基于三維可視化的公路隧道施工技術(shù)

基于三維可視化的公路隧道施工技術(shù)

隨著道路向山區(qū)的延伸，隧道建設(shè)越來越多。公路隧道的設(shè)計(jì)不僅要充分考慮復(fù)雜地形的影響,而且涉及道路、隧洞、交通、照明、綠化等多個(gè)專業(yè),是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)采用三視圖的方法來反映整體工程的三個(gè)側(cè)面,不能明確體現(xiàn)出工程各部分在空間上的邏輯關(guān)系,往往不能表達(dá)設(shè)計(jì)者的最終意圖。而公路隧道的三維效果設(shè)計(jì)可以清楚地反映出工程各部位的高程信息,能使用戶和決策者對建成后的工程形象有直觀、全面的感受,對公路隧道方案的選擇有重要意義。三維建模是公路隧道三維效果設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。近年來,三維GIS的迅速發(fā)展為復(fù)雜工程的三維建模與可視化創(chuàng)造了條件,但由于公路隧道的組成和所處地形都比較復(fù)雜,對于各部分實(shí)體或?qū)嵨锏娜S建模不能采用統(tǒng)一的方法。作者將整個(gè)公路隧道三維對象模型抽象為地形模型、隧道構(gòu)造物模型和公路附屬設(shè)施模型三部分,并針對各部分包含的內(nèi)容詳細(xì)闡述了其三維建模的方法,在此基礎(chǔ)上采用可視化技術(shù)制作了公路隧道三維效果和視景漫游動(dòng)畫,達(dá)到了對公路隧道進(jìn)行三維造型的目的。1建立可視化景觀模型地理信息系統(tǒng)(GIS)是計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測量學(xué)、地圖學(xué)等多門學(xué)科綜合的技術(shù)。在GIS中,模型是在幾何元素基礎(chǔ)上加上屬性編碼和屬性表構(gòu)成的,基于圖形對象與其屬性特征的內(nèi)部關(guān)聯(lián),獲取圖形對象的同時(shí)也就獲得了其空間坐標(biāo)、拓?fù)潢P(guān)系及其相關(guān)屬性信息。并且GIS能夠存儲(chǔ)及處理分布于地理空間不同位置對象之間的空間拓?fù)潢P(guān)系,可以對各組成部分分別建模,然后變換到統(tǒng)一的地理空間坐標(biāo)系中。各子模型在具有同一地形背景的虛擬工程環(huán)境中實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào),從而在宏觀層次上構(gòu)成一個(gè)有序的系統(tǒng)。可視化(Visualization)是將抽象數(shù)據(jù)表示轉(zhuǎn)換成圖形或圖像圖元表示的過程。圖元一般為點(diǎn)(Point)、線(Line)、面(Surface)、體(Solid)等,由這些圖元構(gòu)成可視化模型,然后對其進(jìn)行繪制和顯示?，F(xiàn)在流行的GIS軟件大都具有強(qiáng)大的可視化功能,不僅可以在三維空間中進(jìn)行瀏覽、縮放、聚焦、漫游、旋轉(zhuǎn),而且可以設(shè)置場景的相關(guān)參數(shù),如背景顏色、光照強(qiáng)度、太陽高度、太陽方位角、場景透明度等?；贕IS的三維可視化過程為:首先創(chuàng)建和組裝三維場景(CreatingandAssemblinga3DScene),接著通過三維實(shí)體建模創(chuàng)建三維圖形(Creating3DShapes)。三維實(shí)體模型再經(jīng)過紋理映射及光照、消隱、陰影等計(jì)算,顯示在三維場景中。文中主要以GIS為開發(fā)平臺(tái),并借助3DSMax,達(dá)到對公路隧道進(jìn)行三維造型的目的。