铁路三维建模实现意义及路基可视化研究

　　李航+栗江峰
　　摘 要：随着中国铁路的高速发展，单一、抽象的一维和二维建模形式已经不能满足现代铁路的建设、运营和管理，而对数据三维可视化、仿真模拟、空间分析等方面的需求日益增长。三维可视化技术以立体技术展示空间信息，不仅能够表达空间对象间的关系，而且能对空间对象进行三维空间分析和操作，因此三维可视化技术成为铁路信息化发展的趋势。
　　关键词：铁路选线；三维建模；路基；边坡
　　近年来，随着我国铁路尤其是高速铁路的大批量铺设，铁路行业已经进入了一个快速扩张阶段。高速铁路的发展的同时直接加快了中国铁路系统的信息化改进，铁路部门为实现信息化而建立MIS ，即TMIS、 DMIS等大型管理信息系统。使用GIS （地理信息系统）来实现信息系统中与地理空间相关的数据的分析和管理，并建立了各自的GIS子系统，MIS在铁路建设运营管理中发挥着重要作用。
　　一、铁路三维建模的改善作用
　　在我国的铁路系统中已经广泛应用GIS技术，但相关数据的可视化显示仍存在缺陷，例如以二维地图为其图形界面，在利用铁路空间数据的高程信息以及遥感影像信息上同样存在劣势，再如铁路各部门仍以文本形式来表达各种信息系统中的数据，其扩展性劣势凸显，未对数据充分利用和信息表达的模糊，都无法满足现代铁路管理部门对运营、空间数据、设计方案评价等多方面的要求。所以创建三维可视化、可交互的信息工具显示铁路空间数据十分关键。铁路线路的三维模型在数字高程模型（DEM）的基础上表达，即铁路线路的三维可视化，是＂数字铁路＂的重要组成部分。
　　（一）铁路线路三维整体模型包含了所有空间信息，根据线路上的位置索引信息数据，可以为建立完整的铁路信息模型服务，实现铁路信息化，为信息资源的共享创造条件。
　　（二）铁路线路三维模型的另一特点是逼真的虚拟场景，根据铁路部门管理技术人员的需要在电脑屏幕上显示直观场景，打破二维模型抽象的工作环境，包括工程的建设阶段和铁路的运营管理阶段，极大的提高人员的工作效率。
　　（三）铁路线路三维整体模型在铁路施工前的选线阶段发挥作用，辅助铁路选线设计人员根据不同的地理环境，自动生成相应的设计，在不同方案的提出、比选、决策阶段都能提供方便、直观的虚拟环境，改善精确度和提高了效率。
　　二、铁路线路路基三维可视化方法
　　三维铁路线路的实现基于平面设计的结果，计算出中线主点的大地坐标，以里程为单位，把平、纵设计结果及横断面地面线联系起来，按路基标准横断面的设定，计算出线路左、右两侧路肩边缘点和路基边坡与地面线交点的三维空间坐标。
　　（一）首先每隔10米取以线路里程为基准的点三维坐标的集合，然后利用线路中心线坐标点计算两侧的特征点坐标
　　（二）判断路基两侧填挖类型，有挖方和填方两种类型，需要挖方的计算排水沟各特征点的坐标，生成路堑边坡；需要填方的直接生成路堤边坡。
　　（三）通过纹理贴图，实现具有较强真实感的三维路基模型。
　　三、实现难点及技术方案
　　（一）边坡是线路路基的路堤和路堑，其中路堑还需要设置水沟。在生成边坡模型前，需要预先设定对应的参数，如道床顶面宽度，道床边坡坡率，道床厚度，路肩宽度，排水沟的相关参数，一级边坡相关参数，二级边坡相关参数，护墙相关参数等。根据线路两侧填挖类型的不同，边坡分为路堑边坡和路堤边坡，对应的边坡生成算法分为路堑边坡生成算法和路堤边坡生成算法。
　　（二）线路任一点里程大地坐标的计算。在曲线平面设计的过程中应先算出线路各主点里程的大地坐标，根据要求的任一里程点是在哪一段直线或者曲线或者缓和曲线上，分别根据大地坐标与局部坐标的转换来计算。
　　（三）路基边坡与地面交点的计算。中桩处填、挖不能完全反应断面的填挖情况，须由路肩边缘点与相应地面线的高程关系分别确定路基两侧的填挖情况，这就需要用到DEM内插高程来判断。以中桩点地面线位置为原点O，以路基面为 X 轴、中心桩为 Y 轴，对每个横断面建立局部坐标系。在路肩边缘点处依次进行放坡，直至与地面线相交为止，求出其与地面折线交点。
　　（四）原始地形和路基的叠加分析。由于路基与地形相交组成的是复杂的不规则多边形，如果用点是否在多边形内的方法进行判断，算法十分复杂。采用 GIS 的空间叠加分析来进行运算，原始地形为点数据集，路基与地形交接为面数据集，点面数据集间的擦除运算，除路基范围内的地形点，最后在运算结果集中，追加相应的路基点集。
　　四、三维显示
　　铁路三维线路静态显示并不能满足要求，更需要交互式的动态显示。使用计算机硬件之外，OpenGL为实现三维显示的提供了软件技术能力：显示列表和双缓存技术。有两种三维显示表达：一种是视点不动而目标移动；另一种是目标固定视点移动。两种显示方式都是通过釆用改变模型变换矩阵或投影变换矩阵的方式得以实现。
　　（一）视点不动目标移动。这种显示方式比较简单，可以采用两种基本投影：平行投影和透视投影。在设置投影之后，就可以通过实时改变基本模型变换矩阵如平移、旋转、缩放等相应参数来改变目标物体在对应投影方式下的实时显示效果。
　　（二）目标固定视点移动。视点沿着预先设定的路径移动，例如线路的设计中线，并采取透视投影以达到真实的显示效果。
　　路基三维建模完成后，可以选择一定的浏览模式，设置一点的浏览高度进行线路路基的漫游，直观的观察线路路基的三维效果。