公路路线设计的一体化与可视化技术研究及应用

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　　摘  要：文章解析当前公路路线设计的痛点基础上，提出一体化及可视化技术的解决方案，通过分析一体化及可视化技术所需的关键技术和实际运用，提升公路路线设计的效率和精度，全面提高勘察设计质量。
　　关键词：公路;路线设计;一体化;可视化;三维模型
　　中图分类号：U412.3        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）06-0179-02
　　Abstract： Based on the analysis of the pain points of the current highway route design， this paper puts forward the solution of integration and visualization technology， andanalyzes the key technologies and practical application of integration and visualization technology， so as to improve the efficiency and accuracy of highway route design and improve the quality of survey and design in an all-round way.
　　Keywords： highway; route design; integration; visualization; 3D model
　　当前在公路设计中，大部分基于AutoCAD平台进行二维的设计模式，而公路是一个带状的三维实体，公路路线设计不仅仅是公路的几何设计，需注重平面、纵断面、横断面三者的组合设计，并同环境、用路者的感受相协调，同时路线方案是一个不断优化的过程，通过三维虚拟模型予以检验。常规的二维设计难于实现以上功能需求，因此提出基于过程的公路路线设计的一体化和可视化的研究及应用。
　　1 公路路线设计现状痛点分析
　　现在公路设计在AutoCAD平台上，利用基于CAD二次开发的道路设计软件进行，相对于传统的手绘图时代，依靠人力和个人经验来完善设计方案，设计质量和精度有明显改善。现在公路设计中，首先利用外业勘测回来的地形图进行公路路線的平面拟定，然后构建建设场地的曲面4D模型，利用曲面数字模型获取拟定平面的纵地面及横地面线高程，之后根据平面各节点的控制填高进行纵断面拉破设计，在纵断面设计完成后根据平面处的建设条件、纵断面填挖高度进行横断面带帽设计，最后完成平面、纵面和横断面设计，计算工程数量和工程造价，整个过程循序渐进。公路是一个三维带状实体，寻求的是平面、纵断面和横断面组合系统最优，而公路平面设计是与纵断面、横断面息息相关的，三者任何一点细微的变化都相互影响，当发现某些段落工程规模偏大、路基填挖过大或者受建设条件限制需要优化路线方案时，则需要从路线平面拟定开始，不断的重复以上过程，直到得出最优方案。但在复杂地区公路设计中，公路路线方案是不断优化的过程，显然现状的优化过程效率低下，反复的循环容易人为的疏忽平纵横某个点，设计方案难于达到最佳。
　　2 一体化与可视化是公路路线设计的必然选择
　　在当今“互联网、物联网、人工智能、超级计算机”时代，需要用计算机技术革新来解决现状公路路线设计的痛点。在进行平纵横任一设计过程中可以平行查看或调整其他两个，交互式任意切换，信息共享，避免重复设计过程，平纵横一体化技术可以实现功能需求。平纵横设计一体化在AutoCAD平台，在地形图上进行路线方案拟定，利用数字化地面4D模型实时动态切剖纵地面线和横地面线，在优化平面时可以实时动态查看中桩的填挖和横断面形式占地边坡高度，优化纵断面时可以查看平面处的建设环境和横断面形式占地边坡高度，横断面带帽设计中可以查看平面的建设环境和中桩填挖情况，发现横断面设计不合理，可在同一工作平台上调整平面或纵断面，实时动态获取对应的帽子地面线，寻求方案的最佳。在公路平面设计完成后需要检验设计成果的最优性，在与环境、用路者的感受协调上，通过三维虚拟模型予以检验，可视化技术平台实现设计成果的过程检验，实时查看与环境的协调性。通过营造公路纵横一体化可视化设计可以大大的提高公路路线设计的效率，加强公路路线设计在整个公路项目设计的龙头引领作用，提高公路勘察设计的质量。
　　3 如何实现公路路线设计的一体化与可视化
　　3.1 数字化地面4D模型
　　对公路项目设计而言，数字化地面曲面4D模型（主要由DOM（数字正射影像图）、DEM（数字高程模型）、DRG（数字栅格地图）、DLG（数字线划地图）以及复合模式组成）的应用十分必要。通过运用数字形式展现地形、地物情况，并依据外业调查收集的气象水文环境等资料，有助于设计人员方案拟定及优化。而三维一体化可视化设计基础就是数字化地面曲面4D模型，路线方案在不断的调整和优化中，通过数字化地面4D模型实时动态获取纵向和横向地面线，避免传统勘察设计中平面调整需要重新中桩放样横断面测量或重新“切数模”。
