地理信息大數據在輔助公路選線中的應用研究

羅睿

摘要：公路選線在廣泛收集與路線方案有關的規劃、統計、地形、地質、氣象等資料的基礎上深入調查，運用遙感、航測、衛星定位、數字技術等前沿技術，可以大幅提升勘察設計工作的廣度、深度和質量，取得良好技術經濟效益。本文闡述了由航空測量、遙感技術、GPS定位、數字地面模型、公路選線組成的地理信息大數據技術架構，以昆倘高速為例進行了應用分析，為進一步通過大數據促進公路信息化技術和應用的發展提供探索。

Abstract： Highway route selection is based on extensive collection of planning， statistics， terrain， geology， meteorology and other data related to the route plan， and the use of cutting-edge technologies such as remote sensing， aerial survey， satellite positioning， and digital technology can greatly increase the breadth of survey and design work， depth and quality， and achieve good technical and economic benefits. This paper expounds the geographic information big data technology architecture composed of aerial surveying， remote sensing technology， GPS positioning， digital ground model， and highway route selection. The Kuntang Expressway is used as an example for application analysis to further promote highway information technology through big data and provide exploration for application development.

關鍵詞：地理信息大數據;公路選線;GIS;BIM

Key words： Geographic Information Big Data;highway route selection;GIS;BIM

中圖分類號：TP18 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0203-03

0 ?引言

在過去，設計師常說設計是一門遺憾的藝術，最好的作品永遠在下一個。而在萬物皆有聯的大數據時代，運用航空測量、遙感技術、GPS定位、數字地面模型、公路選線組成的地理信息大數據技術架構，可以快速、準確、客觀的展示公路選線與周邊環境發生的規律變化，在很大程度上提高了設計的科學性和合理性，降低工程建設對生態與環境的影響[1]。

傳統公路選線采用紙上定線或現場定線的方法，基于CAD的設計模式一定程度上減小了數據處理的工作量。但在CAD模式之下，即便是有經驗的設計人員對于施工現場的地形地貌以及建筑物的外觀都難以全面認知和感知，尤其是復雜項目和大長線工程，更是要求設計人員反復出入場地進行勘測與收集數據才能制定方案，二維設計缺乏必要的直觀性與信息交流阻礙多等缺點，難免在設計中產生錯漏碰缺等問題。而這些工作正日益廣泛地由航空測量、遙感技術、GPS定位、數字地面模型結合計算機輔助設計技術來完成[2]。

1 ?地理信息大數據輔助公路選線方法研究

1.1 政策背景

落實總書記綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源和保護環境的基本國策。實現科學、合理、經濟、生態、高效的公路路線選擇需要高新技術的支撐。“少破壞、大保護”的設計理念對保護城市的珍貴的自然地貌環境具有重要意義。傳統的設計模式和方法難以滿足全新理念的設計需求。

目前BIM技術在建筑領域得到了廣泛的應用，但在公路工程領域還處于起步階段，開發研究和應用前景廣闊。交通運輸部于2017年9月發布了《關于開展公路BIM技術應用示范工程建設的的通知》，通知中明確提出了要提高公路的設計水平，鼓勵設計人員采用BIM正向設計方法，以三維形式表達設計成果[3]。在初步設計階段應用BIM和GIS技術進行方案的比選論證，提升方案的落地性、科學性、經濟性。在BIM技術中融合GIS等地理信息大數據可進一步提升公路設計的信息化、現代化水平，有效發揮現代信息技術在工程管理中的作用[4]。

1.2 基本理論與方法

公路工程是典型的長距離線性工程，與自然環境、地質條件的基礎數據關系密切。BIM技術主要應用于單個工程的設計、管理，主要的特點是單體精細化模型，目前傳統的BIM設計對公路周邊宏觀的地理環境的影響考慮不足[5]。基于GIS和BIM的地理信息大數據輔助公路選線技術主要包括基礎環境模型（三維地形模型、實景三維模型）和工程模型的兩個部分[5]。

2 ?工程案例——昆倘高速立交節點方案優化研究

2.1 項目概況

昆倘高速是昆明北部片區和滇中城市圈的北部聯絡線，起于西三環普吉互通，向北沿轎子雪山旅游專線東側布線，與西北繞城高速公路交叉，終點在東村鎮西北部大團田附近接武倘尋高速公路東村樞紐互通。項目主線全長49.752km，等級為高速公路，其中小普吉樞紐至河外主線收費站段（起點-K2+800）采用雙向六車道標準建設，設計速度為80km/h，整體式路基寬度33.0m，分離式路基寬度2×16.5m。

2.2 三維地形模型與實景三維模型建立

本次研究范圍總體呈現北高南低的特點，現狀高程位于1930～2040m間，線路位于山間槽谷地帶。GIS的建立由以下兩部分組成：

2.2.1 三維地形模型

數字地形三維模型制作包含：①航飛（利用傾斜攝影成果）;②相控點測量;③航片數字高程模型制作（DEM）;④航片數字正射影像圖（DOM）;⑤數字地形三維模型集成。本項目共完成了24個航飛架次，獲取了67067張真彩色影像，布設測量了143個像控點和108個檢查點，制作了覆蓋項目范圍約9.22平方公里地形三維模型和實景三維模型。

2.2.2 實景三維模型

實景三維模型制作內容主要包含：①傾斜攝影;②相控點測量（利用數字地形三維相控點測量成果）;③實景三維模型制作與優化。對昆倘高速起點段（普吉-桃園段）周邊區域開展現場踏勘、空域申請、外業航空攝影、野外像控點測量、航空遙感影像處理、三維模型制作等工作。

