相詩堯，郭長(zhǎng)順，張 濤，趙 杰

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 全壽命周期BIM技術(shù)應(yīng)用研發(fā)中心，山東 濟(jì)南 250031）

引言

高速公路設(shè)計(jì)需要充分考慮路線走向、線形、造價(jià)等因素，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境中的高速公路設(shè)計(jì)項(xiàng)目，地形地勢(shì)條件、環(huán)境控制因素等則是重點(diǎn)的關(guān)注對(duì)象[1]。與高速公路設(shè)計(jì)相關(guān)的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表現(xiàn)：數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，空間坐標(biāo)基準(zhǔn)不一致，數(shù)據(jù)尺度不相同等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)融合統(tǒng)一，并與設(shè)計(jì)方案相結(jié)合，對(duì)于驗(yàn)證方案合理性、正確性具有重要的作用。

1 高速公路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)種類

高速公路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)種類眾多，根據(jù)類別可劃分為：基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)[2]、控制因素?cái)?shù)據(jù)[3]、地質(zhì)條件數(shù)據(jù)[4]、外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)[5]等。每一類數(shù)據(jù)又可進(jìn)行細(xì)分，如基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)可以細(xì)分為地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影實(shí)景三維模型等；控制因素?cái)?shù)據(jù)則包括自然保護(hù)區(qū)、生態(tài)紅線、輸電線路、油氣管道等；地質(zhì)條件數(shù)據(jù)包括鉆孔數(shù)據(jù)、電法探測(cè)數(shù)據(jù)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等；外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)包括路線調(diào)查數(shù)據(jù)、拆遷調(diào)查數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)中既有三維空間數(shù)據(jù)，也有二維平面數(shù)據(jù)，同時(shí)還包含多種表格屬性數(shù)據(jù)。各類數(shù)據(jù)來源不同，結(jié)構(gòu)不一，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、匹配，并與設(shè)計(jì)方案結(jié)合，可優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法

為了實(shí)現(xiàn)各類多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，提出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三維化和數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)統(tǒng)一化的方法。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三維化

對(duì)于公路設(shè)計(jì)而言，需要同時(shí)完成平、縱、橫設(shè)計(jì)，因此，各類多源異構(gòu)數(shù)據(jù)應(yīng)在三維空間中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。為此，首先需實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的三維表現(xiàn)形式，如基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)可由數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像構(gòu)建為三維地形模型，并可附加傾斜攝影實(shí)景三維模型，表征重要工點(diǎn)的詳細(xì)環(huán)境信息；控制因素?cái)?shù)據(jù)應(yīng)以三維方式展現(xiàn)，如高壓線、輸油管道等要素可應(yīng)用自身高程屬性，而生態(tài)紅線、自然保護(hù)區(qū)等面狀數(shù)據(jù)則可應(yīng)用數(shù)字高程模型的高程屬性；外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)通過掛接高精度三維外業(yè)調(diào)查點(diǎn)的方式賦予三維特性；地質(zhì)條件數(shù)據(jù)通過構(gòu)建三維地質(zhì)模型的方式賦予三維特性；對(duì)于設(shè)計(jì)方案而言，可通過構(gòu)建BIM模型的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的三維化表現(xiàn)，見圖1。

圖1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)種類及三維化表現(xiàn)

2.2 數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)統(tǒng)一化

由于各類數(shù)據(jù)采集時(shí)，所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)存在差異，要實(shí)現(xiàn)在三維空間中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，需要解決各類數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)統(tǒng)一化問題。對(duì)于公路的“線狀”特點(diǎn)，有時(shí)會(huì)存在多個(gè)中央子午線的情況，為了實(shí)現(xiàn)全路線的數(shù)據(jù)融合，將三維球面場(chǎng)景作為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的場(chǎng)景模式，坐標(biāo)系統(tǒng)采用WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)或者CGCS2000經(jīng)緯度坐標(biāo)的形式，并首選布爾莎七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，完成不同橢球體數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

以山東省某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目為例，項(xiàng)目有部分段落位于工業(yè)區(qū)內(nèi)，內(nèi)部有化工廠、鐵路、儲(chǔ)油罐、油氣管道等眾多控制因素，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜。

3.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合，將項(xiàng)目中應(yīng)用的各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維空間數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)計(jì)方案建立三維BIM模型。各類三維數(shù)據(jù)采用布爾莎七參數(shù)模型，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)在三維球面場(chǎng)景中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合。見圖2。包括數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、傾斜攝影實(shí)景三維模型、輸電線路、輸油管線、設(shè)計(jì)方案BIM模型等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，可以從方案線形、控制因素、造價(jià)等多方面反映設(shè)計(jì)方案的合理性和經(jīng)濟(jì)性。

圖2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

在三維球面場(chǎng)景中，各類數(shù)據(jù)均具有了精確的三維空間坐標(biāo)信息，進(jìn)而可以準(zhǔn)確計(jì)算出BIM模型距離各個(gè)控制因素的距離，以及占地、拆遷等情況。見圖3，可準(zhǔn)確計(jì)算出互通匝道與輸油管道之間的最短距離，進(jìn)而可查看設(shè)計(jì)方案對(duì)項(xiàng)目中的控制因素處理是否合理。

圖3 三維空間量算

針對(duì)項(xiàng)目中的“涉鐵”“涉路”方案，采用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的方式，可以更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的合理性預(yù)判。圖4展示了跨鐵橋的設(shè)計(jì)方案BIM模型與既有鐵路傾斜攝影實(shí)景三維模型的疊加情況，較好地驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性和正確性。

4 結(jié)語

通過對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三維化和數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)統(tǒng)一化處理，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境高速公路設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)融合，通過該方式，可以準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)方案BIM模型放置到“真實(shí)”的項(xiàng)目環(huán)境中，綜合驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性以及對(duì)控制因素處理的合理性。