在虛擬現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)鐵路

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地理信息系統(tǒng)平臺(tái)與衛(wèi)星影像地圖軟件可提供便利的、開(kāi)放式、豐富的真實(shí)地理環(huán)境信息資源。鐵路研究單位可通過(guò)真實(shí)地理環(huán)境與設(shè)計(jì)方案有效地結(jié)合，并應(yīng)用在城際鐵路、客運(yùn)專線隧道與橋梁等項(xiàng)目中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)直觀地展現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，評(píng)價(jià)相應(yīng)工程設(shè)計(jì)方案對(duì)沿線地區(qū)所產(chǎn)生的影響，實(shí)現(xiàn)工程前期設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和論證。

場(chǎng)景再現(xiàn)

在鐵路工程方案前期策劃和論證的過(guò)程中，需要直觀地表現(xiàn)出設(shè)計(jì)方案與既有線路周邊環(huán)境和地貌的融合，為方案選型提供重要的決策依據(jù)，而三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)⒐こ探ǔ珊蟮那闆r生動(dòng)真實(shí)地展現(xiàn)出來(lái)。但是在實(shí)際項(xiàng)目中，時(shí)間緊、工作量大和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏，往往使得鐵路項(xiàng)目的虛擬展現(xiàn)非常困難。

首先，由于鐵路線路跨度大，野外環(huán)境沿線的三維地形數(shù)據(jù)又不完備，所以無(wú)法準(zhǔn)確真實(shí)地表示沿線地形的趨勢(shì)、地貌植被等信息; 其次，出于真實(shí)性的要求，制作工程項(xiàng)目的三維虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景需要大量的建模和渲染工作，尤其是與城市環(huán)境相關(guān)的三維模型，但是如果沒(méi)有現(xiàn)成的數(shù)字城市模型可利用，那么只通過(guò)傳統(tǒng)的AutoCAD和3DMax建模再現(xiàn)沿線建筑環(huán)境的工作量將會(huì)非常大。所以，鐵路工程項(xiàng)目的虛擬展現(xiàn)需要在一個(gè)具備完整三維地形數(shù)據(jù)的平臺(tái)上，摸索出一套高效、準(zhǔn)確、真實(shí)的工程方案場(chǎng)景展示方法。

結(jié)合地理信息系統(tǒng)與衛(wèi)星影像信息服務(wù)軟件，可以通過(guò)地圖、衛(wèi)星圖片和三維實(shí)景等不同的方式展示地球上任何一個(gè)區(qū)域的圖像和信息。對(duì)于工程方案的前期而言，這些系統(tǒng)提供的坐標(biāo)、高程、地貌等免費(fèi)的信息完全能夠滿足要求，在某些發(fā)達(dá)地區(qū)，甚至城市的三維模型都已建立，完全可以用三維的視角查看。另外通過(guò)快速三維建模工具，重點(diǎn)關(guān)注于在建模過(guò)程中如何快速展現(xiàn)建筑物的外部形狀和材質(zhì)，用戶通過(guò)直觀的界面和拉伸、掏空等簡(jiǎn)單的操作，就可以很快地在地圖上疊加建筑物的三維模型，達(dá)到實(shí)景展示的目的，其建模效率比在3DMax等傳統(tǒng)軟件下的繁瑣的建模方法要提高很多。

所以，鐵路線路工程方案的展示，應(yīng)該采用基于地理信息展示平臺(tái)，通過(guò)快速建模技術(shù)在衛(wèi)星影像圖上進(jìn)行周邊環(huán)境的建模，再將建好的模型和三維工程設(shè)計(jì)方案模型一并導(dǎo)入到地理信息系統(tǒng)平臺(tái)當(dāng)中去，這樣與工程相關(guān)的建筑、線路及地形環(huán)境就會(huì)“拔地而起”，可以通過(guò)指定的線路進(jìn)行環(huán)境瀏覽，從而使實(shí)現(xiàn)直觀地對(duì)虛擬環(huán)境線路方案進(jìn)行論證成為可能。

但是，由于快速建模技術(shù)的精度還不能完全作為詳細(xì)工程方案設(shè)計(jì)的依據(jù)，而是比較適合前期概念設(shè)計(jì)和方案選型，這也是應(yīng)用中需要注意的一點(diǎn)。

虛擬漫游

京津城際（天津段）是在地形信息相對(duì)比較平緩的基礎(chǔ)上選線論證的實(shí)例，主要涉及城市路網(wǎng)、立交橋和地標(biāo)建筑，特點(diǎn)是大部分建筑工作是規(guī)則模型，而虛擬漫游的路徑比較平滑。

首先，在系統(tǒng)中將線路方案以及沿線需要展示的環(huán)境和建筑物標(biāo)注出來(lái)，對(duì)于需要以三維形式展示的環(huán)境建筑，還要現(xiàn)場(chǎng)拍攝建筑物的實(shí)體照片，將建筑物表面的圖片作為模型渲染貼圖的材質(zhì)。

