城市軌道交通三維系統(tǒng)制作與應用探討

李平蒼

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

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城市軌道交通三維系統(tǒng)制作與應用探討

李平蒼

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

分析我國當前軌道交通現(xiàn)狀，充分利用既有航空影像，將三維數(shù)字城市技術(shù)、參數(shù)化建模技術(shù)、視頻制作技術(shù)有機結(jié)合，研究探討軌道交通項目三維系統(tǒng)制作方法；具體介紹三維系統(tǒng)在軌道交通項目的勘察設(shè)計、匯報展示、物業(yè)開發(fā)、施工建設(shè)、運營維護等方面的應用。

軌道交通 三維系統(tǒng) 制作方法 應用

城市軌道交通是城市公共交通系統(tǒng)的一個重要組成部分，它通常是以電能為動力，采取輪軌方式的快速大運量公共交通的總稱。目前，我國城市軌道交通主要有地鐵、輕軌、有軌電車和磁懸浮列車等多種類型。隨著我國城市化建設(shè)步伐的加快，大量人口涌入城市，城市人口密度驟然增加，中心城市不斷向周邊輻射。為了緩解城市擁堵，方便市民出行，軌道交通建設(shè)的緊迫性大增，各大中城市紛紛規(guī)劃建設(shè)軌道交通項目。

三維可視化信息系統(tǒng)是三維地理信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、三維建模技術(shù)和計算機技術(shù)等技術(shù)手段的有機結(jié)合，可以實現(xiàn)用真實三維場景來表現(xiàn)真實空間地理要素的目的，具有直觀性、可視化、精細表達三維空間的優(yōu)點。由于城市軌道交通項目在初定測階段都進行了航空攝影，可以利用既有的影像數(shù)據(jù)建立地面三維模型、建筑物模型、道路交通模型，再根據(jù)設(shè)計資料對軌道交通線路進行建模，將各種模型集成制作軌道交通三維系統(tǒng)，真實模擬建成后效果。

1 城市軌道交通三維系統(tǒng)制作

1.1 地面三維模型的建立

地面三維模型是是利用數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像疊加而成，逼真反映地形起伏特征、地表形態(tài)和地表影像的模型(如圖1所示)。地面三維模型數(shù)據(jù)應全面完整，模型紋理應真實反映地形地貌的顏色、質(zhì)地和圖案，空間位置應具有拓撲一致性。三維場景中地面三維模型可根據(jù)場景的大小分層次建立。線路附近的影像分辨率應優(yōu)于0.2 m，DEM精度應滿足1∶1 000比例尺精度要求。根據(jù)離線路方案的距離逐級降低影像分辨率，線路外圍場景可以利用分辨率為0.5～10 m的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和ASTER GDEM數(shù)據(jù)建立。

圖1 地面三維模型

1.2 沿線建筑物建模

對城市軌道交通沿線建筑物進行三維建模，可分為如下幾個步驟。

(1)建筑物紋理采集

建筑物紋理采集是利用數(shù)碼相機對建筑物外觀紋理進行現(xiàn)場拍照。拍攝前應準備好正射影像圖或地形圖，根據(jù)線路走向?qū)π枰臄z的建筑物逐一編號。每個建筑物均需進行多角度實地拍攝，拍攝時應先全景再局部，照片應能清晰表現(xiàn)建筑物結(jié)構(gòu)及紋理特征(如圖2、圖3所示)。全景拍攝十分重要，它是建筑物建模時樓層高度、整體外觀效果的最佳參考，對后期三維建模、材質(zhì)效果處理有很大幫助。

圖2 建筑物全景拍攝

圖3 建筑物局部拍攝

(2)建筑物立體采集

建筑物立體采集是指利用數(shù)字攝影測量工作站在立體模式下采集建筑物的平面幾何和高程數(shù)據(jù)(如圖4所示)。采集時以面為單元，同一水平面上的結(jié)點高程要一致。

