公路勘察設(shè)計多源數(shù)據(jù)融合方法研究

張 濤，郭長順，相詩堯，趙慶濤，姚守峰

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計院集團有限公司 全壽命周期BIM技術(shù)應(yīng)用研發(fā)中心，山東 濟南 250031）

引言

在公路多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合研究中，如何利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)之間的位置關(guān)系，搭建數(shù)據(jù)交互操作橋梁，掛接和關(guān)聯(lián)多源數(shù)據(jù)屬性信息，是目前亟待解決的難題。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究取得了一些進展，王浩坤[1]提出兼顧固定采集與移動采集的數(shù)據(jù)融合方法，基于歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)進行交通流預(yù)測方法。胡永利等[2]通過研究多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理、特征表示和數(shù)據(jù)融合方法，通過挖掘多源異構(gòu)數(shù)據(jù)內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)價值信息的有效利用。王浩淼[3]基于手機切換點提供交通狀態(tài)數(shù)據(jù)的支持下，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合方法估計行程時間，并以行程時間估計誤差為約束反推研究固定檢測器布設(shè)方法。

多源數(shù)據(jù)融合算法特征：（1）缺乏平臺集成的嘗試；（2）致力于解決單一問題；（3）算法復(fù)雜，難以實現(xiàn)。針對算法特征提出的公路設(shè)計階段多源數(shù)據(jù)融合方法，通過三維模型單體化技術(shù)與多源數(shù)據(jù)屬性信息掛接，實現(xiàn)公路多源數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、空間分析和三維可視化等應(yīng)用，允許在多種網(wǎng)絡(luò)終端下以網(wǎng)址形式快速訪問，提高多源數(shù)據(jù)融合的精確性和有效性。

1 技術(shù)流程

公路設(shè)計階段多源數(shù)據(jù)融合方法的技術(shù)流程見圖1。

圖1 技術(shù)流程

（1）獲取傾斜模型、BIM模型、多媒體數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)。（2）模型數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)生成切片緩存，多媒體數(shù)據(jù)壓縮為流數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，然后發(fā)布到服務(wù)器上。（3）基于WebGL實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)高效加載、屬性信息查詢統(tǒng)計分析等服務(wù)，實現(xiàn)公路多源數(shù)據(jù)融合。（4）在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境各種終端通過一個網(wǎng)址就可以快速訪問公路多源數(shù)據(jù)管理平臺，實時掌握項目各階段進度等信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 公路設(shè)計階段多源數(shù)據(jù)獲取

傾斜攝影實景三維模型不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維實景模型[4]，可用于大場景下的三維空間分析。圖2技術(shù)方案可以獲得精細化的傾斜攝影實景三維模型。

圖2 實景三維模型獲取

（1）由于行業(yè)視頻監(jiān)控需求，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)需要存儲在云存儲設(shè)備上，可實時掌握項目現(xiàn)場情況，通過在Web端調(diào)用云存儲設(shè)備的API接口接入視頻數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)監(jiān)控視頻的Web端實時瀏覽。音頻數(shù)據(jù)通過錄音等方式獲得。監(jiān)控視頻和音頻文件是配套使用的，后期在Web端將集成使用。（2）通過商業(yè)BIM建模軟件，錄入公路構(gòu)造物尺寸信息，調(diào)用其構(gòu)造物族庫，從而生成公路構(gòu)造物BIM模型，包括rvt和IFC等格式。（3）GIS數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)下載或有關(guān)部門獲得，包括建筑物輪廓數(shù)據(jù)、生態(tài)紅線和基本農(nóng)田等數(shù)據(jù)。（4）三維模型構(gòu)造物屬性存儲在屬性表中。

2.2 多源數(shù)據(jù)預(yù)處理

傾斜模型由航測影像自動生成，三維格網(wǎng)精細而復(fù)雜，導(dǎo)致傾斜模型數(shù)據(jù)量非常大，給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、加載和應(yīng)用帶來嚴峻考驗[5]。傾斜模型動態(tài)矢量面化是將矢量面模型與傾斜攝影模型同時加載到同一場景中，在渲染模型數(shù)據(jù)時把矢量面貼到傾斜模型對象表面，然后設(shè)置矢量面的顏色和透明度，從而實現(xiàn)可以單獨選中地物的效果[6]。以傾斜模型的構(gòu)造物為對象，獲取構(gòu)造物帶高程的矢量面模型，將矢量面模型生成S3M三維切片緩存，用于WebGL客戶端使用。

（1）BIM模型構(gòu)件多，三角網(wǎng)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量往往很大，給數(shù)據(jù)Web端加載和渲染帶來困難。為了顧及加載和顯示，先對BIM模型進行數(shù)據(jù)化簡，刪除多余的節(jié)點和三角網(wǎng)[7]。然后對BIM模型進行壓縮處理，生成多級的三維切片緩存。（2）音視頻數(shù)據(jù)需要對原始數(shù)據(jù)進行壓縮，以視頻流和音頻流的方式加載。（3）GIS數(shù)據(jù)多為shpfile文件，可直接生成為切片緩存文件。（4）屬性信息以屬性表的形式存儲到數(shù)據(jù)庫，方便后期調(diào)用。

