基于三维GIS的道路工程快速三维建模

第 3 9卷 第 1 期 2 0 1 4 年 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 9 No 1 F e b 2 0 1 4 基于三维 G I S的道路 工程快速三维建模 刘 钊 施洪 刚 张 涛 王永 红 童 念 陈景 星 1 清华大学 地球空间信息研究所 北京1 0 0 0 8 4 2 中国建筑股份有限公司 北京1 0 0 0 8 4 摘要 长期以来 三维 G I S等相关技术与工程设计 的结合并不紧密 工程设计人员经 常利用部分 商业组件 自主研发三维系统 费时费力 随着三维 G I S技术 的进步 目前 商用 三维 G I S软 件已经能够 基本满 足工 程设 计 的 一 些需求 利用商业三维 G I S 使用道路工程 的设计数据 讨 论分析 了快 速重现三维道路 的方法 和技 术 取得 了较 好 的效果 关键 词 组 件 G I S 道路 三维建模 中图分类号 U 4 1 2 3 6 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 2 0 1 4 0 l 一 0 2 0 8 0 4 Qu i c k Mo d e l i n g o f R o a d B a s e d o n C o mme r c i a l 3 D GI S LI U Zh a o S HI Ho n g g a n g ZHANG Ta o W ANG Yo n g h o n g TONG Ni a n CHEN J i n g x i n g 1 I n s t i t u t e o f G e o s p a t i a l I n f o r m a t i o n T s i n g h u a U n i v e r s i t y B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 C h i n a 2 C h i n a S t a t e C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 C h i n a A b s t r a c t F o r a l o n g t i m e t h e 3 D G I S i s n o t c o u p l e d w e l l w i t h t h e e n g i n e e r i n g d e s i g n d e s i g n e r s a n d e n g i ne e r s o f t e n de v e l o p t t h r e e d i me n s i o n a l s y s t e ms i n d e p e n d e n t l y t h i s b e h a v i o r h a s wa s t e d a l o t o f t i me a n d ma n h o u r s W i t h t he d e v e l o p me n t o f 3D GI S t e c h n o l o g y c o mme r c i a l 3D GI S s o f t wa r e ha s be e n a b l e t o me e t s o me o f t h e b a s i c n e e d s o f t he e n g i n e e r i n g d e s i g n wo r k I n t h i s p a p e r we di s c u s s a q u i c k me t h o d s a n d t e c h ni qu e s t o r e p r o d u c e 3 D r o a d b a s e d o n 2D d e s i g n d a t a o f r o a d b y t he c o mme r c i a l 3D GI S s o f t wa r e Ke y w o r d s 3 D G I S r o a d m o d e l i n g 0 引言 随着计算机技术 的进 步 科学计算可视化 V i s u a l i z a t i o n i n S c i e n t i fi c C o mp u t i n g 在 工 程 应 用 领 域 扮演着越来越重要 的角色 道路工程 的三维 仿真是该技术在公 铁 路建设项 目中的应用 是将 二维的平面设计 数据转换为三维 的虚拟环境 