面为单元，同一水平面上的结点高程要一致。

图4 建筑物立体采集模型示意

(3)建筑物模型制作与贴图

利用3DS Max等建模软件，根据事先采集的矢量数据对建筑物进行建模，保证每栋建筑是一个独立的实体，由裙楼或通道连接的建筑可根据文件数据量、细节表现等因素进行拆分，但要保证整个建筑的完整性。

模型贴图前要对纹理的大小、色调、精细度进行相应处理，纹理的长、宽为2的n次幂像素值；纹理的大小尽量控制在1 024像素×1 024个像素以内；纹理的色彩需使用PS软件进行调整，使其对比度适中，层次感强，建筑物整体色彩统一，具有真实感。图5为纹理贴图前后建筑模型效果对比。

图5 纹理贴图前后建筑物模型

(4)既有道路建模

在立体模式下进行道路及附属设施的平面几何和高程数据矢量采集，通过建模还原其真实现状。道路模型应真实反映道路的结构、尺寸、质地、色彩等特征，纹理应清晰可辨，效果与实际一致(如图6所示)。

图6 既有道路模型

1.3 设计资料建模

轨道交通线路主要包括桥梁、隧道、路基等，需要根据设计资料进行三维建模。可分为如下几个步骤。

(1)设计资料准备

线路平纵断面图、CAD中线文件；

工点缺口里程，格式为“工点名称+起始里程+终点里程形式”；

路基、隧道、桥梁、站场等设计图纸；

根据以上资料提取线路三维中线，并制作工点表(如图7所示)。

图7 工点表格式

(2)参数化建模软件开发

基于3DS Max等建模软件，利用ObjectARX技术开发用于轨道交通线路参数化建模软件(如图8所示)，能够快速从设计图纸中提取各种设计参数，实现自动化参数化建模。

图8 参数化建模界面

(3)参数化建模

根据线路三维中线、工点表和从设计图纸中提取的设计参数，软件自动生成工点模型，并对模型进行对应贴图(如图9所示)。

图9 桥梁参数化建模

1.4 三维系统集成

将地面三维模型、建筑物模型、设计线路模型、矢量信息数据集成到Skyline等三维信息管理平台，创建真实的三维交互环境，模拟城市轨道交通建成后效果(如图10所示)。

图10 城轨三维效果

2 城市轨道交通三维系统应用

2.1 应用于勘察设计

在城市轨道交通项目勘察设计阶段，设计人员和决策层可以利用三维系统进行多尺度多视角的浏览、分析和研究方案，具体有如下几个方面的应用：

①利用三维系统辅助各专业人员踏勘调查，减少外业现场踏勘次数。

②辅助地质专业判读沿线不良地质、地形。

③将各专业设计资料进行建模集成，很容易发现专业设计间的差错漏等问题。

④建模后能直观地在三维场景中进行方案比选，帮助选择最佳的设计方案。

⑤利用三维系统进行多角度、多视角录屏，充分展示线路走向和重要工点，通过剪辑、特效加工与包装并配以解说词，制作轨道交通项目三维宣传视频，向城市轨道交通规划管理部门汇报项目建设的重要意义，向当地百姓展示预建项目与周边环境的和谐关系和对市民出行的便利，便于赢得地方政府和百姓对预建轨道交通项目的认可。

⑥利用三维系统可以更好地规划研究城市轨道交通沿线和车站周边的物业开发，直观模拟建成后效果，实现城轨与商业的无缝衔接。

2.2 应用于施工建设

在轨道交通项目施工建设阶段，可以基于三维系统进行施工进度、防灾、视频监控等功能的开发，可以实现对轨道交通的施工进度、现场安全、工程质量等有效管控，提升施工组织管理效率。主要应用有如下几个方面：

①在三维系统中建立各种设计模型和设备模型，可对基础地形进行相应的填、挖方效果展示，模拟施工效果，便于检查施工方案的合理性。

②改变以往以报表形式表示工程进度的方式，利用三维系统可以实现工程进度预警、施工进度动态监测和施工进度更为形象的模型化展示(如图11所示)。

图11 隧道施工进度展示

③在施工现场布设视频监控设备，通过互联网将视频监控信号接入三维系统，可进行重点区域的地质灾害自动预警，且为施工安全提供直观的监控管理手段。

2.3 应用于运营管理

城市轨道交通的运营管理部门可以将三维系统接入视频监控，实现三维情况下的日常数据检测、数据分析和预警，为轨道交通运营提供三维地理信息服务，提升运营管理水平，适应现代轨道交通信息化发展的要求，更好地进行轨道交通运营管理与维护。主要应用有如下几个方面：

①根据三维系统中沿线真实的地形地物特征，对轨道交通沿线环境可能给线路运营造成的影响进行评估分析，对重要风险点进行视频监控，实现自动预警。

②基于三维系统，建立轨道交通设备三维可视化管理平台，对设备部件进行建模并赋予地理空间属性，实现设备二维台账数据管理向三维可视化模型管理的转变，三维平台上更有利于设备数据的查询、分析、维护等日常管理工作。

③基于三维系统，建立轨道交通应急抢险、灾害处理、维修作业可视化管理平台，面对灾害、事故等紧急情况时，管理者可以利用平台快速直观查询事故周边地形地物情况，有针对性地制定对策，更好地完成快速抢险、灾害处理和维修作业等工作。

3 结论

城市轨道交通作为一个城市的名片和标志，对提升城市形象，推进城市的可持续和谐发展起着至关重要的作用。但项目建设周期较长，投资巨大，是个大规模、综合性较强的复杂系统工程，项目建设施工、运营管理难度较大，要求较高。而我国在对轨道交通项目进行勘察设计、施工建设、运营管理等方面仍然采用二维图纸或表格文档形式，建设管理手段落后。目前，三维地理信息技术、虚拟现实技术飞速发展，全国各个城市都在打造以3D GIS为基础的数字城市、智慧城市。轨道交通行业更应大力推进三维技术应用，采用多维空间数据进行设计、施工和管理势在必行。

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