三維虛擬場景中的道路選線設計探討

賀鈺欽

(鄭州市交通規劃勘察設計研究院，河南 鄭州 450000)

0 引言

我國由于國土面積大，地形復雜，經常會出現丘陵和高山等地貌，有時還會面臨嚴重的自然災害，這就要求在道路選線過程中，綜合考慮各個方面的影響因素，確保道路選線更加科學合理。現階段，大部分道路選線設計都是利用二維平面設計進行，通過地理信息系統采集信息，然而，此種設計方式存在一定缺陷，只能反映等高線附近地貌與地形。隨著科學技術的進步和發展，開始出現三維地理信息系統，它的出現給道路選線設計帶來新的機遇，將其進行有效利用，能在一定程度上提升周圍地理環境表現力，確保道路選線與實際發展相符合。如何優化三維虛擬場景中道路選線設計工作，成為當前亟待解決的問題。

1. 三維虛擬場景與道路選線概述

1.1 三維虛擬場景

三維虛擬場景主要指的是一種虛擬數字環境，此類環境是由計算機圖形圖像構造而成的三維數字化模型，利用編制方式，生成視覺感受的人工環境，在這環境中，可實現觸覺和視覺等綜合感知。在此基礎上，可以觸摸、觀察和檢測周圍事物的內在變化，并且與之進行交互，實現人與計算機的有效結合，給人身臨其境的感受。通常來說，三維虛擬場景中涉及很多技術，包括三維建筑初步建模、CAD設計圖數據處理以及場景集成等各個方面，在社會發展中具有促進作用，尤其是應用于道路選線設計，可以為其奠定堅實基礎[1]。

1.2 道路選線

所謂道路選線，重點是指在道路規劃的起點和終點間選定一條道路中心線，在確保經濟合理和技術可行的同時，還應滿足道路實際使用要求。道路選線作為一項復雜而多樣的工作，經常會受社會經濟與自然條件的影響，因此，在進行道路選線時，要考量多方面的影響因素。道路選線一般要從“淺”至“深”、從“總體”到“具體”，從“面”到“帶”再到“線”，主要包含以下3個步驟。

1)進行全面布局。該項工作實施，應在“起訖點”和“中間”必須經過的據點，找尋可以通行的路線帶，將較大控制點進行確定并連接，形成路線基本走向，比如起訖點與據點之間，可能存在河流或者山嶺，這些都需要對路線進行布局。

2)實施逐段安排。確定路線基本走向后，應對控制點進行加密，完成路線布局方案，即在大控制點之間，根據水文、地質以及氣候等因素，逐段確定小控制點。

3)具體定線。于逐段安排的小控制點間，結合自然跳進與技術標準，對“橫”“縱”“平”各方因素進行綜合考慮，反復進行“穿線插點”，確定路線具體位置，使其更加細致與深入[2]。

路線作為道路骨架，選線好壞決定著道路自身的質量，這就意味著道路選線要考量各個方面影響因素，妥善處理各種關系，并遵循相應的原則，具體如下。

1)進行多方案選擇。道路設計不同階段，要使用不同方式，仔細研究路線方案，結合多方論證，在相互比對的基礎上，選取最佳的路線方案。

2)科學處理農業與選線之間關系。選線工作中，要和農田基礎建設相互配合，盡量不占或者少占包括“經濟作物田”“高產田”以及“經濟園林”等田地。

3)綜合考慮工程造價和養護與管理等費用。路線設計應在安全舒適條件下，確保造價低、工程量小和效益高，并有利于開展通路施工養護和管理。如果工程量增加不是很大，可以適當使用高技術指標[3]。

4)確保路線與周圍環境相協調。其中，包括景區和古跡等的道路，應盡量保持原有道路的自然狀態，力爭實現人工構造物和景觀之間的有機協調。

2 三維地形建模

在開展三維地形建模工作時，需要對地圖底面數據與基礎數據進行相關分析，目的是分析三維地形數據，提升該項工作的有效性。在這一過程中，基礎數據主要組成部分包括地形貼圖數據和地形數據，處理地形數據時，需要使用ArcMap軟件，且地形貼圖數據有所區別，重點是利用谷歌地圖軟件進行處理和獲取，將基礎數據獲取之后，還應處理成相同大小的二維坐標，構建建筑、道路以及水系等有關地理數據。地理數據獲取完成之后，要構建“線”和“面”的構建器，對各種矢量數據添加高程值，保存在對應的地理信息系統與數據庫中，最后放到文件夾里面。想要在地形上有效顯示地物，應利用構件器處理“TIN”數據的同時，將其有效添加至地形數據之中[4]。

利用CityEngine 軟件，將地理信息數據處理之后，可以實現數據建模與三維處理，在開展建模處理和軟件處理工作中，主要包含以下幾個步驟：首先，需要新建工程，打開工程后，要選擇相應的新建場景；其次，完成新建場景工作后，應把地理數據導入至對應的新建場景之中，生成三維地形與三維圖像；最后，在導入地圖地面數據之后，還要使用平移、旋轉和縮放等方式，促使地形相互重合，利用計算機體系結果，產生對應的三維數據模型，再分析模型的細節問題[5]。

