铁路线路三维模型可视化建设研究

包头铁道职业技术学院 李志祥 杨育林

铁路建设是我国社会经济发展的重要任务之一，以信息化技术为基础，结合互联网技术、图像技术与地理信息技术，通过三维可视化的方式来呈现铁路线路场景，创建铁路信息化云平台是未来铁路行业发展的主流趋势。本文基于三维GIS理论与技术，分析了三维可视化的独有优势与铁路线路三维模型可视化建设的意义，配合线路横、纵断面数据，研究了铁路线路三维可视化建模的流程方法。在建模工程中根据线路工程物特点与建模过程，对模型复杂度与建模流程进行了简化，由此提高了模型显示效率，减少了建模周期。

可视化技术是利用信息技术与图像技术，通过计算机软硬件将数据以图像形式呈现在屏幕上，模拟仿真现实场景并具有交互功能的技术。随着可视化技术与3S（GIS、GPS、RS）技术的不断发展，数字城市、数字交通等构想相继被提出，数字化引起了科技界、地理学界，尤其是交通界的极大关注。铁路建设是我国大型基建项目，为了顺应信息化社会的发展，融入地理信息系统（Geography Information Systems，GIS）技术，建设信息化铁路地理信息系统已迫在眉睫。基于三维可视化技术与地理信息技术，对应用程序进行科学开发，提供直观的三维虚拟线路场景，能了解线路全线相关信息，并且可为工作人员提供空间分析功能，为管理部门提供可视化平台，这对铁路建设具有极为重要的现实价值。

1 三维可视化的独有优势

三维可视化的核心原理是借助可视化方法辅助完成线路设计，在建模过程中提高线路设计的经济性并增加服务年限。对于传统线路的二维设计，一般要多考虑线路设计要素，并且在过程中也要对线路平纵横的关系进行反复调整。由此可知，二维设计是创建于与上版线路方案比较的基础之上，在对比中进行线路方案优化。与二维设计不同的是，三维可视化能凸显高水平的高效化与多样化，并且也从整体上降低了线路设计的难度。纵观当代中国铁路线路设计，应依靠可视化措施实现线路选线设计，从而从整体视角来提高线路设计全程效益。现如今，信息技术手段正在逐步融入各大线路调整优化中，基于信息技术的可视化设计对二维设计进行了有益完善与优化，由此彰显了三维可视化的独有优势。

2 铁路线路三维模型可视化建设的意义

在铁路建设中，将地理信息技术、图形技术与信息化技术充分结合在一起，发挥三者的资源优势，对铁路线路进行全方位的三维可视化建设具有重要的意义。首先，可以提供决策支持。传统铁路信息管理对三维信息建设几乎很少涉足，利用铁路线路数据，通过计算机创建整体化的铁路沿线三维模型，从而实现铁路线路的全景三维可视化，展示铁路沿线景观。其次，能够通过地形分析创建铁路灾害规避机制。在数字地面模型与高程模型的飞速发展下，地形分析打破了传统二维平面的束缚，能够从信息化地形模型中提取信息，可充分了解铁路线路地形特点，为一些可能出现的灾害创建规避机制。

3 铁路线路三维可视化建模流程

3.1 采集铁路线路三维可视化建模数据

铁路线路三维可视化建模的内容较为繁杂，基本可以分为几何数据与业务数据两种类型。几何数据主要指的是线路数据与工程物数据；业务数据主要是指部门业务数据与工程物属性数据。几何数据采集包括线路设计数据采集与工程物参数采集，例如线路设计的横纵断面、信号灯尺寸；业务数据采集包括线路构筑物属性采集，例如桥梁里程的修建年限数据等。在铁路线路三维可视化建模之前，要先对三维可视化所需的必要数据进行科学筛选与整理。

3.2 自动提取铁路线路中心线

三维空间线是铁路线路中心线的空间表现，在线路设计过程中，其在水平面上的投影便是平面线，主要包括圆曲线、缓和曲线以及直线。圆曲线指的是线路中的圆弧路段；缓和曲线指的是在直线与圆曲两大路段间的连续变化曲线。纵断面设计线即为沿中心线竖直剖切得到的中心线投影，其主要有竖曲线与直线构成。在构建线路中心线的过程中，基于平面线与竖曲线，科学计算线路平面坐标与高程值，通过程序完成中心线三维拟合。在铁路线路三维可视化建模时，如果能快速确定中心线，并根据横断面数据即可构成三维模型，所以在三维可视化建模过程中，生成中心线可以理解为重中之重。生成中心线虽然能够从纵断面与水平面的相关数据匹配而出，但由于路段过长及地形影响，线路的空间表现并不是直线，而呈现为三维空间曲线，采用旧式建模方式的工作量便会非常大，同时由于曲线与坡度等不可抗拒因素，难度也会相应增加。而通过信息化技术，将复杂计算完全交给计算机，便可极大减少三维可视化建模时间，同时也能提高中心线构造效率。

