三维虚拟场景中的道路选线设计探讨

2023-01-04 09:41贺钰钦
技术与市场 2022年12期
关键词:选线道路因素

贺钰钦

(郑州市交通规划勘察设计研究院,河南 郑州 450000)

0 引言

我国由于国土面积大,地形复杂,经常会出现丘陵和高山等地貌,有时还会面临严重的自然灾害,这就要求在道路选线过程中,综合考虑各个方面的影响因素,确保道路选线更加科学合理。现阶段,大部分道路选线设计都是利用二维平面设计进行,通过地理信息系统采集信息,然而,此种设计方式存在一定缺陷,只能反映等高线附近地貌与地形。随着科学技术的进步和发展,开始出现三维地理信息系统,它的出现给道路选线设计带来新的机遇,将其进行有效利用,能在一定程度上提升周围地理环境表现力,确保道路选线与实际发展相符合。如何优化三维虚拟场景中道路选线设计工作,成为当前亟待解决的问题。

1. 三维虚拟场景与道路选线概述

1.1 三维虚拟场景

三维虚拟场景主要指的是一种虚拟数字环境,此类环境是由计算机图形图像构造而成的三维数字化模型,利用编制方式,生成视觉感受的人工环境,在这环境中,可实现触觉和视觉等综合感知。在此基础上,可以触摸、观察和检测周围事物的内在变化,并且与之进行交互,实现人与计算机的有效结合,给人身临其境的感受。通常来说,三维虚拟场景中涉及很多技术,包括三维建筑初步建模、CAD设计图数据处理以及场景集成等各个方面,在社会发展中具有促进作用,尤其是应用于道路选线设计,可以为其奠定坚实基础[1]。

1.2 道路选线

所谓道路选线,重点是指在道路规划的起点和终点间选定一条道路中心线,在确保经济合理和技术可行的同时,还应满足道路实际使用要求。道路选线作为一项复杂而多样的工作,经常会受社会经济与自然条件的影响,因此,在进行道路选线时,要考量多方面的影响因素。道路选线一般要从“浅”至“深”、从“总体”到“具体”,从“面”到“带”再到“线”,主要包含以下3个步骤。

1)进行全面布局。该项工作实施,应在“起讫点”和“中间”必须经过的据点,找寻可以通行的路线带,将较大控制点进行确定并连接,形成路线基本走向,比如起讫点与据点之间,可能存在河流或者山岭,这些都需要对路线进行布局。

2)实施逐段安排。确定路线基本走向后,应对控制点进行加密,完成路线布局方案,即在大控制点之间,根据水文、地质以及气候等因素,逐段确定小控制点。

3)具体定线。于逐段安排的小控制点间,结合自然跳进与技术标准,对“横”“纵”“平”各方因素进行综合考虑,反复进行“穿线插点”,确定路线具体位置,使其更加细致与深入[2]。

路线作为道路骨架,选线好坏决定着道路自身的质量,这就意味着道路选线要考量各个方面影响因素,妥善处理各种关系,并遵循相应的原则,具体如下。

1)进行多方案选择。道路设计不同阶段,要使用不同方式,仔细研究路线方案,结合多方论证,在相互比对的基础上,选取最佳的路线方案。

2)科学处理农业与选线之间关系。选线工作中,要和农田基础建设相互配合,尽量不占或者少占包括“经济作物田”“高产田”以及“经济园林”等田地。

3)综合考虑工程造价和养护与管理等费用。路线设计应在安全舒适条件下,确保造价低、工程量小和效益高,并有利于开展通路施工养护和管理。如果工程量增加不是很大,可以适当使用高技术指标[3]。

4)确保路线与周围环境相协调。其中,包括景区和古迹等的道路,应尽量保持原有道路的自然状态,力争实现人工构造物和景观之间的有机协调。

2 三维地形建模

在开展三维地形建模工作时,需要对地图底面数据与基础数据进行相关分析,目的是分析三维地形数据,提升该项工作的有效性。在这一过程中,基础数据主要组成部分包括地形贴图数据和地形数据,处理地形数据时,需要使用ArcMap软件,且地形贴图数据有所区别,重点是利用谷歌地图软件进行处理和获取,将基础数据获取之后,还应处理成相同大小的二维坐标,构建建筑、道路以及水系等有关地理数据。地理数据获取完成之后,要构建“线”和“面”的构建器,对各种矢量数据添加高程值,保存在对应的地理信息系统与数据库中,最后放到文件夹里面。想要在地形上有效显示地物,应利用构件器处理“TIN”数据的同时,将其有效添加至地形数据之中[4]。

利用CityEngine 软件,将地理信息数据处理之后,可以实现数据建模与三维处理,在开展建模处理和软件处理工作中,主要包含以下几个步骤:首先,需要新建工程,打开工程后,要选择相应的新建场景;其次,完成新建场景工作后,应把地理数据导入至对应的新建场景之中,生成三维地形与三维图像;最后,在导入地图地面数据之后,还要使用平移、旋转和缩放等方式,促使地形相互重合,利用计算机体系结果,产生对应的三维数据模型,再分析模型的细节问题[5]。