2各部分實(shí)體或?qū)嵨锏娜S建模不統(tǒng)一公路隧道的組成和所處地形都比較復(fù)雜,對于各部分實(shí)體或?qū)嵨锏娜S建模也不能采用統(tǒng)一的方法。整個(gè)公路隧道三維模型可抽象為地形模型、隧道構(gòu)造物模型和公路附屬設(shè)施模型三部分。2.1基于gis的地形特征模型構(gòu)建公路隧道三維建模中,可采用數(shù)字高程模型(DEM)作為地形模型,而TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))模型是表達(dá)DEM最理想的方法。TIN模型是由分散的數(shù)據(jù)點(diǎn)按照一定的規(guī)則構(gòu)成一系列不相交的三角形組成,每個(gè)不規(guī)則三角形可視為一個(gè)平面,平面的幾何特性完全由3個(gè)定點(diǎn)的空間坐標(biāo)值(X,Y,Z)決定。TIN模型的生成可以由多種算法求得,如Delaunay三角形分形算法、逐點(diǎn)插入法等,但要有如下的生成原則:(1)TIN具有唯一性;(2)力求最佳的三角形幾何形狀,使每個(gè)三角形盡可能接近等邊形狀;(3)保證最鄰近的點(diǎn)構(gòu)成三角形,即三角形的邊長之和最小。要使形成的三角形網(wǎng)格更好的貼合地面,真實(shí)地反映實(shí)際地形,必須考慮地性線(各種斷裂線、山谷線、山脊線等)的影響,將它們作為三角形的邊參與構(gòu)網(wǎng)。TIN所描述的地形表面由地形點(diǎn)的密度決定,能充分表現(xiàn)地形高程變化的細(xì)節(jié)。通過GIS開發(fā)平臺(tái),使用TIN將帶有高程屬性的CAD工程地形圖轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字高程模型(DEM),再經(jīng)過紋理貼圖、光照等加工操作,便能真實(shí)地表現(xiàn)地形的高低起伏,形象地反映各種地貌特征。在GIS紋理映射技術(shù)的基礎(chǔ)上,可把研究區(qū)域的照片影像與地形融合在一起,取得更為逼真的三維視覺效果。融合的步驟如下:(1)把地形數(shù)據(jù)和照片影像配準(zhǔn),這里的照片影像主要指覆蓋植被的地形面貌,根據(jù)地形高低起伏,對照片進(jìn)行明暗處理,生成與地形匹配的二維圖像;(2)把配準(zhǔn)后的二維圖像轉(zhuǎn)換成GIS二維紋理圖像;(3)計(jì)算每個(gè)數(shù)字地形剖分頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo),利用紋理映射技術(shù)把二維紋理圖像映射到數(shù)字地形上。照片影像與數(shù)字地形配準(zhǔn)的過程就是通過同名控制點(diǎn),把照片影像由原坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到數(shù)字地形所用的大地坐標(biāo)系,與數(shù)字地形在位置上達(dá)到匹配。二維紋理圖像的生成過程實(shí)質(zhì)上就是把影像數(shù)據(jù)通過比例變換,生成滿足紋理映射技術(shù)要求的紋理圖像。DEM包括平面位置和高程數(shù)據(jù)兩種信息,GIS由等高線生成DEM的流程如圖1所示。2.2地物實(shí)體模型在公路隧道中,隧道構(gòu)造物主要包括隧道、路面、邊墻、排水溝等工程建筑物。這些地物實(shí)體模型屬靜態(tài)空間數(shù)據(jù)模型,包括空間位置、形狀和空間拓?fù)潢P(guān)系等信息,靜態(tài)空間實(shí)體之間的空間關(guān)系是通過GIS內(nèi)建的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來維護(hù)的。