鐵路線路三維模型可視化建設(shè)研究

包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李志祥 楊育林

鐵路建設(shè)是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要任務(wù)之一，以信息化技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像技術(shù)與地理信息技術(shù)，通過三維可視化的方式來呈現(xiàn)鐵路線路場景，創(chuàng)建鐵路信息化云平臺是未來鐵路行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。本文基于三維GIS理論與技術(shù)，分析了三維可視化的獨有優(yōu)勢與鐵路線路三維模型可視化建設(shè)的意義，配合線路橫、縱斷面數(shù)據(jù)，研究了鐵路線路三維可視化建模的流程方法。在建模工程中根據(jù)線路工程物特點與建模過程，對模型復(fù)雜度與建模流程進行了簡化，由此提高了模型顯示效率，減少了建模周期。

可視化技術(shù)是利用信息技術(shù)與圖像技術(shù)，通過計算機軟硬件將數(shù)據(jù)以圖像形式呈現(xiàn)在屏幕上，模擬仿真現(xiàn)實場景并具有交互功能的技術(shù)。隨著可視化技術(shù)與3S（GIS、GPS、RS）技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字城市、數(shù)字交通等構(gòu)想相繼被提出，數(shù)字化引起了科技界、地理學(xué)界，尤其是交通界的極大關(guān)注。鐵路建設(shè)是我國大型基建項目，為了順應(yīng)信息化社會的發(fā)展，融入地理信息系統(tǒng)（Geography Information Systems，GIS）技術(shù)，建設(shè)信息化鐵路地理信息系統(tǒng)已迫在眉睫。基于三維可視化技術(shù)與地理信息技術(shù)，對應(yīng)用程序進行科學(xué)開發(fā)，提供直觀的三維虛擬線路場景，能了解線路全線相關(guān)信息，并且可為工作人員提供空間分析功能，為管理部門提供可視化平臺，這對鐵路建設(shè)具有極為重要的現(xiàn)實價值。

1 三維可視化的獨有優(yōu)勢

三維可視化的核心原理是借助可視化方法輔助完成線路設(shè)計，在建模過程中提高線路設(shè)計的經(jīng)濟性并增加服務(wù)年限。對于傳統(tǒng)線路的二維設(shè)計，一般要多考慮線路設(shè)計要素，并且在過程中也要對線路平縱橫的關(guān)系進行反復(fù)調(diào)整。由此可知，二維設(shè)計是創(chuàng)建于與上版線路方案比較的基礎(chǔ)之上，在對比中進行線路方案優(yōu)化。與二維設(shè)計不同的是，三維可視化能凸顯高水平的高效化與多樣化，并且也從整體上降低了線路設(shè)計的難度。縱觀當(dāng)代中國鐵路線路設(shè)計，應(yīng)依靠可視化措施實現(xiàn)線路選線設(shè)計，從而從整體視角來提高線路設(shè)計全程效益。現(xiàn)如今，信息技術(shù)手段正在逐步融入各大線路調(diào)整優(yōu)化中，基于信息技術(shù)的可視化設(shè)計對二維設(shè)計進行了有益完善與優(yōu)化，由此彰顯了三維可視化的獨有優(yōu)勢。

2 鐵路線路三維模型可視化建設(shè)的意義

在鐵路建設(shè)中，將地理信息技術(shù)、圖形技術(shù)與信息化技術(shù)充分結(jié)合在一起，發(fā)揮三者的資源優(yōu)勢，對鐵路線路進行全方位的三維可視化建設(shè)具有重要的意義。首先，可以提供決策支持。傳統(tǒng)鐵路信息管理對三維信息建設(shè)幾乎很少涉足，利用鐵路線路數(shù)據(jù)，通過計算機創(chuàng)建整體化的鐵路沿線三維模型，從而實現(xiàn)鐵路線路的全景三維可視化，展示鐵路沿線景觀。其次，能夠通過地形分析創(chuàng)建鐵路災(zāi)害規(guī)避機制。在數(shù)字地面模型與高程模型的飛速發(fā)展下，地形分析打破了傳統(tǒng)二維平面的束縛，能夠從信息化地形模型中提取信息，可充分了解鐵路線路地形特點，為一些可能出現(xiàn)的災(zāi)害創(chuàng)建規(guī)避機制。

3 鐵路線路三維可視化建模流程

3.1 采集鐵路線路三維可視化建模數(shù)據(jù)

鐵路線路三維可視化建模的內(nèi)容較為繁雜，基本可以分為幾何數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)兩種類型。幾何數(shù)據(jù)主要指的是線路數(shù)據(jù)與工程物數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要是指部門業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與工程物屬性數(shù)據(jù)。幾何數(shù)據(jù)采集包括線路設(shè)計數(shù)據(jù)采集與工程物參數(shù)采集，例如線路設(shè)計的橫縱斷面、信號燈尺寸；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集包括線路構(gòu)筑物屬性采集，例如橋梁里程的修建年限數(shù)據(jù)等。在鐵路線路三維可視化建模之前，要先對三維可視化所需的必要數(shù)據(jù)進行科學(xué)篩選與整理。

