基于多層級(jí)模型融合的既有道路數(shù)字化方法研究

摘要 既有道路數(shù)字化是數(shù)字交通發(fā)展的重要內(nèi)容，道路數(shù)字模型不僅可以作為數(shù)字孿生的底座，而且在道路養(yǎng)護(hù)管理中發(fā)揮著重要作用。針對(duì)傳統(tǒng)BIM、傾斜攝影等單一道路建模方法費(fèi)用高、效率低、針對(duì)性弱、應(yīng)用管理困難等問(wèn)題，文章首先將道路從宏觀至微觀分解為區(qū)域地形圖、路網(wǎng)、路面、道路附屬設(shè)施、結(jié)構(gòu)物、其他資產(chǎn)等六個(gè)層級(jí)，然后針對(duì)不同層級(jí)道路模型及各類(lèi)建模方式的適用性，綜合采用高分遙感影像、車(chē)載LiDAR點(diǎn)云、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、高分正射影像、BIM建模等方式，對(duì)道路進(jìn)行多層級(jí)數(shù)字化建模，最后基于開(kāi)發(fā)的BIM+GIS平臺(tái)對(duì)道路模型進(jìn)行了融合展示，形成了一套高效的道路最佳數(shù)字模型建立流程，以期為既有道路的數(shù)字建模提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞 既有道路；數(shù)字化模型；多層級(jí)建模；BIM+GIS平臺(tái)；模型融合

中圖分類(lèi)號(hào) U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）20-0036-03

0 引言

數(shù)字交通是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要領(lǐng)域，2019年以來(lái)，我國(guó)印發(fā)的一系列政策文件都強(qiáng)調(diào)要推動(dòng)交通基礎(chǔ)設(shè)施的全要素、全周期數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的宏偉目標(biāo)[1]。既有道路的數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)數(shù)字交通的前提條件，須探索既有道路的多種數(shù)字模型建立方式，并研究各自的適用性，然后針對(duì)劃分的不同道路層級(jí)分別進(jìn)行數(shù)字建模，最后將各層級(jí)數(shù)字模型進(jìn)行融合，從而構(gòu)建高效率、低成本的既有道路數(shù)字模型[2-3]。

道路數(shù)字模型是數(shù)字孿生和數(shù)字交通研究的基礎(chǔ)，目前我國(guó)已有眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，但仍然存在采集成本高、建模效率低，以及建立的模型不適用于后期的運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)管理等問(wèn)題[4-8]。該文基于以上問(wèn)題，對(duì)各類(lèi)道路數(shù)字化建模方式的適用性進(jìn)行深入研究，在對(duì)道路進(jìn)行分級(jí)處理的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同層級(jí)道路模型及各類(lèi)建模方式的適用性，綜合采用高分遙感影像、車(chē)載LiDAR點(diǎn)云、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、高分正射影像、BIM建模等方式進(jìn)行數(shù)字化建模，最后將各層級(jí)模型在BIM+GIS平臺(tái)中進(jìn)行融合，形成了一套道路數(shù)字化建模的最佳流程。

1 研究框架及技術(shù)路線

目前，由于還沒(méi)有一種單一的道路建模方式可以兼顧模型可視化效果、建模效率和模型構(gòu)件級(jí)的管理應(yīng)用，因此在對(duì)各類(lèi)建模方式進(jìn)行適用性分析后，將既有道路進(jìn)行拆分為區(qū)域地形圖、路網(wǎng)、路面、道路附屬設(shè)施、結(jié)構(gòu)物、其他資產(chǎn)等六個(gè)層級(jí)。針對(duì)不同層級(jí)，從建模時(shí)間、費(fèi)用、效果及適用性出發(fā)，分別研究合適的建模方法，最后將各層級(jí)模型統(tǒng)一坐標(biāo)、格式后進(jìn)行融合。在對(duì)既有道路進(jìn)行分級(jí)處理后，針對(duì)某一層級(jí)的道路模型，根據(jù)具體的建模精度、展現(xiàn)效果及應(yīng)用管理需求，使用不同的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方式，從而得到各層級(jí)的三維數(shù)字模型，最后再將各層級(jí)模型統(tǒng)一坐標(biāo)、格式后，在BIM+GIS平臺(tái)中進(jìn)行融合展示和管理應(yīng)用，如圖1所示：

