三维图形技术在高速公路建设项目中的应用
1、引言
高速公路是一个国家现代化水平的重要标志之一，而高速公路的信息化建设则是实现高速公路现代化管理最重要的基础支撑。在高速公路建设过程中，做到如何对工程建设的宏观到微观的管理一直困扰着高速公路建设管理人员。随着计算机技术、图形技术、虚拟技术、网络技术的高速发展，目前，这一问题已能得到较好的解决。
在广深沿江高速公路（深圳段）建设项目根据项目的特点，结合工程实际需要，开发并应用了基于三维图形技术的高速公路三维可视化项目管理系统。系统做到了对整个工程项目的宏观管理，同时也能对工程建设中各构件的微观管理。系统摒弃了以往采用文字、表格的形式对项目进行“三控（投资控制、进度控制、质量控制）三管（合同管理、工程信息管理、安全管理）一协调”，采用形象、直观的三维图形技术实现对工程进度、工程质量、工程信息的管理，实现对项目的动态、实时全方位管理，同时也能扩充功能实现对投资、合同、安全的管理。
2、三维图形技术
三维图形技术是图形生成和图像理解相结合的一种新技术，它赋予了人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互的能力，尤其是以可视化图形技术为基础发展起来的虚拟现实技术、三维仿真技术及科学计算可视化技术，它们的发展及其相互结合使人类认识和驾驭世界的技能得到了极大的延伸[1]。三维图形技术已经在医疗卫生、航天、艺术、石油勘探、产品设计、建筑设计、水利工程、电子游戏、广告和电影制作等各个领域广泛应用，三维图形技术已无所不在，已成为虚拟现实、实时仿真及交互三维设计等许多重要应用的关键技术。三维图形技术的日趋成熟，人们使用计算机开始从二维向三维图形技术过渡。
在高速公路建设行业中，三维图形技术目前已经涉足到了高速公路的勘测设计中，而在高速公路建设管理中涉及甚少。面对高速公路建设过程中一般的MIS系统或基于GIS的二维项目管理系统难以形象直观展现工程设计情况和施工进展情况、难以体现工程实体的空间关系、工程信息查阅及其困难等问题[2]，采用面向对象的三维图形技术建立高速公路三维图形模型能较好的解决以上问题，并为业主、监理、施工单位技术人员提供掌控工程进度、工程投资、工程质量、工程信息的技术手段。
3、三维图形技术应用
三维图形技术应用主要体现在三维设计信息管理、三维形象进度展示、三维进度数据管理、工程技术资料查阅、三维漫游、三维模型的观察和显示等几个方面。
3.1设计信息管理
设计信息管理主要包括施工图设计信息和变更信息。当前高速公路的勘测设计已基本实现了数字化，然而数字化的设计成果在施工建设管理中尚未得到充分的利用，勘测设计单位的设计成果以纸质图表为主提交给施工单位。系统中，以勘测设计数字化成果为基础，叠加施工建设管理信息，通过三维数字建模，实现了高速公路沿线地形图、路线设计数据（平、纵、横）、构造物设计数据（桥梁、隧道、涵洞）的三维图形化管理，构件一个三维图形化、可视化的三维操作平台，从而实现勘测设计、施工建设管理数字化信息的集成与共享，如图1所示。
高速公路建设项目涉及的面比较广，路基形式、涵洞形式，桥梁墩柱、预制箱梁、现浇箱梁、钢箱梁断面形式多样，每一构件都有其复杂的几何模型，在经过业务计算处理后都得到了充分的体现。变更设计信息在系统中更新模型数据后，也得到了及时的展现。同时系统中将各构件的设计文件、图纸与三维图形工程实体进行了关联管理，在施工过程中，通过三维图形可以查阅其设计文件和图纸，不需再频繁的翻阅图纸，查阅方便快捷。
3.2三维形象进度展示
在传统的工程进度管理中，一般采用横道图、墙壁纵断面挂图的形式来体现工程的进度情况，而在三维系统中采用填实的方式来体现工程的进度情况。系统在设计资料的基础上，通过进度数据建模形成进度模型，形象、直观地三维图形展现工程进度。做到了与工程现场的进度一致，同时形成了施工进度台帐和汇总统计表，实现了工程各层次的工程进度管理，可以了解到整个项目、各施工合同段、构造物、单构件的工程进度情况，实现了真正意义上的宏观到微观的工程进度管理，不需再奔波于现场也能对工程进度了于指掌，同时也能通过形象进度的完成情况来掌控各构件档案资料的整理情况，做到工程进度完，竣工资料整理完成，实现资料整理与工程进度同步完成，有效监管理各监理、施工单位竣工资料的整理。