針對不同類型的建筑物,分別采用有針對性的建模技術(shù)建立三維可視化數(shù)字模型。2.2.1基于基本特征的幾何模型特征建模方法主要用于隧道與路面模型的建立。特征建模是基于一組預(yù)定義特征,在系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)先形成特征庫和特征分類,并組織成層次化的結(jié)構(gòu),在設(shè)計(jì)過程中,用戶可根據(jù)需要交互輸入特征類型,然后通過定義尺寸約束,添加位置約束,完成特征約束模型的建立和求解。以隧道模型為例,根據(jù)其橫斷面類型以及沿中軸線各段的形狀特征,定義了形狀特征庫,如圓形、城門洞形、馬蹄形、高拱形以及直段、轉(zhuǎn)彎段、漸變段等。各種基本特征幾何模型,可根據(jù)幾何約束與拓?fù)潢P(guān)系由相應(yīng)的計(jì)算模塊得到。對于直段,以城門洞型隧道為例,其外表面可根據(jù)兩端面有關(guān)尺寸參數(shù)(如寬度、高度、頂拱圓弧直徑)、中軸線布置參數(shù)及進(jìn)出口底板高程,用許多小多邊形來近似表示。頂拱圓弧用均勻劃分的一系列直線段逼近(具體劃分段數(shù)視精度要求而定)。若用n邊形來近似表示直段兩端面,則該直段可近似地看作一個(gè)n棱柱,將n邊形的頂點(diǎn)按一定的順序(逆時(shí)針或順時(shí)針)編號(hào)。利用這2n個(gè)點(diǎn),將其按一定的方式對應(yīng)相連,就可構(gòu)成由平面組成的近似曲面。對于轉(zhuǎn)彎段,已知曲率半徑,中心角、坡度及彎曲段擬合精度,可將轉(zhuǎn)彎弧段均勻劃分,各小段按近似直段處理。對于漸變段,一般采用半徑漸變的圓弧連接,使內(nèi)表面順?biāo)淼婪较蚱巾槤u變。根據(jù)進(jìn)口斷面高度H和寬度W、出口斷面圓半徑R,漸變段長度L以及進(jìn)出口斷面底部高程等基本參數(shù),結(jié)合漸變段的幾何形狀,可建立漸變段特征幾何模型。在繪制某一類型隧道時(shí),根據(jù)對象基本形狀特征,輸入尺寸參數(shù),調(diào)用相應(yīng)特征庫中的建模子程序,建立各段實(shí)體模型,然后組合相關(guān)特征幾何模型構(gòu)建整個(gè)隧道實(shí)體模型。路面模型的建立可以采用同樣的辦法,只需要根據(jù)路面的斷面類型及形狀特征建立各路面直段、彎段等的子程序,然后根據(jù)上述方法建立路面三維模型即可。2.2.2圖形的變化技術(shù)三維建模參數(shù)化實(shí)體建模主要用于邊墻、排水溝等其它構(gòu)造物模型的建立。參數(shù)化實(shí)體建模的思想是根據(jù)一定的幾何參數(shù)及幾何關(guān)系建立一系列約束方程,然后由這些方程求解圖素的形狀、位置以及相互間的組合關(guān)系。參數(shù)化設(shè)計(jì)中,將表現(xiàn)設(shè)計(jì)對象所有圖素的尺寸及位置與一定的約束條件相關(guān)聯(lián),當(dāng)某一圖素的尺寸和位置發(fā)生改變時(shí),系統(tǒng)依據(jù)它與周圍圖素之間的約束條件,自動(dòng)修改這些圖素的尺寸和位置來更新整個(gè)圖形。采用參數(shù)化實(shí)體建模技術(shù)建立三維數(shù)字模型時(shí),首先定義全局變量和局部變量,全局變量作用于整個(gè)實(shí)體,每一部分都響應(yīng)它的變化,局部變量只控制指定的部分,編寫程序調(diào)用屬性數(shù)據(jù)確定構(gòu)造物的主要控制點(diǎn)以及形體參數(shù)(包括各部分、各方向幾何尺寸及拓?fù)湫畔?,通過使用繪圖函數(shù)繪出三維數(shù)字模型。