2 多層級(jí)數(shù)字模型建立

2.1 區(qū)域地形圖獲取

為了恢復(fù)建模路段周邊的地理環(huán)境，下載高分遙感衛(wèi)星拍攝的對(duì)應(yīng)區(qū)域的高分遙感影像，綜合考慮數(shù)據(jù)量大小和成本等問(wèn)題，選擇下載某市的低分遙感影像，對(duì)于建模路段周邊區(qū)域，下載高分遙感影像。

2.2 重點(diǎn)路網(wǎng)提取

使用車(chē)載LiDAR對(duì)道路進(jìn)行掃描，并對(duì)獲取的點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理等操作，然后從點(diǎn)云中提取目標(biāo)點(diǎn)云并擬合道路線，最終構(gòu)成重點(diǎn)路網(wǎng)。基于車(chē)載LiDAR點(diǎn)云提取的三維道路線如圖2所示：

2.3 路面建模

路面建模由三部分組成：其一，基于車(chē)載LiDAR點(diǎn)云提取三維道路線生成路面模型；其二，道路護(hù)欄及隔離帶等設(shè)施是從點(diǎn)云中自動(dòng)提取的三維邊線建模而得到；其三，路面上的標(biāo)線和路面真實(shí)影像則根據(jù)正射影像得到，最后將三者結(jié)合在一起就得到了道路路面模型。

2.4 附屬設(shè)施建模

對(duì)于路燈、監(jiān)控?cái)z像頭、標(biāo)識(shí)標(biāo)牌等路側(cè)設(shè)施，首先從車(chē)載LiDAR點(diǎn)云中提取各自的位置、高度等參數(shù)，然后從全景影像中獲取其樣式，最后建模入庫(kù)，并根據(jù)位置、高度、樣式等參數(shù)自動(dòng)匹配模型。基于點(diǎn)云的參數(shù)化模型庫(kù)匹配的路側(cè)設(shè)施模型如圖3所示：

2.5 結(jié)構(gòu)物建模

以橋梁結(jié)構(gòu)物為例，由于后期的橋梁養(yǎng)護(hù)管理需要精確到構(gòu)件級(jí)，因此應(yīng)使用BIM方式進(jìn)行建模。該文使用CATIA軟件對(duì)其進(jìn)行BIM建模，得到的橋梁CATIA模型如圖4所示：

2.6 其他資產(chǎn)建模

其他資產(chǎn)主要包括服務(wù)區(qū)、停車(chē)區(qū)、應(yīng)急基地等建筑物，其區(qū)域主要是房建設(shè)施，可以使用傾斜攝影的方式對(duì)其進(jìn)行三維建模。

3 多層級(jí)數(shù)字模型融合

BIM+GIS三維可視化平臺(tái)是集道路全生命期數(shù)據(jù)采集、處理、展示、管理、分析等于一體的數(shù)字化平臺(tái)。平臺(tái)匯聚多源數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建真實(shí)數(shù)字化環(huán)境，以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)整合各類(lèi)道路要素，且具備數(shù)據(jù)庫(kù)的增刪核查、云端網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸更新、三維可視化展示、空間分析、輔助決策等功能。用戶(hù)可以上傳、下載、更新原數(shù)據(jù)文件，并處理發(fā)布到云服務(wù)中，通過(guò)與云服務(wù)中的工作空間、圖層關(guān)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的在線集成瀏覽。通過(guò)GIS客戶(hù)端將采集到的多源數(shù)據(jù)（傾斜模型、點(diǎn)云模型、地形、影像等）進(jìn)行處理并發(fā)布，即在平臺(tái)中關(guān)聯(lián)和展示，在展示時(shí)可以根據(jù)需要選擇隱藏或顯示圖層，查看構(gòu)件屬性，進(jìn)行測(cè)量、還原、漫游、定位等操作。開(kāi)發(fā)通用工具從BIM模型文件中抽取構(gòu)件信息（主要包括模型的結(jié)構(gòu)目錄、屬性信息）并上傳到平臺(tái)，與模型管理的模型文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即可在平臺(tái)上查看模型構(gòu)件屬性。