在三维图形的具体体现形式上体现为三种：（1）竣工完成后的三维展现，通过此方式，在施工过程中可以查看到竣工后的三维情况。（2）设计与进度相结合的展现方式，采用线框形式体现设计情况，同时采用实体展示进度情况，二者结合能进行施工进度与设计对比，从而体现出距离设计目标有多远。（3）按工程实际完成情况体现工程进度，在三维图形中只显示工程的实际完成，此方式与工程现场情况相同。
3.3三维进度数据管理
为了能够通过三维系统真实展现公路工程的进度，在服务器中心建立了数据库来管理工程进度数据，系统与工程进度数据库相连接，同时为各个要体现进度的工程对象依次建立数据表。数据表根据工程类别的不同设置不同的表结构，达到高速公路工程建设的需要。由于高速公路工程建设地域广阔，路线长，工程类型多样，所以必须提供一个工程进度数据录入接口。考虑到现实的可操作性，通过客户端将各合同段分别建立用户，用户只需通过互联网登陆系统即可将进度数据方便快捷的录入到管理处中心数据库，各三维浏览端用户实时更新三维图形展示工程形象进度。
3.4工程技术资料管理
三维图形对象具有可操作性，在三维图形中可以对其进行图形选择，因此为了解工程的资料情况带来了极大的方便性，做到了“想了解什么就能了解到什么”。工程资料来源由两大部分组成，一部分来自本系统自身管理的工程文档，包括与工程实体相关的设计资料、影像资料等，另一部分来自试验、质量评定系统产生的质检资料。三维图形工程实体与工程划分中的各构件建立了对应关系，因此可通过三维图形追溯工程划分构件的质检资料并返回，从而实现通过图形查阅工程质检资料，而设计资料、影像资料直接与图形关联的，因此可直接点击图形查询。
3.5三维漫游
利用虚拟现实技术、图形技术，结合现有的高速公路沿线真实地形数据和高速公路完整设计资料，根据设计变更及时更新模型，构建出设计完成后的高速公路三维场景，提供道路真实场景的交互与查询，用户可以选择自动式或者交互式的方式进行道路三维漫游。对于自动式漫游而言，用户以高速公路中线为漫游线路进行漫游。而交互式漫游可以利用操作交互设备（如鼠标、键盘），进而操纵屏幕中的照相机在三维中定位，并允许用户在界面上进行定位查询公路相关构造物信息、工程进度信息以及工程资料，即可以对三维图形工程实体进行操作。在虚拟的世界中，我们可以任意角度，任意比例的观看我们所感兴趣的内容，丝毫没有束缚之感，做到“想看那里就看那里”，犹如其身临其境。
3.6三维图形技术特点
（1）与传统沙盘、静态效果图、三维动画的方式来展示设计成果，具有其可操作性。
传统沙盘在于其空间的限制性太大，不足以体现出整个项目的设计细节；静止的效果图只能向观看者展示项目的某一个或某几个方面，对观看者提出的其他问题与要求必须以相近的图像或文字加以说明，运作起来不直观、不全面，具有相当大的局限性；动画演示在一定程度上弥补了静止画面的不足之处，声音与动画同步播放，生动细致。但是严格意义上讲，这种浏览演示方式只是用于设计成果的演示，并只能按规定的路径漫游，而对于典型的工程项目则缺少应有的严谨性、灵活性与客观性。这三种方式都不具备操作性，而三维可视化管理系统采用的是矢量图形，能对其进行任意比例的缩放、任意角度的观看，可从多角度了解工程的设计、进度情况等，同时能对图形进行选择操作，为工程资料的查阅提供了便捷的手段。
（2）与传统的MIS、二维GIS系统比较具有直观、形象和丰富性等特点。
传统的MIS（管理信息系统）仅仅采用文字、表格、直方图、饼图的形式来展示工程信息，而三维图形系统确恰恰能做到形象、直观展示工程。二维GIS（地理信息系统）系统则只是采用二维的图形表达工程平面情况，而不是三维立体的，不能体现出构造物的空间几何关系，具有很大的片面性和局限性，三维图形却弥补了其不足，充分、完整的体现了工程的实际情况。同时三维图形其完整性，恰恰也丰富了工程的各种信息的查阅、检索与利用。
4、三维图形技术应用和发展
计算机三维图形技术在高速公路建设行业发展给工程的全过程施工管理带来了一种全新的方法，给工程行业提供一种先进的技术，给工程技术人员的工程管理带来了质的飞跃，由原来的手工计算转变为直观的图型建模，计算过程由计算机自动完成，是信息化管理工作方式的巨大转变，工作效率得到很大提高。三维图形技术在整个建筑行业的不断完善，使建设项目管理工作变得容易，将真正实现建筑全生命周期的工程项目管理信息化。将三维图形技术拓展到高速公路后期养护、维修、运营管理中将全面实现交通行业的三维信息化管理。
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