例如,建立排水溝三維數(shù)字模型時(shí),以排水溝中心線底面點(diǎn)為控制點(diǎn),根據(jù)排水溝各組成部分的關(guān)鍵點(diǎn)(這些關(guān)鍵點(diǎn)是指繪制該部分時(shí)繪圖函數(shù)需要使用的控制點(diǎn))距中心點(diǎn)的距離、旋轉(zhuǎn)角度以全局變量的形式定義定位尺寸以確定其具體位置,根據(jù)各部分設(shè)計(jì)尺寸以局部變量的形式定義形狀尺寸,輸入這些變量通過GIS自帶的繪圖對象如Polygon,Multipatch等并調(diào)用各自的繪圖函數(shù)將排水溝各組成部分繪制出來,然后將各部分按照其相互拓?fù)潢P(guān)系組合在一起,組合時(shí)遵循按固定點(diǎn)組合的原則,固定點(diǎn)是構(gòu)造物繪制的起始點(diǎn),無論構(gòu)造物的大小是否改變,固定點(diǎn)的坐標(biāo)位置始終不變,組裝完畢后就得到了整個(gè)排水溝的三維數(shù)字模型,當(dāng)設(shè)計(jì)方案變化時(shí),只需改變相應(yīng)的全局變量或局部變量重新生成數(shù)字模型即可。2.3公路隧道三維實(shí)體建模公路隧道的設(shè)計(jì)不僅要滿足交通的需要,還要考慮照明、綠化、美觀各方面的影響,公路附屬設(shè)施三維模型也是公路三維表達(dá)中很重要的組成部分,包括防護(hù)欄、路燈、標(biāo)志線、樹木、隔離綠化帶以及云彩、煙霧等各類實(shí)物。這類模型的幾何形狀和表面材質(zhì)與紋理特征具有一般性,并且可以重復(fù)使用,包括點(diǎn)狀模型、線狀模型、面狀模型和紋理模型等。從三維可視化表現(xiàn)的真實(shí)感和建模方法上考慮,將這些附屬實(shí)體模型分為以下幾類分別介紹其建模方法。(1)連續(xù)帶狀實(shí)體模型,如路面標(biāo)志線、人行道等對于連續(xù)帶狀實(shí)體的建模可在3DSMax中完成,選取三維放樣實(shí)體造型功能(loftobject),依次導(dǎo)入三維放樣截面shape和放樣路徑loft,按截面和相應(yīng)路徑對應(yīng)關(guān)系,生成相應(yīng)的三維放樣實(shí)體。由于放樣路徑是按實(shí)際的設(shè)計(jì)坐標(biāo)和高程生成,而放樣截面也是按實(shí)際的截面尺寸繪制的,因此,生成的三維放樣實(shí)體自動(dòng)按實(shí)際定位,避免了因?yàn)槠健⒖v線形組合復(fù)雜而導(dǎo)致的難以定位問題。(2)離散構(gòu)筑物實(shí)體模型,如路燈、交通標(biāo)志牌、欄桿等公路中有大量的離散構(gòu)筑物,正是由于它們的存在,才使公路的功能得以實(shí)現(xiàn)和完整,其中有的構(gòu)筑物沿線路呈規(guī)律分布(如欄桿、路燈等),有的位置不太固定(如交通標(biāo)志牌)。這些模型的建立,可用3DSMax軟件來完成。充分利用其強(qiáng)大的三維基本造型功能,通過縮放變形、扭曲變形、傾斜變形、倒角變形、適配變形、調(diào)整器及布爾運(yùn)算,可方便生成各種復(fù)雜的三維實(shí)體。生成單位實(shí)體后,集中組裝前一類離散實(shí)體,利用離散實(shí)體與放樣路徑的關(guān)系,沿放樣路徑進(jìn)行列陣復(fù)制,建立一系列沿主線或匝道布置的構(gòu)筑物模型。最后通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等定位方法,將這些離散實(shí)體準(zhǔn)確定位到公路隧道三維整體模型中。(3)不規(guī)則模糊物體模型,如樹木、云彩、煙霧等對不規(guī)則物體,如云彩、山脈、樹木等,一般采用隨機(jī)的分形幾何建模方法。