3 三維虛擬場景中的道路選線設計方法

3.1 確定權重，劃分影響因素

一般情況下，進行道路選線設計時，由于會受到多種因素的影響，應進行綜合考慮。比如地質層面，要充分考慮到“綠地和高程”“地質與水文”以及“地形坡度”等情況；而對于國家政策來說，需要重視農田設施；人文層面，還要考量不同建筑、房屋以及道路等影響。對影響因素進行分析后，確定不同因素對決策的影響，掌握其所占權重。具體可以應用層次分析法，將全部因素間重要性加以劃分，整理成矩陣形式，層次分析法矩陣：

影響因素類型坡度/(°)建筑地質環境農田坡度1247建筑12124地質環境141214農田1714141

通過對矩陣進行檢驗，計算一致性指標CI，并得出平均一致性指標RI，由CI/RI能夠計算出隨機一致性比例CR，若是CR小于0.1，矩陣則具有可接受的一致性，若是CR不小于0.1，應對矩陣加以修正的調整，最后檢驗矩陣一致性，看其是否在可接受范圍內。最終對各類因素權重進行有效計算，實際計算方法需要借助MATLAB編程來完成，最終得出各類權重的計算結果為“坡度(0.47)”“地質環境(0.17)”“建筑(0.26)”和“農田(0.07)”[6]。

3.2 實現信息的科學處理及提取和道路選線設計

對于不同地區，水文與地理條件有所不同，這決定了其光譜信息存在差異性，結合獲取的影像信息對其進行處理和分類。坡度因素一般要通過DEM使用坡度提取工具進行提取，而高程因素主要由DEM實現分級。另外，建筑因素還需要將矢量化建筑圖層進行緩沖區分析。完成信息提取工作后，需要根據重要影響因素計算成本，無論是成本變化，還是不同曲面起伏表現的狀態，都能有效形成相應的評價曲線。使用加權總和工具，將道路之外存在的影響因素加以疊加，在道路設計過程中，盡量確保新設計道路與原有道路進行重合，最終產生道路位置權值為0的綜合成本評價曲面[7]。

將綜合成本評價曲面生成之后，就可以開展相應的道路選線設計工作。主要包含以下步驟：首先新建2個“shpefile”格式的點圖層，在其中一個圖層之中，畫出道路起點，而在另一個圖層里面標出道路終點、起點和經過點，根據綜合成本評價曲面，應用相應的成本距離工具，輸出“成本距離柵格”；然后使用成本“回溯鏈接”輸出成本“回溯鏈接”柵格；最后利用獲得的“成本距離柵格”和“成本回溯鏈接柵格”，對成本路徑進行有效分析，得出最后的選線結論。

3.3 實現三維圖像的顯示與有效分析

完成對應的選線設計作業后，還需要對所選擇的道路進行矢量化，要想實現這一目標，就要使用AecScreen當中的“模型構件器”，賦予其對應的高程值，同時將其保存至“gdb”文件夾內，保存完成后，需要導入至提前創建的三維地形里，實現對道路的漫游觀察，站在三維角度，分析道路具體情況，這類數據就可以作為未來三維地理信息的原始創建數據。

除此之外，在三維地形圖中結合不同影響因素，分析其對道路選線產生的影響，從而在選線結果中體現出來。依照模型設計本身意圖，在道路經過的一些區域，坡度盡量要保持小一點，這樣選線結果才能滿足道路設計基本要求，確保線路更加安全和穩定。選線期間，需要避免很多區域，包括“房屋”和“綠地”等，若是部分地質結構較差的區域應對其實施重點分析，不但要保障道路選線對設計要求相一致，還應考慮到各個方面影響因素，最大程度降低成本[8]。

3.4 效果分析

三維虛擬場景中的道路選線設計，通過使用矢量數據以及數字柵格方式，將不同影響因素充分考慮其中，建立相應的三維模型，能夠獲得良好的效果，并確保道路選線的科學性，實現道路選線設計的進一步優化和完善，降低了成本費用，具體表現在以下幾個方面。

1)實施道路選線作業時，既要結合道路選線基本原則，又要分析選線設計的各類影響因素，有效應用層次分析法，將不同影響因素權值大小進行有效確認，從而實現各類影響因素的動態化考慮與分析，進一步優化道路選線結果，為選線結果的安全性和可靠性提供有力保障[9]。

2)使用地理信息系統，管理獲取的地理數據信息，將多個影響因素加以充分考量，結合相關要素，產生相應的綜合成本評價曲面，應用曲面之間的最短路徑與最短距離，增強道路選線的科學性和準確度，確保選線操作更加規范和標準。與此同時，依照各類影響因素，考慮系統的整體性與綜合性，進一步強化系統的整體性，從而降低信息與數據的實際分析難度。

3)利用地理信息，使用相關語法與語言規則，促進道路選線二維與三維的聯動設計，提升語言設計的可視化程度，實現人機交互，強化兩者之間的相關性，確保各類信息能夠得到有效利用，最終在三維虛擬場景中，完成道路選線設計工作，提升道路選線設計的科學性和合理性[10]。

4 結語

要想從根本上提升三維虛擬場景中的道路選線設計水平，相關人員就要充分了解三維虛擬場景以及道路選線的相關內容，結合我國道路選線工作中面臨的問題，通過科學有效的方式，將三維虛擬場景在道路選線設計中的最大價值發揮出來，滿足不同工作環節要求，保障道路選線設計各項工作的順利開展。