公路路线设计的一体化与可视化研究

(整期优先)网络出版时间:2021-12-01
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公路路线设计的一体化与可视化研究

王雪

烟台鲁路公路技术咨询有限公司 山东烟台 264003


摘要:从一体化的设计思路、一体化界面的创建和一体化功能的实现等方面,分析了公路路线一体化设计方法,在此基础上,论述了公路路线可视化设计要点。在路线三维可视化设计时,可结合一体化设计,以此来提高设计质量和效率,使设计出来的公路路线更加符合行车舒适性和安全性的要求。

关键词:公路;路线设计;一体化;三维可视化


0.引言

现阶段,在公路工程路线设计中,可以运用CAD系统,对路线平、纵、横进行一体化设计,由此除了能够使选线设计过程得以简化外,还能为路线三维模型的构建提供技术参数。因此,公路路线一体化设计是三维可视化设计的重要前提和基础,而三维可视化设计的动态仿真特性,能够使二维设计中存在的缺陷和不足得到弥补,从而达到相辅相成的效果,路线设计质量随之提升。借此就公路路线设计的一体化与可视化展开分析。


1.公路路线一体化设计方法

1.1一体化设计思路

在公路路线一体化设计的实现过程中,设计界面是不可或缺的重要因素,通过在界面内开设多个视窗,对路线的平、纵、横三个面分别显示,窗口可随意切换,位置及大小均可调整,各个窗口彼此独立,相互关联[1]。某个视窗内的图形操作,会在另外的视窗中得到响应。如,当路线的平面位置修改后,纵断面视窗会生成与之相应的地面线;又如,当纵坡方案调整后,横断面视窗会根据纵坡方案设计相应的横断面,在此基础上,通过计算,准确得出土石方量,为工程建设提供指导。依托路线一体化的多视窗显示,能够实现以下功能:关联设计、交替设计、信息查询等。

1.2创建一体化界面

在实现路线平、纵、横三个面集成于同一个界面下显示的途径有以下几种:利用多视区、多文档界面等。

1.2.1多视区

显示图形的区域被称之为视区,形状为矩形,当视区缺省时,作图区便成为视区,可在该区域内对图形进行绘制及显示。依托CAD的相关命令,可建立多个视区,各个视区能够分别显示图形不同的部分。基于此,在一体化设计中,应将路线的平面图、纵横断面图置于一个图形中,以界面中不同的视区,显示图形的各个部分。按平、纵、横的几何关系,在三维空间内生成立方体块,选取三个面作为路线的平面、纵断面和横断面显示视区。比如,用立方体块的顶面显示路线的平面图、左侧面显示纵断面图、右侧面显示横断面图。以多视区的方法创建路线的一体化界面,过程较为简单,易于实现,能够使设计得以简化。

1.2.2多文档

CAD具备MDI(多文档)功能,能够在单次启动任务中,同时开启多个图形文件。具体的实现方法如下:输入要创建的窗口数量,一般情况下,以4个为宜,通过循环的方式调用各个窗口;对视窗命名,可采用系统遍历所有文档的方式,也可采用逐个激活文档视窗的方式;设置关联,为视窗间的切换提供条件,以便系统直接调用[1]

1.3一体化功能的实现

通过一体化界面的设计,是路线平、纵、横的对比显示能够在同一个界面内实现,之后需要解决的主要问题是与路线位置调整相关的交互命令。依托一体化设计思路,从平、纵、横为立足点,设置命令间的关联及查询模块,使平面设计能够兼顾横纵断面设计,真正意义上的实现一体化设计。相关功能的设计与实现方法如下:

