城市轨道交通线路设计地下空间冲突分析方法与应用研究--结题报告2003
,课题名称：城市轨道交通线路设计地下空间冲突 分析方法与应用研究 完成单位：中铁二院工程集团有限责任公司石家庄铁道大学,课题鉴定报告,中铁二院工程集团有限责任公司,2013年4月,汇报提纲,研究背景,研究内容,研究的主要方法,研究的主要成果,主要成果简介,一、研究背景,城市轨道交 通大发展,线路设计面 临繁重任务,线路多处于 城市中心， 冲突,可视化设计 冲突分析,三维GIS等 信息技术,传统二维 设计方式,二、主要研究内容,三维城市景观建模研究,特点,城市三维景观是实现城市轨道交通三维可视化设计的重要地理环境，其建模包括大范围地形及城市三维建模。不仅包括地表高程网格构建，还包括场景中各种地物如道路、河流、建筑物等的建模。,数据,数据量大、种类和格式较多。传统的大范围城市场景建模方法建模的工作量很大，一般无法实现快速建模，也不满足城市轨道交通三维可视化设计的要求。,方法,利用Skyline Builder的强大地形建模能力，以及Skyline API的三维渲染功能实现大范围城市三维系统的快速建模及流畅漫游，解决快速重建满足城市轨道交通三维设计的三维城市景观。,2.1 三维城市景观建模研究,2.1 三维城市景观建模研究,城市三 维地形,城市 建筑物,城市道 路建模,立交桥 建模,城市水 系建模,OpenGL或OSG技术创建约束Delaunay三角网，模型表面采用影像纹理；CDT算法，分治算法,TerraBuilder软件，通过叠加航片、卫星影像、数字高程模型以及各种矢量地理数据，迅速便捷地创建海量三维地形数据集,传统 方法,项目 方法,2.1.1 城市三维地形建模,2.1.1 城市三维地形建模(续）,TerraBuilder建立三维地形的效果,2.1.2 城市建筑物三维景观建模,Company Logo,www.themegallery.com,直接利用卫星影像地图的建筑物底图，赋予其高度属性后拉伸进行三维建模，局限于平顶建筑物的三维重建,使用三维激光技术对建筑物进行重建，适用于十分精细，重点的建筑物建模，成本高昂。,直接使用3D软件，如3DMAX等软件，直接做出比较逼真的三维模型，速度慢，需要大量人力物力。,批量大规模生成，便于按地区的属性，例如住宅区、商业区快速的布置建筑物群，达到快速生成城市场景的需求,建筑物的模型要保证一定的真实度，提供给用户现实感和现场感,三维地理坐标、建筑物的底面轮廓坐标、高度和基础埋深等，城市轨道线路设计时进行空间冲突判断和优化设计,真实度,速度,属性,(1)城市轨道线路设计对城市建筑物建模的要求,目前的三维城市建筑物三维建模方法主要是从模型外观和建模速度方面进行考虑，没有考虑到建筑物实际的占用空间，只采用三维模型中的某一点进行模型的地理坐标定位，使得建筑物与轨道线路的空间判断由于数据的缺失显得特别困难。,提出一种将三维模型与几何属性相关联的建模方法，既能满足模型的真实感和保证大规模场景建模的速度，同时也能保证三维模型有着完整几何属性，能够被查询、检索，能根据建筑物属性及城市轨道线路设计的特点创建建筑物的立体包围盒，使得建筑物模型能够参与空间冲突判断。,(1)城市轨道线路设计对城市建筑物建模的要求(续）,在构建三维场景时，根据建筑物类别、高度自动从纹理库选择合适的纹理。,根据城市建筑物高度不同、属性不同（住宅、商业等），预先建立建筑物纹理库。,每个建筑物纹理唯一ID和LOD级别标识，可随时替换精度更高和更真实的纹理。,建筑物 纹理库,建模自 动选择,LOD 易更替,纹理处理策略,(2)建筑物模型纹理处理,纹理库示例,办公多层建筑纹理示例,办公高层建筑纹理示例,层建筑纹理示例,商业建筑纹理示例,（3）基于CityPlan的建筑物三维建模,www.themegallery.com,CityPlan是一款优秀的城市规划软件，根据设计者的平面图，能快捷的绘制道路，绿地，建筑物等三维城市场景，并能将三维实体导出为*.3ds文件，供其他三维软件使用。