公路三维建模简介

三维建模在公路方面的应用目前就国内公路工程行业来看，基本上还是停留在以AutoCAD 等软件手工绘制、编辑二维图纸和人工采集结构信息的阶段，在可视化、智能化、工作效率等诸多方面都还处于较低的层次。

而且，在工程数据库已经广泛的应用到各个工程领域的同时，国内的公路工程平台设计方面还处于一个起步阶段。

目前，还没有一个较为完善和系统的工程数据库系统被运用。

对于大量的工程原始数据的处理都是依靠人力手工来完成，数据的管理也比较混乱。

建立一个合理的工程数据库可以大大的提高设计的速度和质量。

在实际的工程项目当中，设计方案不可能一次性的确定、通过，经常会因为建造、施工和运营的过程中修改。

而目前二维设计图纸和人工管理工程数据的设计方式并不支持动态的修改、补充方案，其工作量往往会很大，甚至不亚于重新设计。

对于平台的建造、施工和拆除方面，现在基本是通过设计人员的图纸和以往的经验来确定，远远落后于国外企业。

而平台模拟建造拆除技术，可以充分考虑到建造工程中平台占位、加叉情况，更能将在设计阶段就模拟建造、施工、拆除阶段的情况，可以帮助设计人员提前预测各种可能出现的情况的方案，避免不必要的损失和浪费。

随着中国公路交通事业的迅速发展，对公路的设计提出了新的要求，不再局限于单纯的几何设计和结构设计，而是强调公路三维实体的整体设计，同时注重公路与环境的协调性、美观性。

这就要求将公路作为三维实体来设计。

路线的立体形状及相关诸要素的组台设计称为线形设计。

将公路及其周围的设施纳入景观范围，为改善舒适程度和消除公路对景观的破坏，综台考虑公路与环境的关系，称为景观设计。

无论是线形设计还是景观设计，目前都是将公路分为平、纵、横进行二维设计，尽管在设计时要相互考虑，但仍然不能很好地考虑设计后的公路的立体形状，设计者不能及时了解自己的设计中还存在那些不足和需要进一步修改的地方。

利用三维模型来检验、评价和修改公路的线形设计、景观设计，无疑是最方便、最直观和最生动的。

三维模型是工程展示时的直观手段，可以用于评价公路设计以及与环境的协调性，发现设计中的不足之处，以便设计者能及时更正，使设计更加完美，有利于优化线形设计和景观设计。

目前，许多路线辅助设计系统具有绘制公路透视图的功能，但这些软件所绘制的透视图是平面的线条或线框，不容易更换视角和方位，制作动画困难。

原因是平面的线框只有二维坐标，它产生的不是三维模型。

公路三维建模是根据公路的平纵横基本数据以及地形数据等建立公路及其周围地形地物的三维空间模型，反映公路在空间上的立体形状，反映公路与周围地形以及地物的位置关系，为从视觉上、运动感觉上和时间变化上对公路设计评价提供直观模型的一种方法。

三维图形图像的处理是一个庞大的、不断发展的专业知识体系。

在开发区内用户可从不同观察位置(空中或地上)任意选择路径以漫游方式视察整个工程，在一些特定的位置或区域有声音、文字、网片或录象资料详细介绍此处的特点，并可查询工程项目中的各种信息。