3.2 自動提取鐵路線路中心線

三維空間線是鐵路線路中心線的空間表現(xiàn)，在線路設(shè)計過程中，其在水平面上的投影便是平面線，主要包括圓曲線、緩和曲線以及直線。圓曲線指的是線路中的圓弧路段；緩和曲線指的是在直線與圓曲兩大路段間的連續(xù)變化曲線。縱斷面設(shè)計線即為沿中心線豎直剖切得到的中心線投影，其主要有豎曲線與直線構(gòu)成。在構(gòu)建線路中心線的過程中，基于平面線與豎曲線，科學(xué)計算線路平面坐標與高程值，通過程序完成中心線三維擬合。在鐵路線路三維可視化建模時，如果能快速確定中心線，并根據(jù)橫斷面數(shù)據(jù)即可構(gòu)成三維模型，所以在三維可視化建模過程中，生成中心線可以理解為重中之重。生成中心線雖然能夠從縱斷面與水平面的相關(guān)數(shù)據(jù)匹配而出，但由于路段過長及地形影響，線路的空間表現(xiàn)并不是直線，而呈現(xiàn)為三維空間曲線，采用舊式建模方式的工作量便會非常大，同時由于曲線與坡度等不可抗拒因素，難度也會相應(yīng)增加。而通過信息化技術(shù)，將復(fù)雜計算完全交給計算機，便可極大減少三維可視化建模時間，同時也能提高中心線構(gòu)造效率。

3.3 鐵路線路三維可視化建模內(nèi)容

第一，路基三維可視化建模。路基三維可視化建模是線路整體三維可視化建模的基礎(chǔ)工作。基于地形差異，現(xiàn)實中的鐵路路基主要包括路堤與路塹兩種形式，也就是所對應(yīng)的填方與挖方。對于鐵路軌道而言，路基工程是一種帶狀的基礎(chǔ)建筑，處于線路結(jié)構(gòu)下部，事關(guān)鐵路的安全運行。在實際操作過程中，路基三維可視化建模的順序可概括為利用Auto CAD二次開發(fā)的中心線為路徑，路基橫斷面為具體對象，通過掃掠形式進行三維可視化建模。需要強調(diào)的是，應(yīng)對路基三維可視化模型進行一定的貼圖紋理處理，這樣會讓效果更加真實。

第二，軌道三維可視化建模。軌道表達一般通過里程、坡度、坡長、股道長度等要素進行空間位置描述。在鐵路軌道三維可視化建模過程中，應(yīng)重點關(guān)注四方面內(nèi)容：其一，曲線表內(nèi)容應(yīng)包括軌道曲線的空間與屬性信息，三維可視化建模時要有效利用表中信息，即軌道空間位置與幾何數(shù)據(jù)；其二，坡度表要對軌道中坡度斷的空間與屬性信息進行科學(xué)記錄；其三，鋼軌表同樣記錄了鋼軌空間與屬性信息，根據(jù)三維可視化建模所需，也應(yīng)從表中合理提取建模所需的幾何數(shù)據(jù)與位置信息，從而為建模提供便利；其四，道床表對道床材質(zhì)進行了相關(guān)描述，并記錄了道床信息，在三維可視化建模時可將其當(dāng)作紋理依據(jù)。除此之外，從鋼軌參數(shù)所得的鋼軌橫斷面，從軌枕參數(shù)所得的軌枕三維可視化模型，基于中心線通過陣列與掃掠的形式創(chuàng)建軌道整體三維可視化模型。

第三，橋梁三維可視化建模。在鐵路線路工程中，橋梁設(shè)計的主要目的在于克服低洼地段以及跨度大的地理因素。鐵路線路橋梁設(shè)計的類型較為多樣化，一般多為鋼制、混凝土制，三維可視化建模的過程中要根據(jù)各類型的橋采用具有差異化的建模方法。對于橋梁建模而言，橋梁位置應(yīng)由中心里程決定，在幾何數(shù)據(jù)之外，還要包括橋梁的屬性信息。混凝土制的橋梁能夠根據(jù)橋面性質(zhì)尋找到具有顯著代表性的橫斷面，依次將橫斷面連接在一起便得到橋面三維可視化模型；鋼制的橋梁橋面一般由鋼板與特種鋼相連而成，所以對于鋼制橋的三維可視化建模其實就是對鋼板與特種鋼的三維可視化建模。在橋面模型的三維可視化建模完成之后，再逐步構(gòu)建出下部結(jié)構(gòu)便可完整構(gòu)建橋梁整體的三維可視化建模。

第四，隧道三維可視化建模。在鐵路線路工程中，隧道設(shè)計的主要目的在于克服高程障礙與避開非良性地質(zhì)。隧道一般由洞門、防排水設(shè)施、道床等構(gòu)成，隧道三維可視化建模的重點在于道口建模，在道口三維可視化建模過程中，需要對道口仰坡進行格外關(guān)注。

第五，信號機三維可視化建模。信號機具體是指在站場通過燈光顏色與燈光數(shù)目的變換，向行車工作者指示運行條件的一種視覺信號設(shè)施。信號機對列車運行安全與強化調(diào)度效率而言具有重要價值。一般情況下，信號機主要由信號機構(gòu)與機柱所組成，除了外在的信號燈之外，還有橢圓背板與半圓遮檐。在鐵路線路三維可視化建模過程中，可具體根據(jù)線路數(shù)據(jù)來對信號機位置進行確定。

結(jié)語：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像技術(shù)與地理信息技術(shù)的飛速發(fā)展，可充分結(jié)合地理信息在三維數(shù)據(jù)中的實時獲取、空間分析等技術(shù)研究成果來建設(shè)完善場景更大、內(nèi)容更豐富的信息化鐵路管理系統(tǒng)。鐵路線路三維模型可視化建設(shè)的內(nèi)容豐富多樣，建模時要考慮線路設(shè)施模型特點，集中使用優(yōu)化模型減少多余的多邊形，減少表達不可見內(nèi)容等方法，從而提升場景顯示效率。與此同時，運用自動建模也可大大增強建模效率，減少建模時間，在具體三維可視化建模過程中應(yīng)根據(jù)真實建模內(nèi)容，盡可能提高編程建模的使用率。