BIM融合多源異構數據在復雜環境高速公路設計中的應用

相詩堯，郭長順，張 濤，趙 杰

（山東省交通規劃設計院集團有限公司 全壽命周期BIM技術應用研發中心，山東 濟南 250031）

引言

高速公路設計需要充分考慮路線走向、線形、造價等因素，對于復雜環境中的高速公路設計項目，地形地勢條件、環境控制因素等則是重點的關注對象[1]。與高速公路設計相關的各類基礎數據表現：數據格式不統一，空間坐標基準不一致，數據尺度不相同等特點。實現各類基礎數據融合統一，并與設計方案相結合，對于驗證方案合理性、正確性具有重要的作用。

1 高速公路設計基礎數據種類

高速公路設計基礎數據種類眾多，根據類別可劃分為：基礎地理信息數據[2]、控制因素數據[3]、地質條件數據[4]、外業調查數據[5]等。每一類數據又可進行細分，如基礎地理信息數據可以細分為地形數據、影像數據、傾斜攝影實景三維模型等；控制因素數據則包括自然保護區、生態紅線、輸電線路、油氣管道等；地質條件數據包括鉆孔數據、電法探測數據、超前地質預報數據等；外業調查數據包括路線調查數據、拆遷調查數據等。這些數據中既有三維空間數據，也有二維平面數據，同時還包含多種表格屬性數據。各類數據來源不同，結構不一，實現數據融合、匹配，并與設計方案結合，可優化設計方案。

2 多源異構數據融合方法

為了實現各類多源異構數據融合，提出基礎數據三維化和數據空間坐標統一化的方法。

2.1 基礎數據三維化

對于公路設計而言，需要同時完成平、縱、橫設計，因此，各類多源異構數據應在三維空間中實現數據融合。為此，首先需實現各類數據的三維表現形式，如基礎地理信息數據可由數字高程模型和數字正射影像構建為三維地形模型，并可附加傾斜攝影實景三維模型，表征重要工點的詳細環境信息；控制因素數據應以三維方式展現，如高壓線、輸油管道等要素可應用自身高程屬性，而生態紅線、自然保護區等面狀數據則可應用數字高程模型的高程屬性；外業調查數據通過掛接高精度三維外業調查點的方式賦予三維特性；地質條件數據通過構建三維地質模型的方式賦予三維特性；對于設計方案而言，可通過構建BIM模型的方式，實現對設計圖紙的三維化表現，見圖1。

圖1 多源異構數據種類及三維化表現

2.2 數據空間坐標統一化

由于各類數據采集時，所采用的坐標系統存在差異，要實現在三維空間中多源異構數據融合，需要解決各類數據的空間坐標統一化問題。對于公路的“線狀”特點，有時會存在多個中央子午線的情況，為了實現全路線的數據融合，將三維球面場景作為多源異構數據融合的場景模式，坐標系統采用WGS84經緯度坐標或者CGCS2000經緯度坐標的形式，并首選布爾莎七參數坐標轉換模型，完成不同橢球體數據的坐標轉換工作。

3 應用實例

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區內，內部有化工廠、鐵路、儲油罐、油氣管道等眾多控制因素，現場環境復雜。

3.2 多源異構數據融合應用

為實現多源異構數據的融合，將項目中應用的各類數據轉換為三維空間數據，并對設計方案建立三維BIM模型。各類三維數據采用布爾莎七參數模型，統一轉換至WGS84經緯度坐標系下，實現在三維球面場景中多源異構數據融合。見圖2。包括數字高程模型、數字正射影像、傾斜攝影實景三維模型、輸電線路、輸油管線、設計方案BIM模型等多源異構數據，這些數據的融合應用，可以從方案線形、控制因素、造價等多方面反映設計方案的合理性和經濟性。

圖2 多源異構數據融合應用

在三維球面場景中，各類數據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，采用多源異構數據融合的方式，可以更加準確地實現設計方案的合理性預判。圖4展示了跨鐵橋的設計方案BIM模型與既有鐵路傾斜攝影實景三維模型的疊加情況，較好地驗證了設計方案的合理性和正確性。

4 結語

通過對多源異構數據進行基礎數據三維化和數據空間坐標統一化處理，實現了復雜環境高速公路設計中基礎數據融合，通過該方式，可以準確地將設計方案BIM模型放置到“真實”的項目環境中，綜合驗證設計方案的正確性以及對控制因素處理的合理性。