基于BIM的公路三維數(shù)字地形的建立

張易辰 王文虎

摘? ?要：BIM技術(shù)的應(yīng)用在設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)維均有重要作用，是新一代數(shù)字技術(shù)的代表。本文通過對(duì)工程可行性、設(shè)計(jì)階段三維地形的建立使三維地形作為BIM技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)承載著BIM可視化、分析、計(jì)算等工作從而體現(xiàn)出BIM技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)? 三維數(shù)字地形? 公路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TQ174? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（a）-0037-02

近年來隨著國家對(duì)BIM技術(shù)的重視度不斷深入，各項(xiàng)政策隨著BIM在行業(yè)的應(yīng)用也相繼出臺(tái)。2017年發(fā)布的《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于開展公路BIM技術(shù)應(yīng)用示范工程建設(shè)的通知》中明確要求公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營管理全過程開展BIM技術(shù)應(yīng)用示范，或圍繞項(xiàng)目管理階段開展BIM技術(shù)專項(xiàng)示范工作。BIM技術(shù)在公路工程行業(yè)也迎來了大規(guī)模的應(yīng)用潮。基于BIM模型最重要的就是三維地形，三維地形的應(yīng)用能更直觀的表達(dá)模型之間的相互關(guān)系為后續(xù)的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)維等提供支撐條件。

1? 傳統(tǒng)地形圖與三維地形的區(qū)別

公路屬于帶狀工程，路線長度短則數(shù)十米多則數(shù)百公里，傳統(tǒng)的公路設(shè)計(jì)需在二維地形圖進(jìn)行公路選線設(shè)計(jì)。測(cè)繪部門提供的二維地形圖主要以等高線、高程點(diǎn)為主，在平原及沿海等地勢(shì)平坦地區(qū)等高線、高程變化不大，設(shè)計(jì)人員及業(yè)主可以較容易了解地勢(shì)。而在山嶺區(qū)域（山峰、盆地、山脊、溝谷等）等高線分布較密、高差范圍較大，即使是有一定的識(shí)圖經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員也需要細(xì)看多次才可了解地勢(shì)從而設(shè)計(jì);對(duì)無相關(guān)識(shí)圖經(jīng)驗(yàn)的業(yè)主，面對(duì)分布較密的等高線、高程點(diǎn)很難想象到地勢(shì)的高低起伏，不能快速了解項(xiàng)目項(xiàng)目所在地情況，制約了方案的優(yōu)化及創(chuàng)新思維。三維地形的建立就是將排列密集的等高線、高程點(diǎn)等相關(guān)信息通過技術(shù)手段轉(zhuǎn)換為可視化模型，可以直觀反應(yīng)山脊、溝谷的地勢(shì)，使設(shè)計(jì)人員及業(yè)主方項(xiàng)目所在地的情況一目了然，后期通過BIM技術(shù)可對(duì)道路、橋梁、隧道等在三維地形中開展設(shè)計(jì)工作。

2? 設(shè)計(jì)階段三維地形圖的應(yīng)用

2.1 工程可行性階段

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要向國土部門購買1：50000、1：10000二維電子地形圖，測(cè)繪部門地形圖多歷史久遠(yuǎn)不能清晰表現(xiàn)當(dāng)前的地理現(xiàn)狀、構(gòu)筑物等條件，同時(shí)購買地形圖過程較長嚴(yán)重影響了前期規(guī)劃方案的選線工作。而基于Infraworks平臺(tái)創(chuàng)建工可階段三維地形圖，利用Infraworks軟件中自帶模型生成器快速下載項(xiàng)目所在區(qū)域的地形，下載的模型將會(huì)自動(dòng)生成項(xiàng)目區(qū)域的道路、房屋、水域等模型。此外，利用地圖下載軟件分別下載項(xiàng)目區(qū)域的地形文件、衛(wèi)星影像文件，在Infraworks中加載地形文件、衛(wèi)星影像文件從而生成三維地形。

兩種三維地形建立的方法各有利弊，Infraworks模型生成器的優(yōu)點(diǎn)是其可直接在軟件中下載、不用軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、下載的模型自動(dòng)分類、可編輯（道路、建筑、水系等），缺點(diǎn)是下載區(qū)域受限制（200km2）、衛(wèi)星影像、模型更新不及時(shí)、下載速度較慢。而軟件的優(yōu)點(diǎn)是下載速度快、衛(wèi)星影像內(nèi)容更新較快、可按需求下載不同精度地形、衛(wèi)星影像，缺點(diǎn)是所有地物均在平面圖片，無模型、道路信息不可編輯、地形生成需利用Infraworks導(dǎo)入。