的理 论 方法与技术 相对于二维平面 三维环境提供了 更加真实的漫游场景 可以为工程项 目的决策者 设 计人员等众多参与者提供直观三维立体印象 道路 工程的三维仿真 通常 比一般的三维仿真需要更高 的精度 早期的普通商用 G I S软件不能满足需求 技 术人员经常 自主研发仿 真系统 以满足需求 这 样 的 系统 开发 门槛较 高 周 期 较长 通常 只适 合某 个 特定的项 目 应用不够广泛 随着三维 G I S的发展 目前常见的商业 G I S软件 见表 1 其三维功能 日 趋完善和成熟 我们 已经可 以直接利用这些商业软 件 对道路工程进行较为精细的三维仿真 表 1 常见商业 GI S软件比较 Ta b l e 1 Co mpa r i s o n o f c o mmo n c o mme r c i a l GI S s o f t wa r e 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 0 作者简介 刘钊 1 9 6 7 一 男 江苏扬中人 副教授 主要研究方向为地理信息系统理论与应用 遥感数 据处理 及应用 等 第 1 期 刘 钊 等 基 于三维 G I S的道路工程快速三维建模 2 0 9 1 快速建模 的基本原理 2 基 于三维 GI S的快速建模 道路三维模型的建立 是一个非常复杂的过程 海量的数据 繁杂多样 的数据种类 为三维建模带来 很大难题 如果三维场景的整体建模 三维效果会更 好 但在实际工程 中 经 常出现需要反复修改 添加 和删除要素的情况 使得整体建模的方案弊大于利 目前 主 要使 用 的 是 分 割 一归 并 思 想 本 文 在 文 献 的基础上进行 了优化 具体方法 如下 见 图 I 道 路 符 号 和 附 属 物 道 原 I 数 字 影 像 路 数 始 1 桥 隧 等 附 属 物卜 据 维 数 拼 整 虚 据 新 的 地 形 厶 拟 1道 路 三 维 模 型 卜 口 口 计 模 型 环 算 境 原 始 地 形 模 型 卜 图 1分 割 一归并方法示意图 Fi g u r e 1 Di v i de d Me r g e Me t ho d Di a g r a m 在上图 中 原始 数据包含测量数据成果 原始 地形数据 数字影像 和设计数据成果 道路的三维 模型 桥梁隧道等构造物 两个部分 其 中 原始地 形数据指的是矢量数字地图 目前数字地图的制图 以依托 A u t o C A D的 C A S S软件为主要手段 格式是 常见的 C A D格式 数据 如 D WG格式等 数字影 像是指经过处理 的卫星 航空影像 常见格式为 j p g 和 t i f 其对应的坐标文件格式为 j g w和 t w f 道路三 维模型指的是道路设计 中线 横断面和纵断面等设 计数据 常用 C A D格式 桥梁隧道等附属物指的是 与道路相关的构造物 通常由 C A D设计得到 道路 三维符号和附属物 指的是在系统 中根据设计数据 快速生成的道路 3 D符号 分割一归并方法 的基本思路是 道路 桥梁 隧 道等由于对实际地形有一定 的改造 所 以其设计数 据应该按照一定的法则与原始地形进行拼合计算 最后叠加数字影像 为道路设计中线 匹配三维线性 符号 最后得到道路三维虚拟仿真效果 有 的学者 推荐采用孑 L 斯曲面模型 来模拟道路模型 这种模 型的优点是能够获得 比较平滑 的效果 不过在一般 情况下 也可以使用一般的面或者点集数据来代替 缺点是精度稍低 本文使用数据为刚果 布 国家 1 号公路二期工程的 P K 5 4一P K 7 8 k m段工程相关 数 据 进行道路工程三维虚拟环境的快速构建 2 1 数 据 的初 始 化 目前商业三维 G I S软件系统所支持的数据格式 非常广泛 但是为了提高系统运行效率 导人系统以 U D B和 U D D格式存储 调用 在 导人前 可以按 照 上节推荐的 5类数据新建数据 源 地形数据 D WG 格式建议 以简单数据 形式导人 系统 分别生成点 线 面 注记数据集 这样做是为 了方便在 系统 中对 数据进行分类编辑 导人完成后需要设 置相应的投 影方式 本文选择 U T M南 3 3度带投影 数字影像 如果有多个文件 可以批量导入 但是与地形数据不 同的是 影像在导人时 必须与其坐标信息文件同时 导人 这样便于坐标的统一 随后会 自动生成多分辨 率影像金字塔模型 由系统分级管理 道路中线的设 计数据按照地形数据 的方法按照简单数据集导入 同样生成 4组数据集 分别为点 线 面 注记数据 集 2 2 建 立三 维地 形模 型 地形模型主要 由原始地形数据 道路模 型和桥 隧数据拼合生成 