其中的建筑物建模功能方便实用，根据CAD建筑物底面轮廓图，赋予其楼层高、楼层数等属性，能快速的建立建筑物三维模型。阳台、窗户等建筑构件一应俱全，纹理样式精细,建筑物建模流程图,（4）模型库数据库管理,（4）模型库数据库管理（续）,（1）为了最大程度上减少城市轨道交通线路不合理造成的大量拆迁、改造、改移和环境影响，用于轨道交通线路设计的城市景观不同于一般的数字城市景观，需要对建筑物、道路等所有城市景观模型记录相应的属性数据（如建筑类型）和几何数据（如层数、层高、空间区域坐标，在三维环境中定位模型以及模型替换），以实现三维空间的任意模型选择和空间量测功能。（2）这样在三维设计时，能够实现实时判断和计算线路与地面城市景观模型的冲突检测。只有这样，才能满足城市轨道交通的线路三维设计的要求。因此，根据轨道交通的特性和城市建筑物多样式特点，根据外形将其分为流行单体、点式和条式建筑三大种类。在每种类型下按照建筑物功能划分为：商用、学校、医院、住宅、办公、公共等类型。采用CityPlan三维互动设计软件完成三大类型建筑物的三维模型库。,（4）模型库数据库管理（续）,点式建筑模型 314个,流行单体建筑模型 212,条式建筑模型 327,条式建筑三维模型效果图,流行单体三维模型效果图,点式建筑三维模型效果图,（5）建筑物的单个导入,根据在建筑物建模阶段获取的轮廓坐标为CAD图上的坐标，计算出CAD图上建筑物放置点坐标，与地形图上的建筑物坐标做比较计算，以求出建筑物轮廓点在地形图上的坐标。实现建筑物的单个导入，适合不具有共性的建筑建模。,（6）建筑物的批量导入,在城市空间中，有着比较明显的功能区域划分，例如商业区、住宅区等，每一片区域由若干栋建筑物组成，建筑物有着该区域的外形特征。建筑物的批量放置根据这个规律，由使用者绘制出一个多边形区域，赋予该区域功能属性，并且从建筑图库中选择需要放置的模型，可按顺序、建筑物间隔、建筑物朝等属性在该区域内批量放置建筑物模型，绘制速度快，节省时间，放置的建筑全部带有完整的几何属性，今后有更细致的模型时，也可进行单个或成批替换。,建筑物批量布置示意图,建筑物批量布置效果图,1,2,3,地下桩基础是建筑物重要组成部分,地下线路与地下桩基础的空间冲突更为突出,建模外观符合实际，便于进行空间判断,（7）建筑物地下桩基础三维建模,（7）建筑物地下桩基础三维建模(续),单桩效果图,建筑物桩基础批量布置,城市道路模型线 路中心线的确定,城市道路模型 横断面结构,交叉路口的创建,直线段与曲线段 的连接处的处理,城市道路 模型的绘制,3,1,5,4,2,主要 内容,2.1.4 城市道路三维建模,通过鼠标在地图上点击获取,利用数据库成批导入数据,(1)城市道路模型线路中心线的确定,(1)城市道路模型线路中心线的确定(续),导线形设计法选点图,曲线形设计法选点图,（2）城市道路模型横断面结构,为考虑通用性，城市道路模型基本横断面结构如下图，由左右人行道、左右人行道分隔带、左右路面、中央分隔带以及底面几部分路块组成。其中中央分隔带、左右人行道分隔带宽度为0时，则表示建模的道路没有分隔带。,（3）城市道路模型的绘制,以左路面为例，它是由主平面ABCD和两个垂直该平面的路侧面AEFD和BGHC的组成。由此可见，计算出主平面的4个坐标点，能绘制出该路幅的三个面，从而完成该路幅的绘制，若干个路幅依次绘制，可完成线路模型的建模。,（3）城市道路模型的绘制,曲线路段,直线路段,交叉 路口,十字 路口,三叉 路口,城市道路纵横交错，进行道路设计时，两条道路相交将会形成十字路口或三叉路口，本处利用多边形切割的方式，自动创建路口，自动判断十字路口及丁字路口，实现了交叉路口的三维快速建模。