　　目前大部分主流的道路设计软件均能利用三维信息构建数字化地面曲面4D模型，但公路为带状的线形工程，线长面广，纵横向起伏大，三维信息数据大，构建的4D模型一般都较大，对电脑配置要求较高，在一定程度上会影响工作效率，可二次开发对模型进行自动分段、设置区域围栏、快速提取等满足效率需求。
　　3.2 三维一体化
　　在研究平面、纵断面及横断面三者一体化设计工作时，首先需要保证各模块功能完整性和独立性，平面设计模块、纵断面设计模块、横断面设计模块、工程量统计模块、动态三维虚实场景构建模块，各个模块功能需要完整，能独立准确进行平纵横设计，各个模块又具有独立性，避免模块集中数据量巨大影响实时动态交换的工作效率。其次需要构建数据交换信息共享协调工作平台，该平台将独立的模块联合起来协调工作，从而实现一体化设计。所有的功能模块均要与协同工作平台进行实时数据交换，交互各功能模块的指令和数据，实时动态信息共享。第三需要在同一屏幕设置不同视口，用于显示设计的平面、纵断面、横断面和三维模型窗口，且各个视口之间可以自如切换，交互式操作，如进行纵断面设计时，随时切换到平面查看该处地物地质条件，抬高纵断面时，自如切换到横断面，查看边坡填挖情况，切换到三维模型窗口查看与环境的协调性等。第四，各模块实时动态调整，基于数字化地面曲面4D模型，动态获取空间信息，动态更新。如调整优化平面设计后，纵断面窗口实时更新纵断面线和横断面窗口实时更新横断面线，从而达到协同一体化设计。 　　3.3 三维模型的可视化
　　三维虚实场景可视化涉及到多模型的识别、分割、归并、叠加、剖切等。虚拟实体是指正在规划或设计的公路实体，可通过设计成果的数据构建;而景物实体是指外业地形、地物、地质分层、植被覆盖等，一般通过外业勘测、卫星图片来得到，也可以采用航测的正射影像或倾斜影像构建的模型获取。需要将两者有效连接，运用道路模型和地面模型拼合成整体模型。
　　实践运用中，利用计算机虚拟现实与仿真技术，直接利用道路几何设计的基础数据和地形数据，构建准确的地面、道路以及桥隧等的三维实体模型，再利用卫星或者航空数字影像进行贴模、拼合处理后，营造出公路虚拟现实场景，可实现驾驶、飞行、行走等游历仿真，从而实现可视化。
　　4 公路路线设计的一体化与可视化应用
　　目前大部分的设计人员还是停留在平面设计后进行纵断面设计和横断面设计，未真正通过一体化和可视化技术来设计及优化路线方案，其主因是设计习惯和道路工程软件需要进一步完善。
　　以西北山区的某一级公路为例，利用道路软件纬地道路三维集成CAD系统（HintCAD）进行设计，介绍一体化和可视化技术在公路路线设计及优化的应用。项目设计速度80km/h，双向四车道整体式路基宽度为24.5m，路线长约12.5km。沿线地形起伏较大，山高谷深，自然横坡大，地质条件差，滑坡、崩塌、泥石流发育，路线基本沿山腰展线穿越垭口，路线布设受限因素多。平面线形的布设受纵断面控制，纵断面设计需要根据横断面、地质条件综合确定，而横斷面设计中地面横坡较陡处，支挡、桥涵构造物布设困难路段有需要通过调整平面、纵断面线形来降低工程施工难度。
　　4.1 构建数字化地面模型
　　在公路外业勘测阶段，利用无人机对沿线测量带状地形图，通过利用倾斜影响构建实景模型。在内业阶段，首要利用道路软件纬地道路对地形图的等高线、高程点三维高程信息进行识别读取，构建高精度数字化三维地面模型。
　　4.2 公路路线平面、纵断面、横断面设计
　　利用纬地道路软件在地形图上根据按照“地形选线、地物选线、地质选线、安全选线、环保选线”的原则，进行初次公路路线设计，然后进行根据地质条件、构造物的控制高初次拟定纵断面，最后进行超高、边坡坡率设计，进行横断面带帽子设计，得出总体的工程数量和工程规模。
　　4.3 公路平面、纵断面、横断面组合设计的合理性
　　根据初步得出的总体工程规模、平纵横组合设计的合理性、方案的实施难易程度、与环境的协调等综合判断路线方案优化的方向及位置。
　　4.4 利用一体化及可视化技术进行公路路线优化
　　根据拟定的总体设计原则、路线优化的方向及位置，利用纬地道路三维互通设计功能，对平面进行优化调整，对平面线位明显走高挖方过大或明显走低填高过大段落适当的调整，减小填挖高度，调整平面的时候可以在纵断面窗口查看调整后平面对应的纵地面线，实时动态查看平面调整的位置是否到位，可以在横断面设计窗口中查看边坡高度、支挡构造物、桥涵实施的难易程度;纵断面优化时可以在平面窗口查看附近的地物地质条件，横断面窗口查看帽子图;最后通过可视化的三维实体查看检验设计成果的合理性，检验视距和检查环境协调性。
　　5 结束语
　　综上所述，通过当前公路路线设计现状及痛点分析，提出采用一体化及可视化技术来解决公路路线方案设计及优化过程，提高路线过程设计的效率、精度和深度。通过分析一体化及可视化技术所需的关键技术和实际运用，彻底改变现状低效反复的路线设计方法，实现静态经验设计到动态优化设计的转变，全面提高勘察设计质量和效率，提升公路品质，有助于构建我国交通强国战略落地开花。
　　参考文献：
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