铁路选线设计中实时三维动态定线方法的研究

一、概述

如果能在室内模拟现实环境，让工程师动态的对规划线路经行地区的环境进行观察和分析，对既有方案进行比较选择.进而实现铁路三维选线设计，从而做出线路走向决策，将极大的改变铁路定线工作的方式，有效的提高效率。

二、建立铁路线路三维模拟系统的理论与方法

1．虚拟现实技术

虚拟现实(Vtrtual Reality)简称VR，是指采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互。从而产生亲临真实环境的感受和体验。这里所谓虚拟环境指计算机生成的具有色彩鲜明的立体图形．它可以是某一特定现实世界的真实体现．也可以是纯构想的虚拟世界。

铁路要实现三维动态定线，主要是建立三维景观模型，模拟铁路沿线的复杂场景．及包含运动的线路实体，并且可以实现实时的交互。铁路三维景观建立的模型主要分为3类：一类是地形地貌模型，它主要包括仿真区域地理表面的形态：另一类是地物模型，它包括地面上的人造或自然景观．如地面上的房屋．城市．树林，桥梁、江河湖泊等：还有一类就是线路实体模型。

2．地形环境建模

地形三维模型的建立依赖于准确的离散点三角网(TIN)数字地面模型(DTM)，处理此问题的方法是，将大量离散的地形数据点按网格进行分区域存储．以实现快速寻找扩展点，利用队列和平衡二叉树两种数据结构进行三角网的扩展和三角形的快速全等比较．又根据B．Oelaunay理论．采用Lawson提出的局部优化算法LOP(Local Optimization Procedure)对三角网进行调整优化．使构成的三角网成为D-三角网。

要使形成的三角网更好地贴合地面，真实地反映实际地形，必须考虑地性线(各种断裂线、山谷线，山脊线等)的影响，将它们作为三角形的边参与构网，具体作法是，先不考虑地性线，待三角形格网生成后，再对三角形格网进行调整，使地性线成为三角形格网的边，在调整过程中，同样考虑了三角形的形状。建立了准确可靠的三角网数模后，地形三维模型就容易建立了。可直接将三角网数字地面模型作为地形三维模型，也可在三角网数字地面模型的基础上建立数字高程模型，将数字高程模型作为地形三维模型。

3．地物建模

在三维真实感地形图生成计算过程中．对计算机的图形处理能力要求很高．有必要对不同的地物进行分类简化．从而既减小数据量，又满足真实感要求。地形构造物分为几类：平原．丘陵，山岭．河流．湖泊水库及村镇等。首先根据地物的基本形状．采用离散法创建一个纹理．然后按地形图的比例尺不同分别选择不同大小像素的地物纹理，贴在已建立好的地面模型上，就可以三维场景中真实的体现地物模型。

4．线路实体建模

铁路构造物的类型众多。结构复杂，若在虚拟现实模拟系统中根据基础数据建立模型，则需要过多的参数控制，耗费过多的精力，并且还是未必达到要求，因此应采用简单的形状代替，如柱式桥墩就用圆柱体代替，承台可用立方体代替。为了提高仿真度，还可在实体模型表面贴合具有该模型颜色光泽的纹理。根据铁路线路构造物的不同类型，功能和属性将模型分为：路基，桥梁，隧道、轨道，附属结构物等。

路基模型的建立．首先根据横断面设计提供的信息，找出每一段路基所夹的横断面，沿线路中心线将这些横断面逐个串连起来．形成一个多面体，就得到了该段路基地段的三维模路基模型。按照填挖情况的不同，路基可归纳为路堤、路堑和填挖结合三种类型。路基模型是由路基面、边坡等几个面经过三维实体重构技术由面成体。

其它构造物(如桥梁)比较复杂．无法将所有的构造尺寸都作为参数．所以对这些构造物的简化需要有针对性，对关键位置的尺寸加以控制，而对一些非关键位置的构造尺寸则设定具体数值．以桥台模型为例，见下图3。

5．地面模型与线路构造物模型的拼合

将地形和线路构造物两个三维模型进行拼合建立地形和线路的三维景观模型是进行线路三维可视设计的重点。线路构造物中，桥墩、桥台等属于点类构物，与地形模型的拼合比较容易。线类构造物中，填方地段(路堤)是将两个模型重叠在一起，用常用的消隐技术来处理。而在挖方地段，这种方法就不可行，因为在挖方地段地形覆盖了路基，无法显示路基的形状。因此必须将地形和路基边坡上的各个面求交，用交线所围成的区域去裁剪各个原始面。

要计算拼合交线．需利用已构建好的三角网数字地面模型可以方便的内插横断面地面线．在此基础上设计横断面．容易证明其设计边坡线与地面线的交点实质上就是边坡线与O-三角网的交点。但此时应注意：由于三角网DTM地形变化是在三角形的边上．此时地面线应按横断面线与三角网的交点插值，这就保证了边坡线与地面线的交点即边坡线与TIN的交点。

如图4(a)所示，给定线路中心线上O点，OA为线路法线方向，则OA段地面线应内插出OA与三角网各三角形边的交点b，c，d，e．f，g。图4{b)为横断面设计，P点即边坡与TIN交点。