此系统根据需要可实时改变建筑结构，也可改变当时天空的气象条件。

作为一个合理、实用的建模系统，必须根据国情出发，满足国内的设计和建造需求，能够进行维护和管理。

所以，本系统达到的总目标和总功能如下：1．开发出的软件系统应该满足成武项目的设计和建造需求。

2．软件系统具备操作简单明了、实用性强、价格合理、技术支持好等特点，易于广大技术人员使用。

3．软件系统具备三维建模和模拟建造、拆除等功能4．软件系统配备有完善的工程数据库，具有强大的数据库管理和共享功能以及模犁数据转化。

5．软件系统可以为用户提供图形交互式，支持图形的动态显示和模拟。

在此次成武项目三维软件的应用中，我们始终贯彻原形法，原型法具有以下的特点：1．原型法引入了迭代的概念。

2．原型法自始至终强调用户的参与。

3．原型法在用户需求分析、系统功能描述以及系统实现方法等方面允许有较大的灵活性。

用户需求可以不十分明确，系统功能描述也可以不完整，对于界面的要求也可以逐步完善。

4．原型法可以用来评价几种不同的设计方案。

5．原型法可以用来建立系统的某个部分。

6．原型法不排斥传统生命周期法中采用的大量行之有效的方法、工具，它是与传统方法互为补充的方法。

对于成武公路工程形象进度三维演示的介绍：1 公路三维建模的模型原理在计算机中，一般用线框、表面和实体3种表示模型对几何形体进行描述，将形体模型化后，形成定量描述，再将这些信息以数字方式输给计算机，由计算机处理后生成图形。

在建模时，只对几何形体进行数字化，然后用相应的软件来处理。

线框模型是用顶点及其斜边来表示形体，即用平面的二维线条来表示形体在某个视点视角方向上的轮廓线。

轮廓线的生成、消隐处理需要用户自己计算处理，特别对于不规则的形体，这种处理将更复杂，无法利用现有的三维处理，用户需要花费很大精力在消隐上。

如果需要变换角度来观察形体，则必须重新生成轮廓线和消隐。

而且用线框模型生成的透视图不能进行渲染(即得不到效果图)。

表面模型是用有向棱边围成的部分(区域)来定义物体表面，即用若干空间平面或曲面来模拟物体的表面特征。

在建模时，用户只需确定用以模拟物体表面的每个小平面的空间位置，就能完成三维建模。

对于不规则形体可以通过增加模拟的小平面的个数来实现模拟物体的表面特征(即逼近的方法)。

至于要生成形体在某个方向上的透视图以及对透视图进行消隐，则可以交给具有对三维模型处理功能的计算机软件来完成。

实体模型是在表面模型的基础上，明确定义实体存在于表面的哪一侧，既描述形体的外表特征，又描述形体的内部特征。

这是一种较先进的几何造型方法，描述形体的能力最强，但存在着数据量大、需要的存储空间大的缺点，而且对不规则形体的描述也存在困难，仍有一些理论和实际问题有待进一步去研究解决。

对于公路三维建模来讲，只要把公路及其地形各部分的表面形状描述出来，不需要每部分的内部结构特征。

而且公路及其周围的地形是不规则的形体，数据量大。

采用线框模型虽然数据量要减少许多，但需要变换角度来观察形体，则必须重新生成轮廓线和消隐，且生成的透视图不能进行渲染从某种意义上讲，线框模型所建立的不是三维模型，是形体的透视投影平面图。

