多源异构数据与BIM技术在高速公路设计中的应用

多源异构数据与BIM技术在高速公路设计中的应用

刘海强

四川交投设计咨询研究院有限责任公司，四川 成都 610000

摘要:为了实现高速公路设计中BIM技术与多源异构数据的融合应用，根据数据的种类及特点，探索出数据三维化和数据空间坐标统一化方法，并通过具体应用实例进行实践。根据三维球面场景下设计方案BIM模型与各类基础数据的综合应用情况，证明本方法可以有效验证设计方案的正确性以及对项目控制因素处理的合理性。

关键词：多源异构数据;BIM；数字孪生；CGCS2000;坐标转换

0 引言

高速公路设计需要充分考虑路线走向、地质、饮用水源、保护区、线形、造价等因素，对于复杂环境中的高速公路设计项目，地形地势条件、环境控制因素等则是重点的关注对象[1]。与高速公路设计相关的各类基础数据表现：数据格式不统一，空间坐标基准不一致，数据尺度不相同等特点。实现各类基础数据融合统一，并与设计方案相结合，对于验证方案合理性、正确性具有重要的作用。

1高速公路设计基础数据种类

高速公路设计基础数据种类众多，根据类别可划分为：基础地理信息数据[2]、控制因素数据[3]、地质条件数据[4]、外业调查数据[5]等。每一类数据又可进行细分，如基础地理信息数据可以细分为地形数据、影像数据、倾斜摄影实景三维模型等；控制因素数据则包括自然保护区、生态红线、输电线路、油气管道等；地质条件数据包括钻孔数据、电法探测数据、超前地质预报数据等；外业调查数据包括路线调查数据、拆迁调查数据等。这些数据中既有三维空间数据，也有二维平面数据，同时还包含多种表格属性数据。各类数据来源不同，结构不一，实现数据融合、匹配，并与设计方案结合，可优化设计方案。

2多源异构数据融合方法

2.1基础数据三维化

对于公路设计而言，需要同时完成平、纵、横设计，因此，各类多源异构数据应在三维空间中实现数据融合。为此，首先需实现各类数据的三维表现形式，如基础地理信息数据可由数字高程模型和数字正射影像构建为三维地形模型，并可附加倾斜摄影实景三维模型，表征重要工点的详细环境信息；控制因素数据应以三维方式展现，如高压线、输油管道等要素可应用自身高程属性，而生态红线、自然保护区等面状数据则可应用数字高程模型的高程属性；对于设计方案而言，可通过构建BIM模型的方式，实现对设计图纸的三维化表现。

2.2数据空间坐标统一化

由于各类数据采集时，所采用的坐标系统存在差异，要实现在三维空间中多源异构数据融合，需要解决各类数据的空间坐标统一化问题。对于公路的“线状”特点，有时会存在多个中央子午线的情况，为了实现全路线的数据融合，将三维球面场景作为多源异构数据融合的场景模式，坐标系统采用CGCS2000经纬度坐标的形式，完成不同椭球体数据的坐标转换工作。

3应用实例

3.1项目概况

以某高速公路新建项目为例，项目有部分段落位于引用水源保护区内，内部有引水隧洞、水源保护地、拦水坝、高压铁塔等众多控制因素，现场环境复杂。

3.2  航测数据

本项目前期，利用机载激光雷达扫描、高精度测 绘技术，将获取高精度三维激光点云、高分辨率数码 影像及经过数据处理获取的高清数字正射影像( digital orthophoto map，DOM) 、数字高程模型( digit- al elevation model，DEM ) 、数字线划图( digital line graphic，DLG) 、数字表面模型( digital surface  model， DSM) 等道路数据． 通过机载三维激光雷达测量，实现了地面三维坐标和影像数据同步，并快速实现地 物真实形态特性再现，为合理选线提供了基础数据．

通过航测数据建立的实景模型能够为 BIM 模型提供地理环境信息，多角度观看整个区域的地形地貌与实际情况，具有亲临真实场景查看的效果，可反复对局部及总体方案进行多角度仔细研判，特别是在宏观的地理环境查看方面具有显著的效果。

3.3  多源异构数据融合应用

为实现多源异构数据的融合，将项目中应用的各类数据转换为三维空间数据，并对设计方案建立三维BIM模型。通过参数转换，统一转换至CGCS2000经纬度坐标系下，实现在三维球面场景中多源异构数据融合。见图1。包括数字高程模型、数字正射影像、倾斜摄影实景三维模型、输电线路、输油管线、设计方案BIM模型等多源异构数据，这些数据的融合应用，可以从方案线形、控制因素、造价等多方面反映设计方案的合理性和经济性。

图1多源异构数据融合应用

在三维球面场景中，各类数据均具有了精确的三维空间坐标信息，进而可以准确计算出BIM模型距离各个控制因素的距离，以及占地、拆迁等情况。

针对项目中的“涉铁”“涉路”方案，采用多源异构数据融合的方式，可以更加准确地实现设计方案的合理性预判。图2展示了跨机耕道的设计方案BIM模型与既有道路倾斜摄影实景三维模型的叠加情况，较好地验证了设计方案的合理性和正确性。

图2涉路方案验证

4结语

通过对多源异构数据进行基础数据三维化和数据空间坐标统一化处理，实现了复杂环境高速公路设计中基础数据融合，通过该方式，可以准确地将设计方案BIM模型放置到“真实”的项目环境中，综合验证设计方案的正确性以及对控制因素处理的合理性。

参考文献：

[1]赵飞，朱明，徐益飞,等． BIM与GIS技术在某高速公路地质勘察中的应用［J］．路基工程，2019，37(4) :

[2]姜在田.海南省万宁至洋浦高速公路绿色公路设计J.现代交通技术，2019，16（6）:

［3］韩浩然． BIM 在公路桥梁设计中的应用［D］． 西安: 陕西师范大学，2018．

[4]黄忠财，许泽琪，王磊，等.BIM技术在公路岩溶隧道勘察设计中的应用J.公路，2020,65（11）:

［5］徐益飞，赵飞，杨啸宇,等．公路外业调查的数字化转型—基于3D-GIS的外业调查系统［J］．成都大学学报:自然科学版，2021，40( 2) :