相詩堯，郭長順，張 濤，趙 杰

（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

高速公路設(shè)計需要充分考慮路線走向、線形、造價等因素，對于復(fù)雜環(huán)境中的高速公路設(shè)計項目，地形地勢條件、環(huán)境控制因素等則是重點的關(guān)注對象[1]。與高速公路設(shè)計相關(guān)的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表現(xiàn)：數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，空間坐標基準不一致，數(shù)據(jù)尺度不相同等特點。實現(xiàn)各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)融合統(tǒng)一，并與設(shè)計方案相結(jié)合，對于驗證方案合理性、正確性具有重要的作用。

1 高速公路設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)種類

高速公路設(shè)計基礎(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]、控制因素數(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)又可進行細分，如基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)可以細分為地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影實景三維模型等；控制因素數(shù)據(jù)則包括自然保護區(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)、電法探測數(shù)據(jù)、超前地質(zhì)預(yù)報數(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、匹配，并與設(shè)計方案結(jié)合，可優(yōu)化設(shè)計方案。

2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法

為了實現(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)空間坐標統(tǒng)一化的方法。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三維化

對于公路設(shè)計而言，需要同時完成平、縱、橫設(shè)計，因此，各類多源異構(gòu)數(shù)據(jù)應(yīng)在三維空間中實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。為此，首先需實現(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景三維模型，表征重要工點的詳細環(huán)境信息；控制因素數(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；對于設(shè)計方案而言，可通過構(gòu)建BIM模型的方式，實現(xiàn)對設(shè)計圖紙的三維化表現(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)空間坐標統(tǒng)一化

由于各類數(shù)據(jù)采集時，所采用的坐標系統(tǒng)存在差異，要實現(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)的空間坐標統(tǒng)一化問題。對于公路的“線狀”特點，有時會存在多個中央子午線的情況，為了實現(xiàn)全路線的數(shù)據(jù)融合，將三維球面場景作為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的場景模式，坐標系統(tǒng)采用WGS84經(jīng)緯度坐標或者CGCS2000經(jīng)緯度坐標的形式，并首選布爾莎七參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換模型，完成不同橢球體數(shù)據(jù)的坐標轉(zhuǎn)換工作。

3 應(yīng)用實例

3.1 項目概況

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

3.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

為實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合，將項目中應(yīng)用的各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維空間數(shù)據(jù)，并對設(shè)計方案建立三維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)緯度坐標系下，實現(xiàn)在三維球面場景中多源異構(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、傾斜攝影實景三維模型、輸電線路、輸油管線、設(shè)計方案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、造價等多方面反映設(shè)計方案的合理性和經(jīng)濟性。

圖2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

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

圖3 三維空間量算

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

4 結(jié)語

通過對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三維化和數(shù)據(jù)空間坐標統(tǒng)一化處理，實現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境高速公路設(shè)計中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)融合，通過該方式，可以準確地將設(shè)計方案BIM模型放置到“真實”的項目環(huán)境中，綜合驗證設(shè)計方案的正確性以及對控制因素處理的合理性。