徐州市市政设计院有限公司 江苏徐州 221002
摘要：本文重点分析了三维GIS环境下进行路线设计的特点，研究了基于三维环境进行路线设计的流程，提出了三维GIS环境中公路路线平纵横一体化设计的可行方法。将三维GIS支持的公路路线设计方法应用于公路路线设计，能彻底改变公路路线设计平纵横相互隔离的传统方法，为设计出线形协调、景观优美、安全和谐的公路路线提供了可靠的技术手段。
关键词：三维GIS；公路路线设计；平纵横一体化设计
道路工程从规划、设计、施工建设到管理养护均是以其空间几何形状为中心，在整个建设过程中包含大量的几何数据和相关属性数据，道路工程的这种特性为GIS发挥自身特点服务于道路工程建设的全过程提供了广泛的空间。以GIS提供的三维可视化平台为基础，充分发挥GIS的数据管理功能和强大的分析功能，综合管理道路工程建设各阶段的相关数据，使GIS服务于道路工程建设全过程是道路工程建设发展的需要，也是GIS应用领域随技术发展的自然拓展。
在道路勘测设计过程中收集和测量的各种数据均是以地球空间信息及其属性为中心，这些信息可以在三维GIS中以可视化的方式方便地管理。GIS是以应用导向的空间信息技术，空间分析与辅助决策支持是GIS的高水平应用，基于三库（图形矢量库、影像栅格库和DEM格网库）一体化的实时3D可视化技术发展势头很猛， 已能在PC机上实现在GIS环境下的三维建筑物室外室内漫游、信息查询、空间分析、剖面分析和阴影分析等（李德仁，2002）。三维GIS的相关技术完全可以用于公路工程的三维可视化，管理道路勘测设计相关信息，为公路设计提供逼真的实时可视化三维环境。
公路路线设计要综合考虑路线在交通网中的地位及沿线地形、地质、水文、气象、地震等自然条件的影响，考虑路线长度、工程造价、施工运营条件、人口分布、原有路网、沿线景点建筑等各方面的因素。显然目前的各类公路CAD系统难以满足路线设计时对上述各因素的考虑，它们在路线的平、纵、横设计等方面具有突出贡献，但是空间分析功能不足。在三维GIS中可以可视化地进行路线的平纵横设计，同时，充分利用GIS的空间分析功能有望使上述问题得到解决。
在三维GIS提供的三维可视化环境中，通过数字高程模型和数字正射影像等的使用，使工程师如同亲临现场，可以从容地根据现场地形、地质、水文、地面建筑等选择合理的路线方案，进行路线的平纵横设计，使设计的公路工程路线和构造物更好的与沿线环境相协调，避免不必要的返工、重测、方案修改等情况的出现。
在三维GIS环境中，可以根据选定的路线方案进行路线全线的动态漫游，道路工程师可以在三维环境中考察路线线形的合理性，容易发现路线与周围环境的协调性问题。在三维GIS环境中，有助于工程师充分考虑各种因素选择合理的路线方案；在选出每种可能的方案之后，可以利用GIS的空间分析功能得到各种因素对路线方案的具体影响，列出各方案工程量、路线长度、桥梁长度、不良地质等各主要指标和影响因素的具体值，得出不同的方案比选结果，再通过软件系统和工程师的交互可以确定最优的路线方案。
可以看出，在三维GIS提供的逼真环境中，道路工程师对路线进行设计时身临其境，不再受软件平台的制约，只要专注于设计理念和设计水平的提高，公路工程与环境的协调等传统问题将得到根本改善。
针对在三维GIS环境中的公路路线设计问题，需要重点从以下两方面开展研究工作：
第一，系统要为公路路线设计提供逼真的三维可视化环境。根据国内外三维GIS的研究进展和公路设计成果的可视化研究现状，讨论支持公路路线设计的三维GIS技术基础，包括数字地形的模拟技术、公路景观模型构建和一体化的数据组织方法等，在这些问题的处理过程中关键是对公路路线特点的考虑。
第二，研究在三维GIS环境中公路路线设计的方法。在新的可视化的环境中，道路工程师对环境和其他设计信息的把握更加全面、直观，公路路线设计的方法由传统的平、纵、横逐步进行设计转变为平纵横一体化设计，研究这种一体化设计的方法，并探讨设计成果的保存与展示方法以及这种设计系统在公路路线方案选择中应用。
在公路设计过程中，三维场景和路线表面模型的显示应该是实时的、逼真的，其中显示速度是三维显示的一个重要评价指标，只有三维场景能够随着设计变量的改变而变化才能够实现本系统设计的目标。
由于公路路线一般比较长，几十、上百公里很常见，其中包含的各种设计数据和表现景观模型的面片少则几十万个多则几百万个甚至更多，因此公路设计数据和三维景观模型的数据相对于有限的计算机内存来说呈“海量”特性。在进行三维场景显示的同时，计算机还要进行路线设计要素的计算和三维道路表面模型的构建，要想在有限的计算资源下实现路线设计的计算、模型的构建和三维场景的显示，需要采用相关的技术措施并研究一系列相关的技术方法。
三维GIS支持下路线设计框架体系如图1所示：
笔者在参与了武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室的原型系统RoadVR的开发，设计系统的效果图如图2所示。
图2 三维可视化环境效果图（源于公路三维漫游系统RoadVR）
本文提出的三维GIS支持的公路路线设计方法，将能够对路线设计的效率和设计成果的质量产生很大的提高，但是也存在以下问题需要继续开展相关的研究：
1）公路工程各设计专业的协同和集成化。2）设计系统往公路工程其它阶段的应用拓展。3）设计过程的真正意义上的实时三维可视化。4）提高三维可视化表现的水平和真实感。
作者简介：
黄文举，高级工程师，工作单位：徐州市市政设计院有限公司；
本科毕业于长沙理工大学（原长沙交通学院）
硕士研究生毕业于武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室
第二作者：张宇光，高级工程师，工作单位：徐州市市政设计院有限公司；本科毕业于长安大学
论文作者:黄文举,张宇光
论文发表刊物:《防护工程》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/6
标签：路线论文; 公路论文; 环境论文; 道路论文; 方法论文; 方案论文; 数据论文; 《防护工程》2017年第28期论文;