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张亚南
中国中铁二院工程集团有限责任公司 四川成都 610031
【摘 要】我国高速铁路快速发展,在高速铁路的设计、投标、汇报中,三维可视化技术使受众直观看到工程完工后的景象,对于项目的设计、中标、景观、环保等都具有重要意义.本文介绍了从地形获取到利用Civil 3D建立道路模型,最后导入3ds Max进行渲染生成的三维可视化展示全套技术.
【关键词】高速铁路,三维地形,Civil 3D,3ds Max Design
随着我国高速铁路的发展,对高速铁路的投标、汇报、展示等相关技术也提出了更高的要求.传统的铁路勘测设计都是采用cad软件进行2D方式设计：导入二维的等高线dwg图形,在等高线上进行线路定线设计,在线路纵断面上进行线路高程设计.这种方法形成的设计图纸无法形象直观的表现设计结果,观察线路需要观看者利用识图能力和空间想象力在脑海中合成线路的三维走向,非专业人员很难读懂相关资料.因此,三维可视化技术的诞生就显得尤为重要.通过三维可视化技术,可以在真实的地形曲面上直观查看地形走向及高程,直接按照地形及设计要求进行线路设计,可实时对线路走向进行调整,方便线路的比选,可以实时得到工程的挖填方、坡度、曲线半径等技术参数.线路设计完成后,可以对道路模型进行渲染,使线路在施工建成以前就能真实的看到建成后的实际效果.对于方案比选、环境评价、景观设计等具有重要的参考价值.而且,可视化技术所产生的参数化模型数据对于数字铁路技术的发展,如数字化施工,数字化维护等等方面的应用都具有重要意义.
本文从三维地形获取,铁路线路模型生成,三维场景展示等三方面对三维可视化技术进行探讨.
一、三维地形获取
本文所使用的三维地形采用ASTER GDEM V2数据,该数据是由日本METI和美国NASA联合研制并免费向公众分发.ASTERGDEM数据产品基于“先进星载热发射和反辐射计(ASTER)”数据计算生成,是覆盖全球陆地表面的高分辨率高程影像数据.2015年1月6日正式发布ASTER GDEM V2全球数字高程数据,该数据精度达到了30m空间分辨率,是当前可以免费获取的最高精度地形数据（Google Earth中所使用的是90m精度的地形数据）.该数据国内由中国科学院计算机网络信息中心提供,可在其论文范文上http://www.gscloud.cn/下载.
数据下载后,得到一个zip压缩的文件,把这个文件直接拖入Global Mapper软件,就可以看到三维地形数据了,然后选择“文件/输出/输出海拔网格格式/DEM”,在出现的对话框中框选所需要的地形范围就可以导出线路设计所需要的dem地形数据.
二、铁路路基模型生成
地形生成后,我们把地形导入道路模型生成软件进一步制作.
本文所使用的模型生成工具是由Autodesk公司出品的土木工程设计软件AutoCAD Civil 3D,它的三维动态工程模型有助于快速完成道路工程规划设计.我们知道,三维可视化道路模型制作的最大难点就在于道路路基的挖方和填方模型制作,因为挖填方是根据地形的起伏和道路高程点变化而不断变化的,在填方时需要制作锥台,而挖方时又要对地形进行布尔运算,而且边坡和地形的结合也要通过手工进行节点调整,工作难度和强度都非常高.而运用 Civil3D则可以非常快捷的完成这一工作.道路模型的生成步骤如下：
1.导入地形曲面：利用“曲面/从DEM创建曲面”工具,导入dem地形.
2、设计平面路线：利用“路线/按布局创建路线”工具,我们可以直接在地形上设计出道路中心线.利用几何点、要素线、圆曲线半径等参数进行线路调整.
3、纵断面设计：利用“纵断面”工具,根据设计的平面路线和地形生成地形曲面纵断面,然后,根据线路走向和地形高程设计线路的纵断面.
4、道路装配设计：装配可以理解为道路的纵断面结构,包括主车道、路肩、边沟、边坡等部件.Civil 3D的装配是参数化的,可以在部件上加入条件判断语句,使道路根据地形起伏自动进行挖填方设计.
5.生成道路模型：使用“道路/创建道路”命令生成道路模型.
这个过程是完全智能的,可以综合设计的道路中线、装配、地形曲面等参数对道路路面、边沟、挖填方进行生成.如果发现设计错误,可以随时返回到前面任何一部进行调整,然后重新生成,大大提高了设计速度和精度.
6、模型导出：Civil 3D可以方便的完成道路建模工作,道路的三维模型与地形曲面也完美的配合.但是,civil 3d的模型表现能力有限,没有真实的材质和光影渲染能力,所以,我们需要把civil 3d生成的模型导入到Autodesk公司的另一款三维动画制作软件3dsMax Design中进行后期效果的制作.在civil 3d中选择“导出到Civil View for 3ds Max Design”选项,选择生成的道路和地形曲面模型,点击导出,即可得到一个后缀名为vsp3d的文件.
三、三维场景展示
打开3ds Max Design 2014“Civil View”选项,选择“几何体导入/Civil 3d(vsp3d)文件”选项,打开上一步生成的vsp3d文件,点击确定,由Civil 3d生成的道路模型和地形曲面就完美的导入到3ds Max Design的窗口中.在3ds Max Design中,我们可以增加铁路轨道、轨枕、接触网等铁路设施,可以制作隧道、桥梁等相应工程,可以调整路基边坡的贴图植物,在道路的两旁种植合适的景观树,并可以将地形对应的卫星影像作为贴图附加到地形曲面上.在模型制作完成后,可以添加真实的环境光照,然后对场景进行渲染,获得照片级别的真实效果图或影视级的三维动画.
结束语
本文以高速铁路来探讨三维可视化技术,但此类技术在公路、建筑等土木工程中都具有广泛的发展前景.利用本文介绍的三维可视化成套技术,把项目放到真实的环境地形中,使观看者更易于理解项目的技术细节,更快的接受项目.不仅提高了道路三维可视化设计的质量和速度,还能够带来巨大的经济效益和社会效益.
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