3.3 铁路线路三维可视化建模内容

第一，路基三维可视化建模。路基三维可视化建模是线路整体三维可视化建模的基础工作。基于地形差异，现实中的铁路路基主要包括路堤与路堑两种形式，也就是所对应的填方与挖方。对于铁路轨道而言，路基工程是一种带状的基础建筑，处于线路结构下部，事关铁路的安全运行。在实际操作过程中，路基三维可视化建模的顺序可概括为利用Auto CAD二次开发的中心线为路径，路基横断面为具体对象，通过扫掠形式进行三维可视化建模。需要强调的是，应对路基三维可视化模型进行一定的贴图纹理处理，这样会让效果更加真实。

第二，轨道三维可视化建模。轨道表达一般通过里程、坡度、坡长、股道长度等要素进行空间位置描述。在铁路轨道三维可视化建模过程中，应重点关注四方面内容：其一，曲线表内容应包括轨道曲线的空间与属性信息，三维可视化建模时要有效利用表中信息，即轨道空间位置与几何数据；其二，坡度表要对轨道中坡度断的空间与属性信息进行科学记录；其三，钢轨表同样记录了钢轨空间与属性信息，根据三维可视化建模所需，也应从表中合理提取建模所需的几何数据与位置信息，从而为建模提供便利；其四，道床表对道床材质进行了相关描述，并记录了道床信息，在三维可视化建模时可将其当作纹理依据。除此之外，从钢轨参数所得的钢轨横断面，从轨枕参数所得的轨枕三维可视化模型，基于中心线通过阵列与扫掠的形式创建轨道整体三维可视化模型。

第三，桥梁三维可视化建模。在铁路线路工程中，桥梁设计的主要目的在于克服低洼地段以及跨度大的地理因素。铁路线路桥梁设计的类型较为多样化，一般多为钢制、混凝土制，三维可视化建模的过程中要根据各类型的桥采用具有差异化的建模方法。对于桥梁建模而言，桥梁位置应由中心里程决定，在几何数据之外，还要包括桥梁的属性信息。混凝土制的桥梁能够根据桥面性质寻找到具有显著代表性的横断面，依次将横断面连接在一起便得到桥面三维可视化模型；钢制的桥梁桥面一般由钢板与特种钢相连而成，所以对于钢制桥的三维可视化建模其实就是对钢板与特种钢的三维可视化建模。在桥面模型的三维可视化建模完成之后，再逐步构建出下部结构便可完整构建桥梁整体的三维可视化建模。

第四，隧道三维可视化建模。在铁路线路工程中，隧道设计的主要目的在于克服高程障碍与避开非良性地质。隧道一般由洞门、防排水设施、道床等构成，隧道三维可视化建模的重点在于道口建模，在道口三维可视化建模过程中，需要对道口仰坡进行格外关注。

第五，信号机三维可视化建模。信号机具体是指在站场通过灯光颜色与灯光数目的变换，向行车工作者指示运行条件的一种视觉信号设施。信号机对列车运行安全与强化调度效率而言具有重要价值。一般情况下，信号机主要由信号机构与机柱所组成，除了外在的信号灯之外，还有椭圆背板与半圆遮檐。在铁路线路三维可视化建模过程中，可具体根据线路数据来对信号机位置进行确定。

结语：随着互联网技术、图像技术与地理信息技术的飞速发展，可充分结合地理信息在三维数据中的实时获取、空间分析等技术研究成果来建设完善场景更大、内容更丰富的信息化铁路管理系统。铁路线路三维模型可视化建设的内容丰富多样，建模时要考虑线路设施模型特点，集中使用优化模型减少多余的多边形，减少表达不可见内容等方法，从而提升场景显示效率。与此同时，运用自动建模也可大大增强建模效率，减少建模时间，在具体三维可视化建模过程中应根据真实建模内容，尽可能提高编程建模的使用率。