本文 中由于不涉及隧道模型 且 桥梁对地形的影响较小 所 以只考虑原始地形数据 与道路模型的拼合 在三维场景中 使用 D E M叠加 影像数据 可以加快数据的调用效率 所 以这里的地 形数据 建议生成 D E M 的栅 格数据 D E M 有两种 生成办法 一种是先生成 T I N再转为 D E M 一种是 由点线面数据直接生成 D E M 这两种方法中前者的 模拟精 度更 高 但 是 准备过 程较 为复 杂 根据 文 献 的推荐 本文首先利用道路中线计算 出道路的 影响域 生成一个 面数据 挖除 面域内的原有地 形等高线数据 然后 填人路基的点数据集 由道路 中线 设计 数 据 生 成 这 样 就 形 成 了 由地 形 数 据 和 路基点数据集组成 的混合数据 这样 无论用哪一种 方法生成 D E M 都可以按生成新的地形模型 为叠 加数字影像和其它构造物奠定了良好的基础 需要 注意的一点是 由带状地形生成 D E M 需要根据带 状地形的形状制造一条闭合 的约束线如图 2所示 使得带状地形模型被严格限制在一定的范围内 2 3叠加数 字影 像 与构造 物 本文所使用 的数据是 0 5 m分辨率 的正射影 像 在将前面生成 的数字地形模型以 地形 模式载 人三维场景后 可直接将数字影像批量载人 对于带 状影像周围的白色区域 只要将 图层风格设 置为透 明 即可 完全 消除 叠加 后 的数字 影像 会按 照坐标 自 第 1 期 刘 钊 等 基 于三维 G I S的道路工程快速三维建模 2 1 1 低 周期短等显著特点 由于商业软件普遍具有良好 的开放性 和对各类数据格式的良好支持 使得各类 地形数据 设计数据得 以在三维 G I S软件 中快速重 现 在最大限度使用既有软件 的基础上 对道路工 程进行快速三维建模 的方法更加简便 快捷 易于修 改 紧密贴合 了工程项 目的实际情况 本文以刚果 布 国家 1 号公路二期工程的 P K 5 4至 P K 7 8公里 段工程为实验数据 对道路工程快速三维建模方法 进行 了验证 取得 了较好效果 可以预见 随着三维 G I S的进一步发展 工程设计 与 G I S的结合将会更 加方便快捷 2 3 参考文献 朱庆 陈楚江 不规则三角 网的快速 建立及其 动态更新 J 武汉测绘科技大学学报 1 9 9 8 3 1 8 2 1 杜红 星 周 安荔 三维 可视 化铁 路 选线 辅助 设计 系统 研 究 J 铁 道工程学报 2 0 0 4 1 4 8 5 1 蒲浩 宋 占峰 詹 振炎 铁路 线路设 计 中三 维实 时交互式 仿 真研究 J 中国铁道科学 2 0 0 3 5 5 7 6 1 4 葛根荣 铁路选 线三 维联动可 视化 C A D系统 的开 发与 应用 J 铁道勘察 2 0 0 5 4 1 3 5 张吴 基于 O S G的道路三维实时交互式可视化技术研究 D 长沙 中南大学 2 0 1 0 6 王茂文 基于 G I S可视化 平 台的高速公路 建设形 象进度 系统 开发 J 公路工程 2 0 0 9 0 3 1 7 0 1 7 4 7 王丽园 陈楚 江 余绍 淮 等 激光雷达 与数字 化道路 C AD 设计协 同的研究与应用 J 公路工程 2 0 1 I 0 4 7 6 7 9 8 刘瑛 刘国民 公 交优先仿 真系统概念设 计 J 公路 工程 2 0 1 2 O 1 1 2 0 1 2 2 9 蒲浩 宋占峰 詹振炎 基 于 De l a u n a y三 角网数 字地面 模型 的路线三维建模方法 J 铁道学报 2 0 0 1 4 8 1 8 7 1 O 王茂文 公 路三维 实时交 互式可视化技术 研究 J 公 路工 程 2 0 0 9 0 2 1 6 1 1 6 4 1 1 朱照宏 王国强 杨东援 道路 机场 C AD系统三维工 程设计 模型研究 J 同济 大学学报 自然科学 版 1 9 9 6 4 3 8 6 3 91 1 2 张振平 S u p e r Ma p环境下 铁 路路基 三维 可视化 D 石家 庄 铁道学院 2 0 0 8 上接第 2 0 7页 两侧不封闭形式 便于清理落石 填土 坡顶与墙顶水平 顶部宽度 1 5 m 填 土斜 坡 坡 比 1 0 7 5 材料 墙后回填料采用碎块石 卵石含量约 3 0 的粘 性土 并分层夯实 压实系数大于 0 9 4 结语 本文针对理县看守所后山存在的崩塌地质灾害 隐患 进行了斜坡整体稳定性和危岩局部稳定性分 析 提 出了有效的崩塌综合治理措施 并在依托工程 中成功实施 并可从 中总结出以下几点经验 崩塌治理必须做到一劳永逸 彻底根治 崩塌治理要 以控制崩塌整体及 局部稳定为 主 不产生危及人员 财产安全的次生地质