3 三维虚拟场景中的道路选线设计方法

3.1 确定权重,划分影响因素

一般情况下,进行道路选线设计时,由于会受到多种因素的影响,应进行综合考虑。比如地质层面,要充分考虑到“绿地和高程”“地质与水文”以及“地形坡度”等情况;而对于国家政策来说,需要重视农田设施;人文层面,还要考量不同建筑、房屋以及道路等影响。对影响因素进行分析后,确定不同因素对决策的影响,掌握其所占权重。具体可以应用层次分析法,将全部因素间重要性加以划分,整理成矩阵形式,层次分析法矩阵:

影响因素类型坡度/(°)建筑地质环境农田坡度1247建筑12124地质环境141214农田1714141

通过对矩阵进行检验,计算一致性指标CI,并得出平均一致性指标RI,由CI/RI能够计算出随机一致性比例CR,若是CR小于0.1,矩阵则具有可接受的一致性,若是CR不小于0.1,应对矩阵加以修正的调整,最后检验矩阵一致性,看其是否在可接受范围内。最终对各类因素权重进行有效计算,实际计算方法需要借助MATLAB编程来完成,最终得出各类权重的计算结果为“坡度(0.47)”“地质环境(0.17)”“建筑(0.26)”和“农田(0.07)”[6]。

3.2 实现信息的科学处理及提取和道路选线设计

对于不同地区,水文与地理条件有所不同,这决定了其光谱信息存在差异性,结合获取的影像信息对其进行处理和分类。坡度因素一般要通过DEM使用坡度提取工具进行提取,而高程因素主要由DEM实现分级。另外,建筑因素还需要将矢量化建筑图层进行缓冲区分析。完成信息提取工作后,需要根据重要影响因素计算成本,无论是成本变化,还是不同曲面起伏表现的状态,都能有效形成相应的评价曲线。使用加权总和工具,将道路之外存在的影响因素加以叠加,在道路设计过程中,尽量确保新设计道路与原有道路进行重合,最终产生道路位置权值为0的综合成本评价曲面[7]。

将综合成本评价曲面生成之后,就可以开展相应的道路选线设计工作。主要包含以下步骤:首先新建2个“shpefile”格式的点图层,在其中一个图层之中,画出道路起点,而在另一个图层里面标出道路终点、起点和经过点,根据综合成本评价曲面,应用相应的成本距离工具,输出“成本距离栅格”;然后使用成本“回溯链接”输出成本“回溯链接”栅格;最后利用获得的“成本距离栅格”和“成本回溯链接栅格”,对成本路径进行有效分析,得出最后的选线结论。

3.3 实现三维图像的显示与有效分析

完成对应的选线设计作业后,还需要对所选择的道路进行矢量化,要想实现这一目标,就要使用AecScreen当中的“模型构件器”,赋予其对应的高程值,同时将其保存至“gdb”文件夹内,保存完成后,需要导入至提前创建的三维地形里,实现对道路的漫游观察,站在三维角度,分析道路具体情况,这类数据就可以作为未来三维地理信息的原始创建数据。

除此之外,在三维地形图中结合不同影响因素,分析其对道路选线产生的影响,从而在选线结果中体现出来。依照模型设计本身意图,在道路经过的一些区域,坡度尽量要保持小一点,这样选线结果才能满足道路设计基本要求,确保线路更加安全和稳定。选线期间,需要避免很多区域,包括“房屋”和“绿地”等,若是部分地质结构较差的区域应对其实施重点分析,不但要保障道路选线对设计要求相一致,还应考虑到各个方面影响因素,最大程度降低成本[8]。

3.4 效果分析

三维虚拟场景中的道路选线设计,通过使用矢量数据以及数字栅格方式,将不同影响因素充分考虑其中,建立相应的三维模型,能够获得良好的效果,并确保道路选线的科学性,实现道路选线设计的进一步优化和完善,降低了成本费用,具体表现在以下几个方面。

1)实施道路选线作业时,既要结合道路选线基本原则,又要分析选线设计的各类影响因素,有效应用层次分析法,将不同影响因素权值大小进行有效确认,从而实现各类影响因素的动态化考虑与分析,进一步优化道路选线结果,为选线结果的安全性和可靠性提供有力保障[9]。

2)使用地理信息系统,管理获取的地理数据信息,将多个影响因素加以充分考量,结合相关要素,产生相应的综合成本评价曲面,应用曲面之间的最短路径与最短距离,增强道路选线的科学性和准确度,确保选线操作更加规范和标准。与此同时,依照各类影响因素,考虑系统的整体性与综合性,进一步强化系统的整体性,从而降低信息与数据的实际分析难度。

3)利用地理信息,使用相关语法与语言规则,促进道路选线二维与三维的联动设计,提升语言设计的可视化程度,实现人机交互,强化两者之间的相关性,确保各类信息能够得到有效利用,最终在三维虚拟场景中,完成道路选线设计工作,提升道路选线设计的科学性和合理性[10]。

4 结语

要想从根本上提升三维虚拟场景中的道路选线设计水平,相关人员就要充分了解三维虚拟场景以及道路选线的相关内容,结合我国道路选线工作中面临的问题,通过科学有效的方式,将三维虚拟场景在道路选线设计中的最大价值发挥出来,满足不同工作环节要求,保障道路选线设计各项工作的顺利开展。

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