2.公路路线可视化设计要点

路线的可视化设计主要是对三维可视化技术的应用,包括设计过程可视化和设计成果可视化。通常的做法是用CAD建模,并将模型导入3DS MAX中,经过渲染、着色后,制作成动画。公路路线的三维场景复杂程度相对较高,构建的三维模型中所含的面片少则几万,多达数百万,路线越长,数据量越大。设计人员通常要等待很长的时间,才能够浏览到路线的三维动态效果,这种常规的方法,实际上仅能实现公路路线设计成果的可视化。而路线设计中,设计过程可视化的作用要远远高于成果可视化。路线设计过程的可视化,是对三维场景的实时动态显示,它的实现要运用到如下技术:三维模型简化、图形绘制、计算机动画制作等[2]

2.1模型简化

路线三维可视化模型的复杂程度比较高,由此使得路线设计中,三维场景的算、显、存等环节,不但耗时长,而且会占用非常大的空间。虽然图形工作站等高档计算机系统可以作为复杂路线模型问题的解决方法,但从实际应用来看,却无法完全解决。基于此,为使上述问题得到有效解决,可以运用三维模型简化的方法。路线三维模型之所以复杂,是因为面片、边、顶点的数量较大,通过简化,使这些数量减少,从而达到降低模型复杂程度的目的。

2.1.1简化方法的选取

三维模型简化方法的种类较多,如渐近网格法、超面方法、逐步求精法、几何简化法、顶点删除法等。路线三维模型中复杂程度最高的一个部分是地形模型,可将之作为模型简化的主要对象,依据地形模型的特点,选择顶点删除法作为该模型的简化算法。该简化方法的原理如下:从原始点集合中选取出与视点相关的有效点,按误差测度对这些有效点排序,随后开始迭代,将候选顶点序列中代价最小的删除,最后对顶点移除后的空洞做三角剖分。

2.1.2选有效点

在路线三维模型简化中,可将视见体的大小作为有效点选取的主要依据,针对有效点展开后续计算,以此来达到简化操作的目的,模型简化过程的计算量随之减少,网格存储需求随之降低,处理与显示速度提升。视见体为锥体,共有6个面,可按视点坐标及锥体的张角,求出各个面的方程。地面模型构建时,为地形点赋予了空间栅格索引功能,并按网格对各点进行存储,利用索引机制,能够在相对较短的时间内,找到有效网格,从中可以提取出地形点的集合。为避免有效点在提取的过程中发生遗漏的情况,可在现有的基础上将有效网格的范围增大[3]

2.1.3误差测度

在误差测度计算的过程中,要先对有效点集合进行遍历,随后采用逐点的方法完成计算,误差度量选取平面距离的平均值。这种误差测度方法具有计算速度快、内存消耗小等优点,最终获取到的简化网格质量较高。

2.2路线图形绘制

在公路路线三维可视化设计中,绘制具有真实感的路线图形是核心,通过相关绘制技术的运用,能够起到实物模型的效果,减少人财物的耗费,路线设计成本随之降低。利用真实的视图对设计成果进行表达,更加便于理解和认识。路线真实感图形的生成步骤如下:依托数学方法,建立与路线三维场景相关的几何描述,该环节可借助模型简化技术来完成;对三维几何描述加以转换,利用场景透视变换,使其变成二维透视图,随后运用隐藏面消除算法,确定出场景内全部的可见面,并将不可见面从场景内消去。


3.结论

公路路线设计是一项复杂性非常高的工作,在具体设计中,为提高设计质量和效率,可对一体化与可视化技术合理运用。在路线设计中,综合考虑平面、纵横断面,使三者形成整体,设计平面时,兼顾纵断面与横断面,确保彼此之间紧密联系。三维可视化模型的运用,能够实时动态显示设计过程,结合一体化设计,可实现对路线设计方案的优化调整,设计出合理的线形,为公路建设提供有利条件。


参考文献

[1] 陈龙昌. 基于环境选线原则的公路路线设计方法研究[J]. 四川建材,2021(9):165-166.

[2] 吴翼虎. 基于层次分析法对山区高速公路路线设计方案评价模型的构建与研究[J]. 公路,2021(4):56-61.

[3] 顾正欣. 高速公路路线基于行车舒适性的优化设计要点和方案[J]. 黑龙江交通科技,2021(2):200-201,203.