山区公路景观设计CAD的开发.doc
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1、西部交通建设科技项目 山区公路景观设计CAD的开发山区公路景观设计CAD的开发(山区公路景观设计系统)Road-Scape Design System for Mountain Highways研 究 报 告(简本)Research Report交通部公路科学研究所中交第二公路勘察设计研究院上海市市政工程研究院1项目概况“山区公路景观设计CAD的开发”为20012003度西部交通建设科技项目(项目编号2001-318-223-78)。项目研究目的是为山区公路提供包括边坡、绿化、跨线桥和交通设施等内容的设计工具。改革开放后,经过二十多年的大规模公路建设,我国的公路网无论是在数量上还是在质量上都发
2、生了很大变化,这些变化主要表现在行驶速度和行驶舒适性能的提高及道路通行环境的改善。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 Des
3、ign System for Mountain Highways)。该系统可以从不同角度、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
4、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
5、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(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
6、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
7、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
8、设计技术通过绿化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)建立道路绿化材质数据库,对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
9、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
10、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
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- 山区 公路 景观设计 CAD 开发
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