李桂芳

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

基于三維空間場景的鐵路選線技術研究

李桂芳

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

利用先進的機載激光雷達和數(shù)碼航攝儀采集的高分辨率海量影像數(shù)據(jù)資源,建立三維空間場景。在“鐵路線路虛擬踏勘系統(tǒng)”的海量數(shù)據(jù)管理平臺上,結合CAD平面設計進行鐵路選線。研究采用三維虛擬現(xiàn)實技術和CAD平面設計,將基礎地形和線路方案相結合,實現(xiàn)基于三維空間場景的鐵路選線,使設計方案更加合理,并在一定程度上解決了野外現(xiàn)場調查的人員和設備等投入大的問題。

鐵路選線;三維空間場景;研究

1 概述

目前,我國鐵路工程設計大都是在二維場景上進行的。這種通過等高線、地物邊界線或特定符號表現(xiàn)地形、地貌以及地物情況的平面地圖,其缺陷是缺乏立體感、不直觀,需要有一定地圖知識和經驗的設計人員才能準確地判斷地形和地貌的特征[1]。近些年隨著三維遙感技術的發(fā)展,三維選線開始在公路、鐵路、電力和橋梁等設計中開展應用[2-4]。三維場景是其中十分重要的組成部分,它為選線設計者在計算機屏幕上提供了最直觀的空間選線環(huán)境,可以對整個選線區(qū)域進行全方位的觀察、對不同的選線方案進行有效的篩選,實現(xiàn)室內擬實選線。在三維場景中選線,可以大量減少野外工作量和工作時間,有效地縮短勘察設計工期,節(jié)約人力和財力,同時還可認真研究其對環(huán)境的影響,加強環(huán)境評估,提高鐵路設計方案的社會經濟合理性。

本文研究利用高分辨率遙感影像和精細數(shù)字高程模型數(shù)據(jù),建立模擬現(xiàn)實的三維空間場景,討論三維選線技術框架和關鍵技術的實現(xiàn),并在“鐵路線路虛擬踏勘系統(tǒng)”的海量數(shù)據(jù)管理平臺上,進行鐵路選線及線形設計,為鐵路三維協(xié)同選線設計提供參考。

2 基于三維場景鐵路選線系統(tǒng)架構及關鍵技術

充分利用遙感技術、地形三維建模技術快速獲取選線區(qū)域的高分辨率影像和數(shù)字高程模型(DEM),結合計算機圖形學、數(shù)據(jù)建模技術快速建立選線系統(tǒng)的三維虛擬地理環(huán)境,并在該三維環(huán)境中進行選線設計。可輔助進行新建鐵路的線路平面設計、縱斷面設計、用地排水設計、線路方案比選及工程虛擬現(xiàn)實演示,為鐵路選線方案的系統(tǒng)性、科學性和合理性提供了一個實用便利的手段和平臺?；谌S空間場景的鐵路選線系統(tǒng)結構見圖1,其包括以下過程:(1)獲取線路經過區(qū)域的DEM和高分辨率影像圖;(2)三維空間場景的建立與渲染;(3)平面初步定線;(4)三維平縱橫綜合選線設計;(5)三維立體模型定線及方案比選,確定終選方案。

圖1 基于三維空間場景的鐵路選線系統(tǒng)結構

關鍵技術主要包括如下內容。

(1)三維空間場景的實現(xiàn)技術。三維空間場景的生成、瀏覽及數(shù)據(jù)管理技術,包括二、三維一體化的空間數(shù)據(jù)管理及分析模型的建立;精細場景的動態(tài)調度、裁剪;網(wǎng)絡無縫可變帶寬運行;多處理器、多計算機的集群處理技術;多坐標系自動轉換;設計參數(shù)自動建模;屬性數(shù)據(jù)快速關聯(lián);多數(shù)據(jù)源動態(tài)管理等。紋理采用遙感影像及數(shù)碼相片聯(lián)合匹配,高精度表現(xiàn)地形模型。將遙感影像和地面的DEM疊加,采用了消隱、光照、紋理映射等參數(shù)的設置,真實再現(xiàn)了三維地表景觀。

(2)三維選線關鍵技術。包括在三維場景中,線路走向的交互設計,平、縱、橫綜合選線設計,以及車站的選址、橋隧最佳通過位置的選擇等設計。具體包括線路平面線形交互設計、線路平面斷鏈編輯、線路縱斷面交互式設計、車站、橋隧等工點交互設計、三維中線的生成與編輯、三維模型的建立、還可輔助有排水系統(tǒng)設計、房屋及供變電地址的選擇等。最后結合三維場景對線路方案進行系統(tǒng)評估,確定線路方案是否合理,并進行投資估算和方案評價。