采用实体模型虽然能较好地描述形体，但它的数据量很大，对计算机的硬件要求很高，一般无法在微机上实现；况且公路是不规则形体，对它的描述存在一定困难。

综上所述，通过比较分析，再结合公路三维建模数据量大、不规则的特点．用表面模型来建立公路的三维模型是合适的，易于在微机上实现。

2 公路三维建模的实现公路三维模型大体上可以分为公路实体和其周围的带状地形两部分。

根据表面模型的原理，无论是公路实体还是周围地形均要一定数量的小空间平面来“拼接”成公路三维模型。

2．1 公路三维模型的建立公路模型用空间四边形平面来模拟。

只要确定每个四边形平面的4个顶点的三维坐标，就能完成三维模型的建立。

每个四边形平面顶点的平面坐标(X，Y)可由路线平面坐标计算完成(包括要计算出任意桩号处的中线，及离中线任意距离边线上点的坐标)，而。

坐标可由路线纵断面计算以及超高计算完成。

2．2 地面三维模型的建立地面三维模型用空间平面来模拟，利用三角网数模，则地面三维模型用空间三角面来模拟。

沿路线方向采集地面散点，然后利用这些散点数据进行三角形联网(即散点的三角化)，形成许多三角形，最后用这些三角面“拼接”三维地面。

2．3 路基边坡范围内的地面模型处理在公路三维模型与地面三维模型的叠加时，为了使公路能在三维地面上完整地体现出来，需要对路基边坡范国内的地面模型进行清除，对于填方路段．由于公路模型在上．地面在下，可由三维处理软件根据高度关系自动地将处于公路之下的地面消除掉对于挖方路段，则会出现相反的情况所以需要清除挖方路段的地面。

计算处理原则如下：计算出边坡和地面的交点，把这些交点加入到地面散点中去，并且从地面散点中剔除掉路基边坡范围内的地面散点，然后重新对散点进行联网(即散点的三角化)，联网形成的三角形应满足下列原则：(1)三角形的3个顶点至少有一个不为坡脚点(边坡与地面的交点)；(2)三角形的任意一条边不得与公路中线相交；经过这样处理后所形成的三角形“拼接”的三维地面就不包括路基边坡范围内的地面了，也就达到了消隐的目的。

3 效果图的制作通过二次开发，使用VB语言开发公路三维建模系统，该系统能根据公路平、纵、横数据及地形数据完成公路三维建模。

整个建模过程自动化，建模速度快。

同时该系统可以生成平滑的动画轨迹，克服了手工编辑动画轨迹线易使动画画面产生颠簸抖动的缺点。

三维模型建立后，需要借助三维处理软件来制作效果图(全景透视图)和动画。

关于用户界面的介绍，直观的说，界面就是程序与用户之间相互交流、对话、传递信息的一种协议。

根据这种协议，用户以程序允许的方式向程序传递命令、参数等信息，而程序也以用户可以理解的形式将信息反馈回来。

一个直观的、合理的、简洁的界面可以达到最有效的与用户交流的作用。

界面的组成是指构成一个界面的所有的元素，包括窗口、文字、按钮、图片等。

对于一个Windows环境下的应用程序来说，它的界面主要是指由程序的各个窗口以及其上的各种控件如文本框、图片、表格、菜单、工具栏等构成的图形界面。

主要可以分为两类元素：1．功能性元素：在程序运行的过程可以由用户操作的元素，目的是设置程序运行需要的一系列参数等。

常见的功能元素有：按钮、单复选框、文本框、列表框、菜单、工具栏等。

功能性元素是程序中必不可少的组成部分，是程序得以实现功能的基础。

2．非功能性元素：一般来说不可直接操作的元素、这类元素的功能有：a．对功能性元素进行必要的说明、注释；b．增前界面的整体性、美观性、直观性；c．向用户反馈程序的信息如运行结构等。

常见的非功能性元素有：窗体、提示或者警报窗体、文本标签、图片、图标等。

非功能性元素是一个程序多样化、丰富化的条件，大大的增强了程序的美观和直观。

但是，在程序中功能性元素和非功能性元素之间的界限并不是很明确的。

特别是非功能性元素在特殊的情况下，也有可能成为一个功能性元素：同时，也有可能一个功能性元素只是起到了装饰的效果。

功能性和非功能性元素是一个好的程序界面密不可分的两部分，两者互为补充，互为依托。

结语根据公路设计和公路数据量大的特点，它丰富了公路设计的思维和方法，是检查评价公路、桥梁的设计质量和效果的一种有效和直观的手段，为设计人员提供参考。

1．本系统是针对国内公路工程技术发展现状、趋势和需求而设计的完成的。

它符合国内公路工程行业设计和建造人员的设计习惯和行业规则，基本满足了我国公路工程行业的需求。

已经达到了国内行业的领先水平，实现了与国际技术的接轨。

2．在对系统进行系统分析和系统规划的过程当中，获得了系统的整体目标和功能，得到了系统的功能模型和数据模型。