公路路线设计的一体化与可视化研究

高卫芬

晋中市交通运输局 山西晋中 030600

如今，公路路线设计还是以传统的二维设计为主，但公路的路线使三维实体，若只从某一个方面进行描述，无论进行平面、横纵设计，都会对其它方面造成影响。基于此，该设计方法本质上存在缺陷，亟需进行改善和提高。

1 公路路线一体化设计

1.1 设计环境

在一体化设计中，应先建立一个一体化平台，在屏幕上创建若干视窗，不同视窗显示不同的内容，包括路线的横纵断面及平面，设计人员可对窗口进行随意切换，并能调整窗口所在位置及大小，不同窗口间不仅相互关联，而且彼此独立。其中，关联指的是其中一个视窗的图形修改可以关联到其它视窗，比如设计人员对平面视窗中路线所在平面位置进行修改后，系统会自动生成新的地面线；如果设计人员对纵断面视窗的纵坡方案进行了调整，则系统会自动设计和纵坡方案调整有关的横断面，同时计算确定相应的土石方量。独立指的是所有视窗中的绘图区域与图形比例都是完全独立的，不会由于在同一视窗中进行交互操作而对其它视窗图形造成影响[1]。

1.2 设计功能

（1）交替设计。可自由切换至所有视窗，完成相应的设计任务，比如在平面设计中能随时切换至纵断面视窗完成拉坡设计。这与路线设计要求和特点完全相符，当对某一个方面，比如平面线位实施修改后，需要对横纵断面也做相应的修改。

（2）关联设计。由于视窗相互关联，所以能使从事于某个方面的设计同时考虑到其它方面，比如在平面视窗中进行线位调整能自动使纵断面视窗对应的地面线发生变化，而对纵断面视窗中纵坡进行调整后能使横断面自动开始重新的设计[2]。

（3）信息查询。对相关图形进行实时显示并提供信息查询功能，包括各桩号的横断面信息、土石方量信息和技术指标，能判断交互操作是否合理，进而使方案的优化调整更具备针对性。

在开发以上功能之前，应按照平面和横纵向实施，再通过对实体和命令间相互关联相应的设置与信息查询把平面和横纵向充分联系到一起，以此实现一体化设计。在实际的开发进程当中，可借助通知技术与响应器完成。其中，响应器主要对路线设计中发生的事件进行观察与监视，目前有很多种类型的相应器可供使用，不同类型的响应器对应不同响应事件，如表1所示。而通知技术是一项技术，在创建实体的过程中，能向实体附加响应器，使不同实体实现相互关联。如果设计人员对实体进行了修改，则响应器将自动响应[3]。在响应器响应后，通过对ID号的读取，执行之前就设置完成的操作。比如，在平面交互设计过程中，可在建立平面线元这一实体的基础上，通过对响应器的附加和纵断面对应的地面线相互关联，此时如果设计人员对某个平面线元进行了修改，则响应器能立即自动开始地面线修改，包括点绘与重新插值。

2 公路路线可视化设计

以过去的二维设计为基础，使路线设计达到可视化。近几年，很多研究人员开始对公路工程三维显示与动画制作进行研究，形成了一条公认可行的思路，即：基于Auto CAD借助编制程序生成公路的三维模型，然后使用处理软件得出公路的三维动画。这一方法看似简单可行，但实际上存在很多问题，比如，因公路的三维场景涉及到极其复杂且庞大的数据，所以上述过程必然要消耗很长的时间与大量空间，所以该方法尽可以在设计成果浏览中使用，无法在具体的设计过程当中使用；在生成了公路动画之后，仅可以按照之前设定好的路径进行浏览，无法修改，致使设计与决策人员变成被动受众，丧失了主动权。针对以上问题，最新研究成果引入了三维实时交互式仿真技术，同时以Open GL为基础开发出新的三维平台，该平台可以对公路路线进行三维显示，而且还能实现交互式漫游[4]。采用这一全新三维平台，能有效解决以下三方面问题：第一，对公路路线进行三维场景建模；第二，对建成的三维模型进行视相关简化；第三，进一步提高图形绘制成果及动画的真实感。

