山区公路景观设计CAD的开发Word下载.docx

1、随着国民经济的持续发展、市场经济的不断完善和人们生活水平的日益提高，道路使用者对公路网的路面状况、服务水平、舒适程度、安全设施和沿线道路通行环境也将提出更高的要求。长期以来被人们忽视的道路通行环境，特别是道路景观逐步受到重视。该项目从西部地区的公路建设出发，结合西部地区的实际情况和山区公路景观设计的需要，针对公路建设中景观设计和评价等问题，对1）道路边坡设计、2）道路绿化设计、3）跨线桥梁选型和4）交通设施设置等景观技术进行了系统地研究，开发完成了全数字化的三维景观设计系统 （RSD: RoadScape Design System for Mountain Highways）。该系统可以从不

2、同角度、以不同的速度，分析道路设计对象，包括边坡、排水系统、交通设施、跨线桥、路边植树等的景观设计效果；模拟不同天气、气候和照明条件下（特别是雨和雾）的景观和行驶效果，为道路景观设计提供了分析工具。该项目于2003年4月4日通过交通部组织的鉴定和验收，主要鉴定结论是：“山区公路景观设计系统的全面、系统研究在国内尚属首次，成果代表了该领域的最高技术水平，总体成果达到国际先进水平。该成果为我国的山区公路景观设计和景观评价提供了科学的分析方法，其推广应用必将为我国公路建设事业带来很大的经济效益和社会效益。”2. 实时建模技术三维实时建模技术是山区公路景观设计的关键技术。三维景观技术从最初的透视图视觉

3、分析，到后来的非实时渲染，发展到现在的实时渲染，经历了几个不同的发展阶段。OpenGL和DirectX是研究现代三维实时景观建模技术必须考虑的二大技术。本项目结合山区公路景观设计需求，在分析现有技术的基础上，研究了山区公路路线、边坡、绿化、沿线设施和跨线桥景观设计的核心三维建模技术，提出新的实时景观构造模型。2.1 三维实时建模和渲染技术研究1）建模关键技术生成三角形所有的 3D 图形都是由三角形构成的。选择三角形是因为三角形有许多优越之处，特别是绘制效率高。所以，如果想得到一个矩形，最有效率的方法是绘制两个相同的三角形，这样要优于直接绘制一个矩形，因此，山区公路的景观是由大量的三角形组成的（

4、见图1）：图1 由三角形组成的山区公路景观图2）渲染关键技术纹理贴图早期由计算机生成的3-D图象表面看起来就象是一个发亮的塑料表面。它们总是缺少一些能使物体看起来更加真实的东西，如边坡、树木、路面、天空等。近几年来，纹理的使用使得计算机三维技术具有了真实感。由于Direct3D的纹理实际上就是简单的位图，因此任何纹理都可以被用在Direct3D图元上。例如，可以创建一些具有天空或地面的图案位图；也可以将一些青草、沙石和岩石用于位图，并将它们堆成形状，这样就有了一个山坡的背景；或者设置路标和树木等等。山区公路景观在三角形上加上纹理就可以显示出真实的视觉效果（见图2）。图2 山区公路三角形上的纹理

5、视觉效果2.2 景观构成和浏览技术研究山区公路景观分析要求用户能从不同位置或角度，实时观察公路线形、边坡、绿化、沿线设施和跨线桥的景观设计效果。因此，系统设计了能在行驶状态或静止状态，从不同位置或角度（空中、车内、任意位置）进行景观视觉分析的功能。此外，系统还设计了各种环境条件下的行驶效果模型，如：1）白天和黑夜；2）晴天和阴天；3）雨天；4）雾天（能见度的设置）；5）灯光（见图3-4）。 图3 自定义（俯瞰） 图4 夜晚阴天雾雨车灯3. 边坡景观设计技术通过边坡景观设计技术的研究，实现如下目标：1）选择要设计的道路范围，显示此道路范围内的三维实景；2）建立道路边坡材质数据库，对道路边坡材质数

6、据库进行管理；3）从道路边坡材质数据库中选择材质，设置指定道路边坡材质并实时实景显示。3.1 边坡功能需求和技术设计根据需求分析，系统设计了使用户能在“植被/边坡信息”的属性页下，进行边坡景观设计的功能。属性页左侧设计为边坡编辑区，显示当前被选中的边坡信息的内容，右侧为已设计边坡的信息列表（见图5）。图5 边坡设计3.2 边坡材质数据库系统支持用户管理边坡（地面）材质库，每一种边坡材质由材质名称、材质图片文件名组成。材质放在RSD程序目录下。系统支持用户增加、删除、修改材质（见图6）。图6 边坡材质库管理4绿化景观设计技术通过绿化景观设计技术的研究，实现如下目标：2）建立道路绿化材质数据库，对

7、道路绿化材质数据库实施管理；3）从道路绿化材质数据库中选择绿化植被和植物，实时三维实景分析。4.1 树木和植被景观功能设计技术在界面的“树木信息”和“植被信息”的属性页下设计了树木和植被设计功能，建立了具有用户管理功能的树木材质数据库。每一种树木材质由材质名称、材质图片文件名、缺省树木高度和宽度组成。系统对植被材质与边坡材质进行统一管理，植被材质库与边坡材质库采用了相同的管理技术。4.2 绿化景观软件技术1）树木及其排列树木是绿化非常重要的组成部分，因此山区公路景观设计系统加强了对树木的支持。采用真实的树木模型渲染可以生成相当逼真的树木景观，但是显示的速度不够快，而且会占用大量的系统资源。而在

