基于Civil 3D航拍數模的路線三維設計

姬子田 王玉蘭

(臨沂大學土木工程與建筑學院,山東 臨沂 276000)

0 引言

道路是一條帶狀三維實體結構物，道路線設計是從道路選線、定線開始，最終以平、縱、橫組成了立體線形，而道路的立體形狀及周圍的環境直接影響駕駛員的駕駛行為。

國內現行的路線設計方法是基于二維的設計，將公路中心線投影到二維平面上進行平、縱設計，在完成平面線性和縱斷面線形后再進行組合設計，這種分離式的線形設計方法雖然仍在沿用，但是實際工程應用和研究表明，這種平、縱分離式的公路線性設計方法并不是很理想，雖然滿足了平面線性組合的設計原則和要求，但是這種人為拆分和組合的設計方法忽略了平、縱線性設計幾何要素之間的相互聯系,使得道路設計的質量好壞很大程度上取決于設計者的經驗,甚至一些設計缺陷和疏漏被直接帶到后期運營中,引發一系列的交通事故。

相比傳統的路線設計，道路三維設計精度更高，可以快速完成設計方案的比選，還可更直觀的進行平縱線形的檢查，尤其是視距保證問題，平面或縱斷面可能滿足視距要求，但在三維視距中不一定滿足。而三維路線設計是基于數字地面模型的基礎上進行的，數字地面模型可適用于道路設計的各個階段，在工程可行性研究階段，設計者在數字地面模型上進行路線方案選擇，確定路線的基本走向和主要控制點，擬選路線走廊方案；在工程設計階段設計者根據生成的地面起伏情況及技術指標等條件進行平、縱、橫的路線設計，并生成三維道路模型，可以非常直觀的進行路線設計質量的檢查。因此在三維設計之前首先是建立設計區域的數字地面模型。

1 數字地面模型的建立

數字地面模型可以通過航空和航天遙感資料作為數據源，對于小區域的測繪無人機航拍技術已廣泛采用。特別適用于帶狀地區的航拍影像，該技術是將航拍過程中拍攝到的影像資料與定位系統相互結合，借助于計算機軟件對坐標的計算得出所測量地面點的三維坐標,本文以PhotoScan軟件為例介紹數字地面模型的建立的過程。

PhotoScan是一款基于圖像自動生成三維模型的軟件，利用多視圖三維重建技術，對任意拍攝的照片進行處理[1]；可以對上千張圖片進行處理，生成控制點的地面坐標(x,y,z)。在三維建模的整個過程工作流程完全是自動化。首先利用無人機對所測區域進行無人機航拍，將拍攝得到的圖像導入到PhotoScan中，系統自動檢測照片中的點，然后生成密集的點云，按照所選的表面類型和源數據逐步加密生成一組用三角網格形式表達的數據集合及帶色彩紋理的DEM模型，還可以將成果轉換為大地坐標或工程坐標。生成的點云數據和模型通過導出命令導出Civil 3D所需要格式，比如.xyz,.txt格式，見圖1，圖2。

2 三維道路設計

AutoCAD Civil 3D是一款專業的三維道路設計軟件，它是在數字地面模型的基礎上進行路線的設計，將平曲線和縱斷面與定制的橫截面裝配件結合，創建參數化的三維模型。在路線設計之前首先創建曲面，將PhotoScan生成的點數據按照選定的格式添加到Civil 3D中的曲面定義中，生成三角網曲面，可以通過曲面特性對曲面高程、流域、坡度等特性進行分析。

創建路線對象時，常用方法是采用類似于國內的交點法，通過路線布局工具選擇創建路線的類型，也可以直接創建無曲線的交點線，在布局參數中修改或添加所選子圖元的相關參數；在路線圖元表中為直線、曲線和緩和曲線輸入數字參數值來調整線形的布局。路線的布局參數值可通過對路線子圖元進行精細的調整。

縱斷面設計是在平面設計完成后進行的，首先創建曲面縱斷面即原地面縱斷面，它是從曲面中沿著設計路線剖切自動提取，并顯示沿平面路線的地面起伏情況，由于Civil 3D是基于面向對象的設計，用地形曲面來創建縱斷面時，路線或曲面維持著實時動態關聯，兩者中任何修改都將自動的引起縱斷面的更新[2]。拉坡設計采用交點法確定邊坡點，并修改邊坡點的位置、豎曲線半徑、切線長等參數。

在指定的曲面上創建平、縱斷面后才能創建道路模型，道路裝配是道路建模中的主要結構，裝配是指道路典型橫斷面相互連接的部件組成，如車道、路緣、人行道、邊溝、路肩、中間帶等[2]。通過Civil 3D中附帶的部件來創建特定類型道路的裝配，在特性中修改部件的參數和名稱模板。利用創建裝配生成道路模型，道路設計流程如圖3所示。

3 結語

通過對三維道路設計的流程分析可知，借助于無人機航拍技術獲取數字地面模型數據，將其與Civil 3D相結合，不僅在路線方案比選、選線、定線等方面，甚至在道路平、縱、橫設計質量上有了很大的改進。使設計人員可以快速完成路線多方案的設計，縮短了初步設計的時間，提高了效率。采用Civil 3D在曲面上進行道路的三維設計，更直觀、精準，在很大程度上提高了道路設計的質量，由此看來道路的三維設計將很快被普遍采用。