基于開(kāi)發(fā)的BIM+GIS平臺(tái)，將建立的各層級(jí)道路多源數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一坐標(biāo)系后導(dǎo)入到平臺(tái)中。如圖5所示，通過(guò)路面模型的融合可以準(zhǔn)確地在三維空間中反映路面病害（裂縫、塌陷）情況，并結(jié)合準(zhǔn)確位置坐標(biāo)進(jìn)行路面病害的量測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析。路面附屬設(shè)施與區(qū)域地形圖、路網(wǎng)、路面相融合，可以在BIM+GIS平臺(tái)上進(jìn)行點(diǎn)選、替換、增刪、屬性查看、屬性修改等操作。

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)物等模型，為了便于后期的養(yǎng)護(hù)管理，應(yīng)在建模時(shí)對(duì)橋梁的上下部結(jié)構(gòu)與橋面系附屬設(shè)施進(jìn)行構(gòu)件級(jí)建模。橋面按車(chē)道和對(duì)應(yīng)跨徑進(jìn)行拆分，單塊橋面可以單獨(dú)選中管理并進(jìn)行材料等屬性的掛接，鋪裝、護(hù)欄、隔離帶、下部結(jié)構(gòu)的樁基、承臺(tái)、橋墩等都可以進(jìn)行構(gòu)件級(jí)管理。無(wú)人機(jī)傾斜攝影生成的其他資產(chǎn)（停車(chē)區(qū)、服務(wù)區(qū)、應(yīng)急基地）的傾斜攝影精度為1 cm，可以精細(xì)化地展現(xiàn)房屋、車(chē)輛等設(shè)施，單體化處理后也可應(yīng)用于養(yǎng)護(hù)管理。

4 結(jié)論

既有道路的數(shù)字化建模是推動(dòng)數(shù)字交通發(fā)展的重要支撐，該文提出的既有道路的多層級(jí)數(shù)字模型建立方法，探索了既有道路三維數(shù)字模型建立的多種方式及其適用性，并將其結(jié)合應(yīng)用，形成了一套完整的既有道路多層級(jí)數(shù)字模型的最佳建立流程。對(duì)該文方法的實(shí)施效率進(jìn)行了總結(jié)分析，具體如下：

（1）從模型應(yīng)用管理上來(lái)看，傾斜攝影模型和LiDAR點(diǎn)云無(wú)法應(yīng)用于道路基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)件級(jí)管理，而使用該文方法建立的模型則可以對(duì)需要管理的設(shè)施做到構(gòu)件級(jí)的應(yīng)用。

（2）從建模費(fèi)用來(lái)看，該文方法低于全線傾斜攝影建模和BIM建模。

（3）從建模效率來(lái)看，該文方法優(yōu)于全線BIM建模及LiDAR點(diǎn)云建模。

（4）從可視化效果來(lái)看，該文方法建立的模型總體上優(yōu)于傾斜攝影模型、點(diǎn)云及BIM模型。

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收稿日期：2024-08-12

作者簡(jiǎn)介：劉鈺斐（1982—），男，碩士，網(wǎng)絡(luò)工程師。研究方向：公路數(shù)字化與信息化。

通訊作者：朱依民（1996—），男，碩士，助理工程師。研究方向：交通數(shù)字化。