2.3 多源數(shù)據(jù)融合

（1）需要配置開發(fā)環(huán)境，下載SuperMap iClient3D for WebGL產(chǎn)品包，解壓到工作目錄，該文件下提供了三維GIS網(wǎng)頁端開發(fā)的API接口和Cesium.js及所有需要的依賴文件，同時，在Tomcat環(huán)境下發(fā)布傾斜模型、矢量面模型與公路多源數(shù)據(jù)S3M三維切片緩存到服務(wù)器。（2）準備HTML頁面和引用，訪問服務(wù)器加載傾斜模型和矢量面模型。公路多源數(shù)據(jù)根據(jù)其格式選擇對應(yīng)的數(shù)據(jù)訪問接口調(diào)用數(shù)據(jù)并實現(xiàn)三維可視化，其中監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)通過調(diào)用云存儲設(shè)備的API訪問接口，實時接入視頻流數(shù)據(jù)，搭配音頻文件使用；BIM模型通過addS3MtilesLayerByScp接口訪問數(shù)據(jù)。（3）完成矢量面模型與公路設(shè)計多源數(shù)據(jù)的信息掛接和關(guān)聯(lián)，通過鼠標點擊矢量面模型，實現(xiàn)公路多源數(shù)據(jù)信息顯示并進行查詢、統(tǒng)計、分析等操作，見圖3。監(jiān)控視頻和音頻實時顯示和介紹項目現(xiàn)場情況；BIM模型顯示建筑物屬性、樓層名等屬性等。

用戶在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下任意終端包括臺式機、筆記本和手機等設(shè)備，輸入網(wǎng)址通過鼠標點擊傾斜模型中的矢量面模型對象，即可實現(xiàn)對公路多源數(shù)據(jù)信息的全面掌握。

3 試驗與分析

在B/S模式下，基于項目管理平臺開發(fā)實現(xiàn)公路設(shè)計多源數(shù)據(jù)融合模塊，成為項目管理的重要手段，并在多個公路設(shè)計項目得到成功應(yīng)用。

3.1 三維模型與多媒體數(shù)據(jù)融合

利用某公路施工工地及其周邊的傾斜攝影實景三維模型開展試驗，經(jīng)過精度驗證，平面中誤差與高程中誤差均＜5 cm。圖4為通過本方法實現(xiàn)的傾斜模型與多媒體數(shù)據(jù)融合效果，實現(xiàn)實驗室實時安全監(jiān)督，通過鼠標點擊事件可選中對象，并播放其掛接的音視頻信息。

圖4 傾斜模型與音視頻融合

3.2 三維模型與屬性數(shù)據(jù)融合

三維模型包括傾斜模型和BIM模型。圖5為Web端傾斜模型與屬性數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，通過點選查看矢量面對象屬性信息，包括小區(qū)名稱、樓號、單元號、房屋號、戶主名和建筑面積等，可以應(yīng)用于公路改擴建中的征拆管理，防止征拆糾紛的發(fā)生。圖6為BIM模型與屬性模型融合應(yīng)用，通過鼠標單擊查看變合站ID、位置、占地面積等屬性信息，可應(yīng)用于方案展示和項目管理，滿足項目管理對BIM語義屬性信息的精細化需求。

圖5 傾斜模型與屬性數(shù)據(jù)融合

圖6 BIM模型與屬性數(shù)據(jù)融合

3.3 三維模型與GIS矢量數(shù)據(jù)融合

研究中GIS矢量數(shù)據(jù)包括AutoCAD道路設(shè)計線位和GIS數(shù)據(jù)。以服務(wù)區(qū)選址作為三維模型與GIS矢量數(shù)據(jù)融合的應(yīng)用實例，服務(wù)區(qū)選址需要與周邊環(huán)境相適應(yīng)[8]，汽車噪聲對周圍居民區(qū)的影響不可忽視，以服務(wù)區(qū)單體化模型為中心進行噪聲的緩沖區(qū)分析，檢查噪聲污染范圍，為服務(wù)區(qū)選址提供輔助決策。

圖7紫色多邊形是從CAD設(shè)計線中提取服務(wù)區(qū)矢量輪廓，黃色多邊形是從GIS數(shù)據(jù)中提取周邊居民建筑矢量輪廓，以服務(wù)區(qū)矢量面中心進行噪聲緩沖區(qū)分析，通過分析可得機動車噪聲對居民區(qū)的影響在可接受范圍。

圖7 三維模型與GIS數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

3.4 三維可視化性能監(jiān)測

由于高速公路線狀傾斜模型和BIM模型數(shù)據(jù)量巨大，在多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用過程中，需要統(tǒng)計場景的幀率變化情況以監(jiān)測模型數(shù)據(jù)加載顯示效率，見圖8，幀率保持在40 Hz以上，瀏覽效果良好。

圖8 Web端三維模型加載幀率變化曲線

4 結(jié)語

針對公路設(shè)計階段多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用難的問題，提出以三維模型單體化技術(shù)作為公路多源數(shù)據(jù)融合的載體，實現(xiàn)公路多源數(shù)據(jù)位置和語義的精確集成，并成功應(yīng)用于公路勘察設(shè)計中的智慧工地建設(shè)、工程征拆統(tǒng)計和服務(wù)區(qū)選址等方面。與傳統(tǒng)C/S桌面端方法相比，本研究開發(fā)的公路多源數(shù)據(jù)管理平臺能夠在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境各種終端下快速訪問，及時掌握項目現(xiàn)場進度，有效提高項目管理質(zhì)量，為智慧公路建設(shè)提供技術(shù)支撐。