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(huán)境直接影響駕駛員的駕駛行為。

國內現(xiàn)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(lián)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(jīng)驗,甚至一些設計缺陷和疏漏被直接帶到后期運營中,引發(fā)一系列的交通事故。

相比傳統(tǒng)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(shù)字地面模型的基礎上進行的，數(shù)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(shù)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(jù)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(qū)域的數(shù)字地面模型。

1 數(shù)字地面模型的建立

數(shù)字地面模型可以通過航空和航天遙感資料作為數(shù)據(jù)源，對于小區(qū)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(qū)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(tǒng)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(shù)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(qū)域進行無人機航拍，將拍攝得到的圖像導入到PhotoScan中，系統(tǒng)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(shù)據(jù)逐步加密生成一組用三角網(wǎng)格形式表達的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yè)的三維道路設計軟件，它是在數(shù)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(chuàng)建參數(shù)化的三維模型。在路線設計之前首先創(chuàng)建曲面，將PhotoScan生成的點數(shù)據(jù)按照選定的格式添加到Civil 3D中的曲面定義中，生成三角網(wǎng)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(chuàng)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(chuàng)建路線的類型，也可以直接創(chuàng)建無曲線的交點線，在布局參數(shù)中修改或添加所選子圖元的相關參數(shù)；在路線圖元表中為直線、曲線和緩和曲線輸入數(shù)字參數(shù)值來調整線形的布局。路線的布局參數(shù)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(chuàng)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(chuàng)建縱斷面時，路線或曲面維持著實時動態(tài)關聯(lián)，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(shù)。

在指定的曲面上創(chuàng)建平、縱斷面后才能創(chuàng)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(chuàng)建特定類型道路的裝配，在特性中修改部件的參數(shù)和名稱模板。利用創(chuàng)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(shù)字地面模型數(shù)據(jù)，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。