2.3 原方案分析

2.3.1 大普吉改建立交

如圖1所示，與三環快速一并建成，但立交功能不全，缺少三環崗頭山-小屯立交和小屯立交-三環海源寺兩個方向的左轉功能。工程計劃需廢除1條匝道，新建3條匝道。改建后構成完整十字樞紐，交通流向明確，通行效率高。

2.3.2 小普吉新建立交

如圖2所示，原方案采用T型互通式立交，立交選型較為合理。經三維模擬，普吉新建立交A、B匝道規模較大，占地較多，存在優化空間;A匝道東側挖方較大，對環境影響較大。建議優化平面線形，壓縮A、B匝道規模，減少立交占地。

2.3.3 河外樞紐立交

如圖3所示，河外樞紐互通設置昆明西北繞城高速公路交叉處，主要功能是本項目與西北繞城高速公路的交通轉換。原方案采用雙喇叭互通式立交，立交選型較為合理。對立交平縱線形指標進行技術分析后，E匝道與昆倘高速主線喇叭互通立交H、I、G、F匝道有效避開了昆明精神病院、春湖別墅區、加油站，該喇叭平縱合理。

E匝道與繞城高速喇叭互通立交占地面積較大，橋梁結構物體量較大（A、B、C、D、E匝道均布有大量橋梁），結合自然地形和現狀繞城高速（利用現狀橋跨和縱坡），本著節約用地的原則，可對立交匝道平縱指標進行優化，可將原喇叭互通立交優化為T型立交，減少橋梁構筑物體量，節約立交用地。

2.4 優化理念

2.4.1 集約設計理念

集約設計可以很大程度上規范和控制高速公路建設用地規模、提高用地效率，是實現高速公路集約用地的有效途徑。應進行多方案的比選和優化設計，在設計過程中將技術與用地有機結合起來。

本次方案優化切實落實集約設計理念，充分分析現狀條件，運用3D+技術對方案進行優化調整，盡量減少征地拆遷和占地，力求達到集約用地的目標。

2.4.2 生態設計理念

黨的十九大報告指出，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源和保護環境的基本國策。在工程建設中應加強對現狀山體、水系的保護，避免大填大挖，嚴格遵循生態保護紅線。本次優化方案采用生態設計理念，建立高精度三維地形模型，避免大填大挖，保護區域內現狀水系和山體。

2.4.3 尊重現狀，適應現狀設計理念

本項目位于昆明市郊區，研究范圍內有普吉、桃園兩個人口聚集區，現狀有北三環城市快速路、轎子雪山旅游專線公路、昆明繞城高速等現狀道路，項目范圍內周邊廠房、住宅密集，還有昆明市精神病醫院、春湖國際別墅區、寺廟等控制因素。

2.4.4 適用經濟理念

通過三維模擬分析和漸進式調整優化，達到降低工程規模、減少土石方工程量、減少對大填大挖、節約工程投資的目的。

2.5 優化設計

2.5.1 小普吉新建立交

如圖4所示，對小普吉新建立交A、B匝道平面進行優化，使布局更加緊湊，節約用地，減少工程規模;對普吉新建互通立交A、C匝道縱斷面設計進行優化，減少挖方。A匝道減少長度約19m，B匝道減少長度約26m。

2.5.2 河外樞紐立交

如圖5所示，將轎子雪山旅游專線往東側（高速側）偏移，優化轎子雪山旅游專線、H匝道縱坡，減少土石方開挖量21萬方，減少E匝道橋梁長度30m（18m寬）。優化A匝道、B匝道、C匝道、D匝道，將喇叭型立交調整為T型立交，節約立交用地，減少橋梁構筑物。

2.6 結果分析與評價

本次方案優化切實落實集約設計理念，充分分析現狀條件，運用3D+技術對方案進行優化調整，盡量減少征地拆遷和占地，力求達到集約用地的目標。在尊重自然地形地貌基礎上，實現了道路與地形的整體協調和優化，最大程度保護了現狀山體。

經過本次優化，兩個節點立交共計減少土石方約21萬方。通過整體優化設計，避免大面積開挖山體，保護生態環境。優化后技術指標基本與原方案一致。減少占地約57畝，減少拆遷面積約3萬m2。縮減工程規模，減少土石方量，優化橋梁長度，節約工程建安投資5865萬元，經濟效益明顯。

3 ?結語

隨著公路工程BIM技術的推廣，在BIM技術中融合GIS等地理信息大數據可進一步提升公路設計的信息化、現代化水平，開展地理信息大數據技術在公路選線階段應用研究具有重要意義，有效提高設計成果的落地性、經濟性。本文分析了地理信息大數據輔助公路選線方法研究的政策背景和基本理論方法。本文以昆倘高速公路為例，基于三維實景模型建立原設計方案的BIM模型，并對立交方案進行分析和優化設計。小普吉新建立交和河外樞紐立交經優化，有效提高方案的合理性，達到了降低土石方、保護現狀山體、優化工程規模、節約工程投資的目標。

參考文獻：

[1]陳光，薛梅，劉金榜，等.一種市政道路BIM設計模型與三維GIS數據集成方法[J].地理信息世界，2018，25（3）：82-90.

[2]何興富，謝征海.基于地理設計的三維道路設計系統研究與實現[J].地理信息世界，2013，20（6）：72-76.

[3]王風春，王月忠，李鏘，等.高速公路BIM技術應用與價值初探[J].中國交通信息化，2019，06（03）：28-29.

[4]王文虎，張易辰.公路設計BIM正向設計理念探討[J].工程技術研究，2019，05：190-191.

[5]陳中治，望開潘.公路工程BIM應用的思考[J].中國公路，2017，23：20-21.

[6]張建平，余芳強，趙文忠，等.BIM技術在邢汾高速公路工程建設中的研究與應用[J].施工技術，2014（18）：92-96.