其次，通過(guò)建模軟件在衛(wèi)星影像圖上進(jìn)行三維建模，沿線樓房大部分是規(guī)則建筑，可以直接在建模軟件中建立矩形實(shí)體，并貼好材質(zhì)，進(jìn)行真實(shí)感處理，再把建好的模型導(dǎo)入到系統(tǒng)當(dāng)中。

在此基礎(chǔ)上，將京津城際的線路設(shè)計(jì)方案中的軌道、路基、橋墩等三維模型也按照線路走向?qū)氲较到y(tǒng)中，并定好路徑和調(diào)整攝像機(jī)位置與高度，然后進(jìn)行三維動(dòng)畫(huà)漫游，從而把京津城際線路與和沿線地形、地物及地貌以真實(shí)的三維模型展現(xiàn)在面前。游覽方式可采用人機(jī)交互與自動(dòng)方式，全面準(zhǔn)確地展現(xiàn)鐵路設(shè)計(jì)方案與沿線環(huán)境、建筑之間的關(guān)系和相互產(chǎn)生的影響。

充分論證

在某個(gè)穿越山區(qū)的客運(yùn)專線項(xiàng)目中，需要論證長(zhǎng)隧道、橋梁等關(guān)鍵控制工程的可行性，就需要在真實(shí)野外場(chǎng)景之上建立隧道、高架橋梁的模型，并將模型與地形融合后，利用地理信息系統(tǒng)的全方位、多視角的演示來(lái)充分論證線路選擇的合理性，從而實(shí)現(xiàn)在多山復(fù)雜地形上的應(yīng)用。

由于在地理信息系統(tǒng)中具備準(zhǔn)確的坐標(biāo)、高度等信息，而衛(wèi)星圖片上也能反映出當(dāng)?shù)氐牡孛病⒅脖惶攸c(diǎn)，這為我們展示工程項(xiàng)目的野外環(huán)境提供了完整的基礎(chǔ)信息。首先，以三維地形為平臺(tái)，通過(guò)線路坐標(biāo)將二維的線路平面圖疊加到真實(shí)位置; 第二步，通過(guò)快速建模軟件建立隧道、橋梁等控制工程的三維模型; 第三步，將工程模型放置到設(shè)計(jì)的線路坐標(biāo)上，將工程方案與三維地形進(jìn)行合成，就可以在三維的實(shí)景下展示設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)手段，可以充分論證隧道或橋梁等工程設(shè)計(jì)方案的合理性、完美性以及準(zhǔn)確性，全面和準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)隧道與橋梁相應(yīng)工程設(shè)計(jì)方案對(duì)沿線地區(qū)所產(chǎn)生的影響。盡可能協(xié)調(diào)、避免及解決隧道與橋梁相應(yīng)工程設(shè)計(jì)方案中出現(xiàn)大量切割山坡、開(kāi)挖山岳崗地、填平溝壑、砍伐樹(shù)林、侵占濕地、分割草地等侵害自然地貌與生態(tài)環(huán)境的問(wèn)題，使鐵路的設(shè)計(jì)充分考慮到與周圍環(huán)境之間的相互融合與協(xié)調(diào)。

以往在進(jìn)行工程項(xiàng)目的虛擬現(xiàn)實(shí)展示的過(guò)程中，面臨著兩大難題，一是環(huán)境與地貌的數(shù)字化基礎(chǔ)資料不夠準(zhǔn)確和全面，造成環(huán)境失真; 二是環(huán)境建筑需要大量、長(zhǎng)期的建模工作，效率低、投入大、時(shí)間長(zhǎng)。而本方法以具備三維數(shù)字化地形的地理信息系統(tǒng)平臺(tái)作為基礎(chǔ)，運(yùn)用快速建模技術(shù)，可以快速、高效地形成工程方案的實(shí)景，對(duì)于鐵路工程項(xiàng)目前期進(jìn)行方案論證、比選，準(zhǔn)確評(píng)估工程與周邊環(huán)境的影響方面具有重要的實(shí)用意義。

鏈     接

鐵路設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

鐵路線路設(shè)計(jì)是涉及面廣、技術(shù)性強(qiáng)、關(guān)系全局的總體性工作，也是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。最早的鐵路線路設(shè)計(jì)手段以人工與圖板為主，逐漸發(fā)展成為甩掉圖板，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的階段，后來(lái)又朝著平面、縱斷面、橫斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。實(shí)踐證明，鐵路設(shè)計(jì)應(yīng)盡快由三維設(shè)計(jì)環(huán)境向多維設(shè)計(jì)環(huán)境發(fā)展，由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)向人工智能設(shè)計(jì)發(fā)展，應(yīng)建成數(shù)字鐵路線路的專家系統(tǒng)，這必將大大提高鐵路線路設(shè)計(jì)的生產(chǎn)效率，縮短工程周期，提高質(zhì)量。

單從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)說(shuō)，主要應(yīng)用在該領(lǐng)域中的四個(gè)方面，即實(shí)施虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境、實(shí)施鐵路設(shè)計(jì)中多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、實(shí)施鐵路設(shè)計(jì)方案綜合評(píng)價(jià)、實(shí)施鐵路設(shè)計(jì)智能化。