,（4）交叉路口的创建,十字交叉路口图,丁字路口效果图,（4）交叉路口的创建,速度快，外观相似性也较高，但是设备昂贵，对操作人员的要求较高，难以推广,3DS Max等三维建模软件,Creator/Vega等道路软件,机载激光雷达技术,模型与实景吻合度高，但是数据获取手段复杂，建模耗时长，人力花费较大,使用软件中内置的立交桥组件设置必要的参数拼接而成，速度快，节省时间，受组件数量限制，立交桥外形和细节如车道数等不一定与实景吻合,(5)城市立交桥的三维建模,一般建模方法,(5)城市立交桥的三维建模（续）,城市中主干道上的重点的立交桥等 采用三维软件按严格地理坐标制作 导入三维场景中,重点立 交桥,对于非重点城市立交桥 通过绘制城市道路桥梁模型代替 标识立交桥控制点,一般立 交桥,城市立交三维模型 放置图（重点）,城市立交绘制模型与数据选取图（一般）,(5)城市立交桥的三维建模（续）,2.1.6 城市水系建模,城市水系是城市场景的重要组成部分，城市水系一般分为两大部分，一部分为城市内的河流、运河等线形水域，另一部分为池塘、湖泊等面状水域。课题的水系建模主要为城市轨道交通线路设计服务，主要侧重于城市水系的空间几何属性，相应的建模方法如下。,2.1.6 城市水系建模（续）,面状水域建模：池塘和湖泊等水域可根据地形图上的水域轮廓，由鼠标点击拾取轮廓点，拾取完毕后，输入水域底面高程h，利用Skyline中的TerrainModify函数，开挖出以获取的轮廓点位边界，底面高程为h的基坑，轮廓点和水域底面高程存入水域数据库中。,面状水域图,2.1.6 城市水系建模（续）,线状水域建模：创建河流可采用拾取河流中心线并输入河流宽度的方式，由鼠标点击拾取河流的中心点C1、C2、Cn，并输入河流宽度W1，W2Wn，计算出线状水域轮廓点。将轮廓点导入TerrainModify函数中，进行水域绘制。,线状水域图,2.1.7 城市三维景观实现,2.1.7 城市三维景观实现（续）,2.1.7 城市三维景观实现（续）,2.1.7 城市三维景观实现（续）,2.1.7 城市三维景观实现（续）,2.1.7 城市三维景观实现（续）,2.1.7 城市三维景观实现（续）,2.1.7 城市三维景观实现（续）,2.1.7 城市三维景观实现（续）,2.1.7 城市三维景观实现（续）,2.1.7 城市三维景观实现（续）,2.1.7 城市三维景观实现（续）,2.2 城轨线路三维地质建模理论与方法,城市轨道交通工程的设计施工一般面临较复杂的地质状况，其设计离不开对所处区域的地质情况清楚认识和有效分析。借助于计算机和科学计算可视化技术，在三维地质模型的支持下进行城市轨道交通工程的地质三维可视化分析、开挖模拟和空间冲突分析，可为城市轨道交通线路设计与优化中遇到的地质问题和空间冲突的判断提供一种有效的、直观的分析手段。增强地质分析的直观性和准确性，使得设计人员做出符合实际地质现象分布和变化规律的工程设计和施工方案，减少工程风险。,城市轨道交通工程勘察特点: 城市轨道交通工程大多在城市中心下穿越，线路长且涉及不同地质单元、车站基坑开挖深度大、周边环境复杂。查明沿线地层、地下水分布规律、不良地质现象等。,三维地质建模数据来源: 数据主要来源于钻孔数据（岩土工程和水文地质勘探孔），也包括通过地质平面与剖面图、物探数据与遥感数据等信息转换为模型所需的数据格式。,三维地质建模数据特点: 城轨线路设计中，只需要一个带状模型，相对于长度，宽和高均要小得多。因此，建模采用的数据模型和建模方法应满足空间带状模型特点的要求。,1,2,3,2.2.1城市轨道交通三维地质建模的特征分析,数据模型类型分析,数据的预处理,数据结构,GTP数据模型,