8、山区公路景观设计系统中，树木是绿化的重要组成部分，可能会有大量的树木，所以在研究中采用用两个垂直平面贴图模拟树木的方法，这种方法最大的特点是速度快，而且节省系统资源。为了更逼真地显示树木，在研究中采用了修改反射法线方向的方法对视觉效果进行特殊处理。在绿化中树木往往是成排种植的，在山区公路景观设计中同样要求树木按照一定的距离排列。在排列的过程中，由于地形等原因，树木种植的位置在三维坐标中的高度是不相同的。树木必须种植在地面上，因此，要完成树木的排列，必须求出任意一点地面在三维坐标中的绝对坐标。两棵树在地面的不同位置将造成相对于海平面的绝对高度存在差异。因此，在建立地形模型的同时，还要对地形数据的

9、海拔高度进行索引，以便能检索到指定位置的Y轴坐标。山区公路景观设计系统是通过里程桩号和横断面数据对地形数据进行索引的。2）天气与绿化天气的变化对表现绿化效果是非常明显的。逼真的天气变化可以反映出绿化景观。山区公路景观设计系统可以支持晴、阴、雾、雨等天气情况。晴天的主要表现包括环境亮度高、能见度高、有蓝天白云。雾是山区和山区公路一种非常常见的自然现象，雾的属性在系统中描述为起点距离、终点距离和颜色，通过调节雾的起终点距离，可以对能见度进行调节。阴天和晴天的主要区别在于背景光的强弱以及天空的颜色，天空颜色的调节是通过调节雾来实现的。雨同样是一种非常典型的气候特点，系统采用了真实三维模拟技术生成雨天

10、的景观。5跨线桥景观技术通过跨线桥选型景观设计技术的研究，实现如下目标：2）建立并管理各种桥梁（跨线桥）造型数据库；3）从跨线桥造型数据库中选择跨线桥并置于指定位置；4）根据选择的跨线桥梁类型和桥梁、地形和道路关系，自动生成实时桥梁景观并三维实景显示。5.1 跨线桥选型设计技术跨线桥选型设计及桥型数据管理界面分别见图9和10。图9 跨线桥景观选型设计图10 跨线桥桥型库管理5.2 选型景观软件技术1） 三维模型的转换在山区三维景观设计系统中，跨线桥的渲染是通过装载跨线桥模型而实现的。跨线桥的设计一般是使用CAD设计软件实现的，而在D3D中支持的模型文件是后缀名为x的文件，这其中就需要三维模型的

11、转换工作。三维模型的转换工作主要通过两步： 通过3ds Max把设计CAD格式模型转换成3ds文件； 通过微软公司的转换程序把3ds文件转换成x文件。2） 增加三维模型的纹理在应用跨线桥模型时，需要为跨线桥CAD模型提供纹理，并修正正确的纹理坐标。在完成了上述工作之后，重复转换格式步骤，就可以在山区三维景观设计系统中得到跨线桥效果。利用装载模型的功能，山区三维景观设计系统可以装载任何跨线桥，具有非常良好的扩展能力（见图11）。图11 跨线桥景观6交通设施景观技术通过交通设施景观技术的研究，实现：2）建立并管理交通设施数据库；3）从交通设施数据库中选择交通设施，置于指定的位置上，并显示三维实景。

12、6.1 交通标志设计及交通标志库在“交通标志”的属性页下可做交通标志设计。属性页左侧是交通标志当前路线所有交通标志列表、右侧是被选中交通标志所包含标牌列表。交通标志信息分为基本信息和标牌信息，景观设计系统与RoadCAD系统共享标志库。图13 交通标志编辑6.2 RoadCAD与RSD数据库接口技术道路模型数据、道路标牌数据、道路景观设计数据保存在Access格式的三个数据库中，RoadCAD与RSD共享相同的交通标志库。7推广应用前景山区公路景观设计系统能够实时分析边坡、沿线绿化和道路构造物等的景观设计效果。成果的推广应用将： 为路线设计提供了线形和景观实时设计分析和错误检验的工具，在很大程

13、度上提高了公路设计的速度、效率和质量。根据“九五”国家攻关的经验，系统的使用可提高设计速度高达30%-40%。 为路线在行驶舒适性方面的优化设计提供评价工具，使工程师在线形设计时可充分考虑道路几何条件和沿线环境对运行速度的影响，提高线形设计的质量。 充分模拟道路和道路沿线景观的相互关系，减少不必要的设计失误，提高设计质量。8结束语公路景观已经成为公路建设中的一个重要技术内容。山区公路景观设计系统包含了边坡景观设计技术、绿化景观设计技术、跨线桥造型景观技术和交通设施设置景观技术。山区公路景观设计系统的研究成功，对改善道路通行环境，建立绿色文明通道，创造一个环境优美、安全舒适的通行环境，提供了设计和评价方法。期望这套“山区公路景观设计系统”能在西部地区公路建设的景观设计和景观评价工作中发挥积极作用。