(3)海量數(shù)據(jù)管理與交互設計技術。為了保證鐵路三維虛擬踏勘與選線系統(tǒng)的靈活性、兼容性和易用性,保證勘察設計人員能夠快速掌握,方便鏈接各種資料,系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理平臺實現(xiàn)了能夠快速查找并管理各種資料,如CAD文件的導入、導出,說明文檔的快速鏈接、數(shù)據(jù)庫資料的快速查找等。

此外,基于三維空間場景進行遙感地質判釋,查明鐵路線路沿線的不良地質類型、規(guī)模、分布范圍,并將判釋結果添加到三維空間場景中,在鐵路選線過程中有效地避讓不良地質,使鐵路選線方案更加合理、安全。

3 三維空間場景實現(xiàn)

三維空間場景實現(xiàn)主要由2個關鍵部分組成:正射影像圖(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)。數(shù)據(jù)處理流程見圖2。

圖2 三維空間場景實現(xiàn)流程

(1)DOM制作數(shù)據(jù)源包括衛(wèi)星影像和數(shù)碼航攝影像。衛(wèi)星影像包括中高分辨率衛(wèi)星影像如QUICKBIRD(全色 0.61～0.72 m+多光譜 2.44～2.88m)、ALOS(全色2.5m+多光譜10m),中低分辨率TM衛(wèi)星影像等。主要數(shù)據(jù)處理過程包括輻射校正、幾何糾正、全色與多光譜影像精配準、全色與多光譜影像融合、調色等。由原始航空影像制作DOM要經歷正射糾正、影像鑲嵌、調色等處理流程。

(2)地形建模數(shù)據(jù)包括矢量地形圖數(shù)據(jù)和LiDAR數(shù)據(jù)等,矢量數(shù)據(jù)通過插值運算和坐標轉換得到DEM, LiDAR數(shù)據(jù)處理一般包括GPS/IMU聯(lián)合平差計算、點云濾波、坐標轉換處理。在統(tǒng)一坐標系后,將得到DOM和DEM數(shù)據(jù)發(fā)送到雷達處理軟件進行三維場景渲染,得到三維遙感虛擬場景,進一步進行發(fā)布和應用。

從實際的生產過程來看,在方案預可研與可研階段,三維地形影像數(shù)據(jù)實現(xiàn)主要以衛(wèi)星圖像和低分辨率DEM為主,DEM一般為25萬DEM或目前最新發(fā)布的5萬DEM;初測階段可利用航空攝影測量制作較高精度DOM和DEM;定測階段可采用更高精度的機載LiDAR DEM數(shù)據(jù)和高分辨率航攝影像制作DOM和DEM。

4 三維空間場景選線的實現(xiàn)及優(yōu)勢

在選線過程中,基于高精度數(shù)字高程模型,并利用高分辨率遙感圖像作為紋理,對研究區(qū)進行三維虛擬地理景觀可視化模擬,獲取模擬真實三維的地面景觀,增加對沿線地面信息的直觀認識,提高可視化效果。在此基礎上綜合分析線路所經區(qū)域內地形、地貌、地質條件及環(huán)境敏感區(qū)分布等相關因素,提出技術經濟合理、工程方案可行的線路方案,為提高線路方案的科學性提供支撐。

采用高精度航攝數(shù)碼影像和精細DEM數(shù)據(jù),建立鐵路線路三維虛擬踏勘系統(tǒng)。利用其海量空間數(shù)據(jù)的管理能力,將各種工程背景信息進行融合,結合CAD平面設計進行鐵路選線。基于精細三維空間場景,將平面設計參數(shù)進行三維建模處理,結合三維空間場景,進行線路、工點及站場設置合理性、重疊性和冗余性檢查,并進行優(yōu)化,從而實現(xiàn)隧道、橋梁、邊坡及路基等空間選形及設計(圖3)。

圖3 三維空間場景鐵路選線

其優(yōu)勢如下。

(1)在選線過程中通過逼真的3D立體顯示,更加直觀、立體地觀看路線選址,以及站場、橋梁、隧道、路基等結構物在地形中的布設,將鐵路選線與實地真實三維景觀緊密結合,快速計算出線路土方量和工程造價,有利于線路方案的優(yōu)化和多個線路方案的比較,提高了線路工程類別選擇的合理性及工程數(shù)量準確度,保證了方案比選精度和準確性。