2.2 設(shè)計(jì)階段

初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)階段測(cè)繪部門需測(cè)繪1：2000地形圖，提供等高線、高程點(diǎn)、構(gòu)筑物、坐標(biāo)系、高程系、中央子午線等地理信息。路線設(shè)計(jì)需將方案規(guī)劃從小比例尺地形圖轉(zhuǎn)化在大比例尺地形圖中優(yōu)化。

而運(yùn)用三維地形過程中，1：2000地形圖能夠精細(xì)反應(yīng)項(xiàng)目所在地的地理信息，設(shè)計(jì)階段將現(xiàn)有的1：2000地形圖轉(zhuǎn)換為三維地形圖。

（1）在Civil3D軟件中創(chuàng)建曲面，在曲面選項(xiàng)中分別定義1：2000地形圖的等高線、高程點(diǎn)生成地形曲面。

（2）在地圖下載其中下載該區(qū)域的衛(wèi)星影像圖片。

（3）在Global Mapper中糾正下載的衛(wèi)星影像并保存為TIFF格式。

（4）在Civil3D中利用RasterTools插件選取衛(wèi)星影像與測(cè)繪地形圖中的共有點(diǎn)進(jìn)行匹配。

（5）將Civil3D中衛(wèi)星影像與測(cè)繪地形圖的文件轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入Infraworks完成三維地形建立。

（6）由于測(cè)繪單位對(duì)路線走廊帶進(jìn)行地形圖測(cè)繪時(shí)測(cè)量范圍受到局限性，測(cè)繪地形圖范圍較小，影響可視化范圍，此問題可利用地圖下載器下載大范圍地形圖、衛(wèi)星影像，在Civil3D中將下載的地形、衛(wèi)星影像與1：2000測(cè)繪地形圖匹配，裁剪測(cè)繪地形圖區(qū)域，將裁剪后的區(qū)域和測(cè)繪地形圖區(qū)域在Infraworks中進(jìn)行整合。兩處地形疊加區(qū)域可在Infraworks軟件中進(jìn)行優(yōu)化，通過三維地形的建立可進(jìn)行三維選線設(shè)計(jì)，平、縱面的可觀橋梁跨徑布設(shè)，水流分析，交通模擬，視距分析等內(nèi)容。如圖1所示，為三維地形模型圖。

3? 傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)階段公路勘察設(shè)計(jì)仍主要依托外業(yè)測(cè)繪，存在測(cè)繪難度大、成本高、質(zhì)量不佳、效率低等問題。以傾斜攝影技術(shù)為代表的實(shí)景三維建模分析技術(shù)具有自動(dòng)化程度、真實(shí)還原度、空間精確度高等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)與激光雷達(dá)技術(shù)等相比，在成本與耗時(shí)大幅度降低的前提下保證工程測(cè)繪需求，在實(shí)現(xiàn)快速獲取高精度地形資料的基礎(chǔ)上，使計(jì)算機(jī)能自動(dòng)識(shí)別、處理地形資料，未來將更好地推動(dòng)公路勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

工程可行性、設(shè)計(jì)階段通過傾斜攝影技術(shù)建立的實(shí)景三維模型可使設(shè)計(jì)人員方便了解區(qū)域概況，結(jié)合實(shí)景三維模型及相關(guān)影像進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)，征地拆遷、工程量統(tǒng)計(jì)、分析模擬，直觀性和準(zhǔn)確性均可得到大幅提升。如圖2所示，為傾斜攝影實(shí)景模型圖。

4? 結(jié)語

以上方法在工程可行性、設(shè)計(jì)階段可以靈活創(chuàng)建三維地形開展三維道路設(shè)計(jì)，同時(shí)提出傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建實(shí)景三維模型的應(yīng)用。三維地形的建立在BIM正向設(shè)計(jì)應(yīng)用中具有重要作用，是BIM模型建立的基礎(chǔ)與載體，使設(shè)計(jì)人員更直觀地了解項(xiàng)目地形，更方便、快捷、高效的進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。通過三維地形的建立可進(jìn)行三維選線設(shè)計(jì)，平、縱面的可視化，橋梁跨徑布設(shè)，水流分析，交通模擬，視距分析等內(nèi)容。三維可視化可以使設(shè)計(jì)人員、業(yè)主審查人員和其他參與者更易理解設(shè)計(jì)意圖，更易激發(fā)創(chuàng)新思維，提出改進(jìn)方案，最大程度滿足項(xiàng)目需求。

參考文獻(xiàn)

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