圖4 建筑物立體采集模型示意

(3)建筑物模型制作與貼圖

利用3DS Max等建模軟件，根據(jù)事先采集的矢量數(shù)據(jù)對建筑物進行建模，保證每棟建筑是一個獨立的實體，由裙樓或通道連接的建筑可根據(jù)文件數(shù)據(jù)量、細節(jié)表現(xiàn)等因素進行拆分，但要保證整個建筑的完整性。

模型貼圖前要對紋理的大小、色調(diào)、精細度進行相應處理，紋理的長、寬為2的n次冪像素值；紋理的大小盡量控制在1 024像素×1 024個像素以內(nèi)；紋理的色彩需使用PS軟件進行調(diào)整，使其對比度適中，層次感強，建筑物整體色彩統(tǒng)一，具有真實感。圖5為紋理貼圖前后建筑模型效果對比。

圖5 紋理貼圖前后建筑物模型

(4)既有道路建模

在立體模式下進行道路及附屬設(shè)施的平面幾何和高程數(shù)據(jù)矢量采集，通過建模還原其真實現(xiàn)狀。道路模型應真實反映道路的結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)地、色彩等特征，紋理應清晰可辨，效果與實際一致(如圖6所示)。

圖6 既有道路模型

1.3 設(shè)計資料建模

軌道交通線路主要包括橋梁、隧道、路基等，需要根據(jù)設(shè)計資料進行三維建模?？煞譃槿缦聨讉€步驟。

(1)設(shè)計資料準備

線路平縱斷面圖、CAD中線文件；

工點缺口里程，格式為“工點名稱+起始里程+終點里程形式”；

路基、隧道、橋梁、站場等設(shè)計圖紙；

根據(jù)以上資料提取線路三維中線，并制作工點表(如圖7所示)。

圖7 工點表格式

(2)參數(shù)化建模軟件開發(fā)

基于3DS Max等建模軟件，利用ObjectARX技術(shù)開發(fā)用于軌道交通線路參數(shù)化建模軟件(如圖8所示)，能夠快速從設(shè)計圖紙中提取各種設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)自動化參數(shù)化建模。

圖8 參數(shù)化建模界面

(3)參數(shù)化建模

根據(jù)線路三維中線、工點表和從設(shè)計圖紙中提取的設(shè)計參數(shù)，軟件自動生成工點模型，并對模型進行對應貼圖(如圖9所示)。

圖9 橋梁參數(shù)化建模

1.4 三維系統(tǒng)集成

將地面三維模型、建筑物模型、設(shè)計線路模型、矢量信息數(shù)據(jù)集成到Skyline等三維信息管理平臺，創(chuàng)建真實的三維交互環(huán)境，模擬城市軌道交通建成后效果(如圖10所示)。

圖10 城軌三維效果

2 城市軌道交通三維系統(tǒng)應用

2.1 應用于勘察設(shè)計

在城市軌道交通項目勘察設(shè)計階段，設(shè)計人員和決策層可以利用三維系統(tǒng)進行多尺度多視角的瀏覽、分析和研究方案，具體有如下幾個方面的應用：

①利用三維系統(tǒng)輔助各專業(yè)人員踏勘調(diào)查，減少外業(yè)現(xiàn)場踏勘次數(shù)。

②輔助地質(zhì)專業(yè)判讀沿線不良地質(zhì)、地形。

③將各專業(yè)設(shè)計資料進行建模集成，很容易發(fā)現(xiàn)專業(yè)設(shè)計間的差錯漏等問題。

④建模后能直觀地在三維場景中進行方案比選，幫助選擇最佳的設(shè)計方案。

⑤利用三維系統(tǒng)進行多角度、多視角錄屏，充分展示線路走向和重要工點，通過剪輯、特效加工與包裝并配以解說詞，制作軌道交通項目三維宣傳視頻，向城市軌道交通規(guī)劃管理部門匯報項目建設(shè)的重要意義，向當?shù)匕傩照故绢A建項目與周邊環(huán)境的和諧關(guān)系和對市民出行的便利，便于贏得地方政府和百姓對預建軌道交通項目的認可。