分形幾何建模方法,是先描述物體大致結(jié)構(gòu)的形狀,然后再利用隨機(jī)仿射變換或光照將物體表現(xiàn)出來,適用于表現(xiàn)靜止圖像的精細(xì)結(jié)構(gòu)。對模糊物體,如煙霧等,難以采用傳統(tǒng)的建模工具來描述,目前一般采用粒子系統(tǒng)建模。粒子系統(tǒng)建模的基本思想是:采用大量的,具有一定大小和屬性(如顏色、形狀、大小、生存期,速度等)的,運(yùn)動(dòng)隨機(jī)的微小粒子圖元作為基本元素來描述不規(guī)則的模糊物體。3不同特征物的匹配所有三維對象模型建立起來之后,地物模型與地形模型之間往往并不完全整合,可能有相互遮擋或分離的情況,不能真實(shí)反映實(shí)際情況。另外,為了滿足真實(shí)感和用戶視覺的要求,虛擬環(huán)境中的建筑物、車輛等三維對象不僅要能如實(shí)地表現(xiàn)其幾何形狀和基本特征,同時(shí)隨著三維地形的無規(guī)律變化,也必須根據(jù)它與地面的接觸點(diǎn)和鄰近地形的局部特征進(jìn)行姿態(tài)的變換,以避免出現(xiàn)部分陷于地下或懸于空中等違背自然規(guī)律的現(xiàn)象,這就需要將三維對象模型與地形模型進(jìn)行完美的匹配。(1)點(diǎn)狀特征物與地形模型的匹配點(diǎn)狀特征物與地形模型的匹配采用改變地物模型的辦法與地形模型進(jìn)行整合。首先尋找出地物覆蓋地形面中的最高點(diǎn)和最低點(diǎn),然后將模型的水平基準(zhǔn)面放在最高點(diǎn),最后構(gòu)造地物基準(zhǔn)面之下的部分,使地物模型與地形模型無縫吻合。(2)線狀特征物與地形模型的匹配采用將地形模型進(jìn)行填挖處理的辦法使線狀特征物與地物模型相整合。如道路應(yīng)表現(xiàn)為:道路中心縱軸線隨地形起伏;道路表面橫截面高程相同;周圍地形經(jīng)一定的填挖處理(路面位于地形以下則挖,路面位于地形以上則填)與道路無縫連接。填挖過程實(shí)質(zhì)是對地形TIN模型進(jìn)行操作,方法如下:首先繪制一個(gè)與地形完全相交的開挖體并轉(zhuǎn)化為TIN模型,將它與地形TIN模型進(jìn)行cutfill操作(類似布爾操作),從地形TIN模型中切去交線以內(nèi)的部分而從開挖體TIN模型切去交線以外的部分,再把兩個(gè)修正后的TIN合并,構(gòu)成一個(gè)經(jīng)填挖后的地形DTM。(3)面狀特征物與地形模型的匹配面狀特征物與地形模型的匹配也采用改變地形模型的辦法與地物模型相整合?？蓪⒌匦味噙呅蝺?nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)高程置平,并將多邊形經(jīng)過的網(wǎng)格重新進(jìn)行剖分,形成新的地形模型。此外,實(shí)現(xiàn)三維模型與地形模型的匹配還需要考慮三維模型在地形坐標(biāo)系中的投影定位、三維模型姿態(tài)與地形的匹配問題。進(jìn)行這些匹配通常采用的方法有點(diǎn)匹配、線匹配、面匹配等多種,需要針對不同的三維對象具體選擇。4可視化數(shù)字模型在公路隧道各部分三維模型建立起來之后,需要對所有模型按一定方式進(jìn)行綜合以組成工程整體三維模型,才能實(shí)現(xiàn)公路隧道的三維可視化表達(dá)。模型之間可能會(huì)有相互遮蓋、色彩不真實(shí)等缺點(diǎn),某些建筑物被地形所蓋住,從表面看不到建筑物,這時(shí)可以對每一部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)賦以不同的透明度值,顏色值,光照強(qiáng)度值及光照方向等屬性