2.1 维场景建模

因公路工程的三维场景十分复杂，所以只用一种曲面根本无法一次性详细的描述模型，基于此，借助分割与归并相结合的方法，把三维实体分割成两类，即现状景物与虚拟景物。对于现状景物，它指的是现实当中已经存在的景物实体，如地形和地物；而虚拟景物指的是正处于规划设计状态的实体，如桥涵、隧道和路基，根据不同子实体自身具有的特点，对相应的三维造型途径进行分析研究，最后对不同的子实体进行拼合，以形成完整的整体。为达到无缝拼接，可引入以下计算方法：首先，对拼合交线进行计算，对横断面上坡脚点进行相互连接，同时在桥隧的起点和终点断面上实施封闭，以此形成多个闭合环；然后，在DTM当中嵌入计算好的拼合交线；第三，在由嵌入后的拼合交线形成的区域当中植入病毒，由病毒对这一区域中所有三角形进行吞噬；最后，对完成裁剪的地形和道路模型进行拼合，形成完整的模型。以上方法不仅计算过程十分简单，能在提高实际的建模效率和精度基础上，降低实现的难度[5]。

2.2 模型简化

采用以上方法建成的模型有一定复杂度，若没有处理，设计中要等候很长时间才可以对三维动态效果进行浏览。对此，为实现实时浏览目标，应采取有效算法来简化模型，从而提高计算效率与绘图速度，并能减少对存储空间的占用。简化可从下列三个方面入手：第一，以地形特征为基础进行简化，在地形相对平坦的地区，采用较少面片数，而在地形相对复杂的地区，采用较多面片数。对于地形复杂程度，以电和平均平面之间的距离为依据判断；第二，截取视见体，虽然公路场景十分复杂且庞大，但可见范围固然有限，基于指定视点，对视野中的场景进行描述即可，其判别的方法主要为包围球法；第三，采用细节层次技术，根据人体视觉具有的特点，针对视野范围中不同景物从不同细节层次入手进行描述，和视点相距较近的进行较密细节描述，而和视点相距较远的进行较粗细节描述。基于此，在累进网格技术支持下，提出一种以边折叠为基础的简化算法，该算法的步骤为：首先，以地形的特征为依据确定所有边折叠的集合，并将原始的网格简化成基网格；然后，利用操作集合建立网格顶点对应的合并树，也就是形成层次结构；最后，根据视点的具体位置与视线方向，结合视相关准则，开始边折叠，也可进行点分裂。完成以上操作中，即可在层次结构当中确定当前细节层状技术网格[6]。

2.3 图形的绘制和动态显示

在完成建模和简化后，开始光照模拟及纹理映射。为保证立体效果，并减少计算量，可采用专门的光照模型。完成光照模拟后，可以生成在视觉上十分光滑的表面，然而，因对细节的模拟还比较缺乏，所以模拟结果和真实的场景之间有很大的差别。在这种情况下，有必要引入纹理映射。根据实体属性，可以把纹理图片分成以下两类：第一类为自然纹理；第二类为虚拟纹理。其中，自然纹理可在现状景物中使用，先通过数字摄影测量获得正射影像，以此作为地表上的真实纹理，最后映射至数字模型中；而虚拟纹理可在虚拟景物中使用，可直接根据实物的照片获得。完成以上操作后，借助Open GL自带双缓存技术即可对场景进行动态浏览，也就是利用硬件和软件实现缓存，提供两种不同的颜色。在一个显示以后，另外一个正在进行绘图。绘图每完成一帧都进行一次缓存交换，将显示帧缓存主要用于绘图，而绘图缓存则用于显示，以此达到理想的动画显示效果[7]。

3 结语

综上所述，按照以上原理研发的一体化和可视化设计已经在很多公路工程得到使用，通过对这一设计方法的应用，设计人员能在路线设计中对所有修改方案对应的三维效果进行浏览，从而为线形设计中的评价、环评、安全评估等工作提供可靠依据，使以往的二维设计变成三维，使静态设计变成动态，在保证设计质量的基础上，提高设计效率。