⑥利用三維系統(tǒng)可以更好地規(guī)劃研究城市軌道交通沿線和車站周邊的物業(yè)開發(fā)，直觀模擬建成后效果，實現(xiàn)城軌與商業(yè)的無縫銜接。

2.2 應用于施工建設(shè)

在軌道交通項目施工建設(shè)階段，可以基于三維系統(tǒng)進行施工進度、防災、視頻監(jiān)控等功能的開發(fā)，可以實現(xiàn)對軌道交通的施工進度、現(xiàn)場安全、工程質(zhì)量等有效管控，提升施工組織管理效率。主要應用有如下幾個方面：

①在三維系統(tǒng)中建立各種設(shè)計模型和設(shè)備模型，可對基礎(chǔ)地形進行相應的填、挖方效果展示，模擬施工效果，便于檢查施工方案的合理性。

②改變以往以報表形式表示工程進度的方式，利用三維系統(tǒng)可以實現(xiàn)工程進度預警、施工進度動態(tài)監(jiān)測和施工進度更為形象的模型化展示(如圖11所示)。

圖11 隧道施工進度展示

③在施工現(xiàn)場布設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)備，通過互聯(lián)網(wǎng)將視頻監(jiān)控信號接入三維系統(tǒng)，可進行重點區(qū)域的地質(zhì)災害自動預警，且為施工安全提供直觀的監(jiān)控管理手段。

2.3 應用于運營管理

城市軌道交通的運營管理部門可以將三維系統(tǒng)接入視頻監(jiān)控，實現(xiàn)三維情況下的日常數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)分析和預警，為軌道交通運營提供三維地理信息服務，提升運營管理水平，適應現(xiàn)代軌道交通信息化發(fā)展的要求，更好地進行軌道交通運營管理與維護。主要應用有如下幾個方面：

①根據(jù)三維系統(tǒng)中沿線真實的地形地物特征，對軌道交通沿線環(huán)境可能給線路運營造成的影響進行評估分析，對重要風險點進行視頻監(jiān)控，實現(xiàn)自動預警。

②基于三維系統(tǒng)，建立軌道交通設(shè)備三維可視化管理平臺，對設(shè)備部件進行建模并賦予地理空間屬性，實現(xiàn)設(shè)備二維臺賬數(shù)據(jù)管理向三維可視化模型管理的轉(zhuǎn)變，三維平臺上更有利于設(shè)備數(shù)據(jù)的查詢、分析、維護等日常管理工作。

③基于三維系統(tǒng)，建立軌道交通應急搶險、災害處理、維修作業(yè)可視化管理平臺，面對災害、事故等緊急情況時，管理者可以利用平臺快速直觀查詢事故周邊地形地物情況，有針對性地制定對策，更好地完成快速搶險、災害處理和維修作業(yè)等工作。

3 結(jié)論

城市軌道交通作為一個城市的名片和標志，對提升城市形象，推進城市的可持續(xù)和諧發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。但項目建設(shè)周期較長，投資巨大，是個大規(guī)模、綜合性較強的復雜系統(tǒng)工程，項目建設(shè)施工、運營管理難度較大，要求較高。而我國在對軌道交通項目進行勘察設(shè)計、施工建設(shè)、運營管理等方面仍然采用二維圖紙或表格文檔形式，建設(shè)管理手段落后。目前，三維地理信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)飛速發(fā)展，全國各個城市都在打造以3D GIS為基礎(chǔ)的數(shù)字城市、智慧城市。軌道交通行業(yè)更應大力推進三維技術(shù)應用，采用多維空間數(shù)據(jù)進行設(shè)計、施工和管理勢在必行。

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Discussion on the Production and Application of the 3D System of Ubran Rail Transit

LI Pingcang

2016-06-07

李平蒼(1976—)，男，1999年畢業(yè)于西南交通大學攝影測量與遙感專業(yè)，高級工程師。

1672-7479(2016)05-0008-04

P208

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