基于Civil 3D航拍数模的路线三维设计

姬子田 王玉兰

(临沂大学土木工程与建筑学院,山东 临沂 276000)

0 引言

道路是一条带状三维实体结构物，道路线设计是从道路选线、定线开始，最终以平、纵、横组成了立体线形，而道路的立体形状及周围的环境直接影响驾驶员的驾驶行为。

国内现行的路线设计方法是基于二维的设计，将公路中心线投影到二维平面上进行平、纵设计，在完成平面线性和纵断面线形后再进行组合设计，这种分离式的线形设计方法虽然仍在沿用，但是实际工程应用和研究表明，这种平、纵分离式的公路线性设计方法并不是很理想，虽然满足了平面线性组合的设计原则和要求，但是这种人为拆分和组合的设计方法忽略了平、纵线性设计几何要素之间的相互联系,使得道路设计的质量好坏很大程度上取决于设计者的经验,甚至一些设计缺陷和疏漏被直接带到后期运营中,引发一系列的交通事故。

相比传统的路线设计，道路三维设计精度更高，可以快速完成设计方案的比选，还可更直观的进行平纵线形的检查，尤其是视距保证问题，平面或纵断面可能满足视距要求，但在三维视距中不一定满足。而三维路线设计是基于数字地面模型的基础上进行的，数字地面模型可适用于道路设计的各个阶段，在工程可行性研究阶段，设计者在数字地面模型上进行路线方案选择，确定路线的基本走向和主要控制点，拟选路线走廊方案；在工程设计阶段设计者根据生成的地面起伏情况及技术指标等条件进行平、纵、横的路线设计，并生成三维道路模型，可以非常直观的进行路线设计质量的检查。因此在三维设计之前首先是建立设计区域的数字地面模型。

1 数字地面模型的建立

数字地面模型可以通过航空和航天遥感资料作为数据源，对于小区域的测绘无人机航拍技术已广泛采用。特别适用于带状地区的航拍影像，该技术是将航拍过程中拍摄到的影像资料与定位系统相互结合，借助于计算机软件对坐标的计算得出所测量地面点的三维坐标,本文以PhotoScan软件为例介绍数字地面模型的建立的过程。

PhotoScan是一款基于图像自动生成三维模型的软件，利用多视图三维重建技术，对任意拍摄的照片进行处理[1]；可以对上千张图片进行处理，生成控制点的地面坐标(x,y,z)。在三维建模的整个过程工作流程完全是自动化。首先利用无人机对所测区域进行无人机航拍，将拍摄得到的图像导入到PhotoScan中，系统自动检测照片中的点，然后生成密集的点云，按照所选的表面类型和源数据逐步加密生成一组用三角网格形式表达的数据集合及带色彩纹理的DEM模型，还可以将成果转换为大地坐标或工程坐标。生成的点云数据和模型通过导出命令导出Civil 3D所需要格式，比如.xyz,.txt格式，见图1，图2。

2 三维道路设计

AutoCAD Civil 3D是一款专业的三维道路设计软件，它是在数字地面模型的基础上进行路线的设计，将平曲线和纵断面与定制的横截面装配件结合，创建参数化的三维模型。在路线设计之前首先创建曲面，将PhotoScan生成的点数据按照选定的格式添加到Civil 3D中的曲面定义中，生成三角网曲面，可以通过曲面特性对曲面高程、流域、坡度等特性进行分析。

创建路线对象时，常用方法是采用类似于国内的交点法，通过路线布局工具选择创建路线的类型，也可以直接创建无曲线的交点线，在布局参数中修改或添加所选子图元的相关参数；在路线图元表中为直线、曲线和缓和曲线输入数字参数值来调整线形的布局。路线的布局参数值可通过对路线子图元进行精细的调整。

纵断面设计是在平面设计完成后进行的，首先创建曲面纵断面即原地面纵断面，它是从曲面中沿着设计路线剖切自动提取，并显示沿平面路线的地面起伏情况，由于Civil 3D是基于面向对象的设计，用地形曲面来创建纵断面时，路线或曲面维持着实时动态关联，两者中任何修改都将自动的引起纵断面的更新[2]。拉坡设计采用交点法确定边坡点，并修改边坡点的位置、竖曲线半径、切线长等参数。

在指定的曲面上创建平、纵断面后才能创建道路模型，道路装配是道路建模中的主要结构，装配是指道路典型横断面相互连接的部件组成，如车道、路缘、人行道、边沟、路肩、中间带等[2]。通过Civil 3D中附带的部件来创建特定类型道路的装配，在特性中修改部件的参数和名称模板。利用创建装配生成道路模型，道路设计流程如图3所示。

3 结语

通过对三维道路设计的流程分析可知，借助于无人机航拍技术获取数字地面模型数据，将其与Civil 3D相结合，不仅在路线方案比选、选线、定线等方面，甚至在道路平、纵、横设计质量上有了很大的改进。使设计人员可以快速完成路线多方案的设计，缩短了初步设计的时间，提高了效率。采用Civil 3D在曲面上进行道路的三维设计，更直观、精准，在很大程度上提高了道路设计的质量，由此看来道路的三维设计将很快被普遍采用。