(2)鐵路線路三維可視化能充分地發(fā)揮遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,解決傳統(tǒng)的圖上選線和設計與實際地形、地質條件不符,野外踏勘工作繁瑣的弊端。在可行性研究階段初期,利用遙感圖像三維可視化可以解譯識別地形和地質條件,能夠表現(xiàn)現(xiàn)場地形地貌情況,使得選線和設計場景更加接近真實的地貌和地質情況,可減少設計人員野外實地踏勘驗證的工作量。從而減輕勘察設計人員的勞動強度,提高工作效率,縮短勘察設計周期。

(3)推動鐵路勘察設計向三維協(xié)同方向快速發(fā)展。目前,以GPS、GIS、RS技術和現(xiàn)代航測技術等為主的新一代測繪綜合技術的應用,不僅使測量手段發(fā)生了根本性變革,也使勘察和設計專業(yè)趨向融合,鐵路勘測設計一體化和三維協(xié)同設計正在逐步實現(xiàn)。

(4)可提高工程設計的總體性和系統(tǒng)性。使專業(yè)接口更加順暢合理,系統(tǒng)設計更加協(xié)調和完善。鐵路線路三維立體選線為各個專業(yè)的接口設計及協(xié)調配合提供了基礎條件,利于提高接口設計方案的可行性及合理性。

(5)基于高精度的三維空間場景進行鐵路選線,可有效地避讓房屋等建筑物,減少了房屋的拆遷量;可充分考慮沿線的地形及森林覆蓋,采取跨樹或避開森林的方案,減少了樹木的砍伐,保護了生態(tài)環(huán)境。

由此可見,將遙感圖像三維可視化技術應用于鐵路選線,可以實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實中快速進行線路、路基、橋梁、隧道等工點的可視化設計,將設計人員從不必要的體能消耗和智力浪費中解放出來,贏得了時間和精力,使設計人員的大量時間和精力投入線路方案的比選論證、工程措施的研究和處理中,有效地解決現(xiàn)在線路方案優(yōu)化困難的問題,提高了線路專業(yè)的設計質量,為困難復雜地區(qū)的選線提供了一套較為完整的技術解決方案。

5 三維空間場景選線設計成果

將三維可視化信息管理平臺和CAD軟件進行有機的結合,一方面為線路專業(yè)設計人員提供了線路方案選擇的方便快捷工具;另一方面項目總體可直觀、快捷地閱讀線路的全部工程內容,及時發(fā)現(xiàn)各工點的設置是否合理,有無差、錯、漏、重疊等情況;三維可視設計成果也可為提高建設管理及運營管理質量提供支撐。通過設計軟件完成線路專業(yè)需要的成果圖,使線路專業(yè)的設計工作更加系統(tǒng)化?？商峤蝗缦鲁晒? (1)線路方案三維瀏覽地形渲染圖;(2)局部方案比選成果圖、方案比較表;(3)平縱斷面成果圖;(4)相應比例尺成果圖;(5)相關成果的數(shù)據(jù)庫等。

6 結語

鐵路線路三維空間場景選線技術,采用高精度、高分辨率影像和DEM資料作為基礎資料,可以直觀表現(xiàn)現(xiàn)場復雜的地形地貌,在此基礎上開展線路選線設計。可以充分利用現(xiàn)場詳細的基礎地形資料,使設計方案更加合理,設計成果以三維參數(shù)化建模的方式得以體現(xiàn),為鐵路設計提出了一條新的思路,代表著未來勘察設計模式的發(fā)展方向,應用前景廣闊。

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Technical Research on Railway Route Selection Based on Three-dimensional Scene

LIGui-fang
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

This article focuses on establishing three-dimensional scene by using the data which were collected from light detection and ranging and digital aerial camera.Then,the datemanagement platform named railway virtual reconnaissance system,and the CAD plane design technique were used for railway route selection.Through the virtual reality technique and CAD plane design technique,the basic terrain was combined with the railway scheme to implement the railway route selection.Thesemethods can make the design more reasonable and reduce the cost of survey personnel and equipment in field site to some extent.

railway route selection;three-dimensional scene;research

U212.32

A

1004 -2954(2012)10 -0019 -03

2012 -06 -13

鐵三院科研項目“鐵路線路方案虛擬踏勘系統(tǒng)”(編號: 720935)

李桂芳(1965—),女,高級工程師,1987年畢業(yè)于蘭州鐵道學院,工學學士,E-mail:liguifang@tsdig.com。