基于沙漠公路建設的多源數據采集及模型構建

楊 丁 丁新建 張易辰 黃單豐

（1.寧夏公路勘察設計院有限責任公司,寧夏 銀川 750001；2.寧夏公路管理中心,寧夏 銀川 750001；3.寧夏大學,寧夏 銀川 750001；4.寧夏公路數字信息化工程技術研究中心,寧夏 銀川 750001）

高速公路是指可供汽車高速行駛、具有分隔帶、多車道、出入口受控制、立體交叉的專用公路。其建設與發展，對促進社會生產、運輸合理化、沿線資源開發、社會商品流通和加強國防現代化具有重要意義，是社會經濟高速發展的必然產物。烏海—瑪沁高速公路（簡稱“烏瑪高速”）青銅峽至中衛段，有一段18 km的公路位于騰格里沙漠腹地，由于氣候惡劣且缺乏沙漠路段相關基礎資料，快速搭建一個沙漠三維數字場景，供前期分析以及優化設計方案顯得尤為重要。

沙漠公路數字信息化建設應從全壽命周期的角度出發，依靠無人機航測、激光雷達掃描、自動采集氣象站等，收集沙漠地理環境資料、氣象資料、影像資料等數據，建立全方位、多層次的沙漠地理信息數據庫。單一的數據源容易造成信息傳遞的失真，因此需要從不同的渠道采集多種信息數據來相互補充和印證數據來源的可靠性。基于數字地面采集技術和航空攝影技術，通過搭載各類型相機，進行不同角度的高速公路廊道影像采集，可實現對地物信息的精確反映。利用先進的定位技術，將地理信息精準地嵌入三維地形中，可實現在虛擬場景中還原真實的沙漠環境[1]。利用自動采集氣象站可以連續觀測記錄沙漠范圍內的氣象狀況及變化過程，為沙漠道路氣候分析、風沙預警、出行服務提供重要的基礎數據。

1 沙漠公路常見環境要素及數據格式

沙漠地區天氣復雜多變，給實地勘測帶來了一定的難度。基于多源數據采集來構建沙漠實景數字環境，涵蓋了野外勘測所需要的基礎數據資料，使得設計者能從更加宏觀的角度來優化沙漠公路建設方案。受風力影響，沙漠中的地形起伏變化較大，常規的測量手段只能反映某一時段的地形，所以在數據的采集和分析上應將靜態數據與動態數據相結合。靜態數據主要來自某一時間點的數據，如航拍影像資料、地形圖等；動態數據主要來自感知設備進行實時監測所得到的數據，如氣象觀測數據、監控錄像等。

記錄天氣狀況的時態數據，記錄道路特征的地理信息數據，記錄模型空間位置的坐標數據，還有一些格式轉換的交互數據……這些數據共同構成了內容豐富的沙漠公路數字化場景，如表1所示。

表1 道路及環境要素

單一的數據難以滿足搭建沙漠三維場景的需要，因此在制作三維場景的過程中需要借助多種數據進行交互操作，共同構筑完整的沙漠三維場景。當前記錄或收集的數據有多種類型，每種格式的特性和轉換不盡相同，常用的幾種數據格式如表2所示。

表2 沙漠公路常見數據格式

2 多源數據的分類及數據融合分級

多源數據融合技術是將同一目標或場景下的多種采集源獲取的數據，按照選定的算法規則融合處理，得到更為精確、完整、有效的信息，用以合成包含新的時空特點及光譜特征的影像，以實現對目標或場景的綜合描述。多源數據融合技術的優勢：數據來源的完整性和可靠性高、目標檢測和識別的準確性高、變化檢測和信息更新能力高。信息融合技術有利于集成、整合海量數據，建立時空地理模型，提高數據的置信程度和使用效率[2-5]。

2.1 多源數據分類

2.1.1 傾斜攝影數據

傾斜攝影構建的沙漠場景具有定位準確、紋理清晰的特點，可直接從模型上獲取自己所需的數據。但這種方法其自身也存在問題：一是自身數據體量較大，如何流暢地加載和快速顯示是一大難題；二是傾斜攝影所構建的模型是一個不規則的三角網格面片結構，模型場景基本是一體化呈現，難以滿足多尺度研究的需求，在涉及道路模型及橋梁建筑的表達上，難以精細反映其模型內部構造。

2.1.2 矢量數據

公路的二維數據主要為矢量數據，多以單線元或者組合線元表示，簡單地記錄了平面長度、坐標等數據，但缺少高程數據。基于以上問題，采用將二維矢量數據與三維柵格數據融合的方式，來賦予矢量數據高程信息，但這樣的融合只是將兩種類型的數據進行空間的疊加，其反映的內容也比較單一，難以滿足真實三維場景展示需要。

2.1.3 BIM模型數據

BIM即建筑信息模型（building information model），通過構建道路BIM模型可以完善公路的三維信息模型建設。其主要包含道路的幾何信息，也可利用其他技術手段在模型上添加一些非幾何信息，如項目的進度、成本等。此類數據主要為后期的模型應用提供基礎保障，但缺少周圍環境的展示，如做水文分析、風沙掩埋分析時，則缺少外部環境因素及地物信息，還需要與其他數據融合才能豐富其應用場景。

2.1.4 DEM地形數據

在空間地形表達上，DEM是一種常見的數據格式，本次可以利用無人機獲取研究區域數據，通過航測軟件生成高密度點云文件，然后經過數據轉換生成高精度DEM數據。DEM數據反映了地面高程信息，通過將此數據與模型數據融合，可進行坡度、坡向、水文、可視域等內容分析，還可輔助前期路線設計。

2.2 多源數據融合分級

按照現有的模式可將數據融合分為三個層級（見圖1）：

圖1 數據融合分層體系

第一級是數據源，主要包括地理信息數據、影像數據、道路模型數據、氣象數據等，包含各類數據的獲取。

第二級是融合層，主要為三個方面的內容：一是基礎數據融合，主要解決的是數據的幾何配準問題，使所有數據統一在一個坐標系下，提高數據的準確性；二是多源數據融合，利用多種類型的數據構建一個全面的三維場景，從而解決多源數據分散、信息傳遞缺失等問題；三是智能化融合，是一種高層級的融合，基于各類傳感器數據的導入，依據多層視圖處理分析結果，主動提取圖像特征（如沙脊線的變化、積沙路段掩埋情況以及沙漠風速變化等信息），實現主動預警。其中，智能化融合層主要在沙漠行車預警中進行研究分析，此處不做詳細論述。

第三級是輸出源，主要為數據重構后形成的數據源，包含應用數據和查詢數據，通過接口傳遞，輸出所需要的數據類型。

2.2.1 基礎數據融合

基礎數據融合主要解決的是幾何糾正、數據配準、數據關聯等問題，將所有數據統一在一個坐標系下，將同名點匹配在一起后就可以實現后期的查詢、分析等功能。根據數據的來源，基礎數據融合可分為四類：（1）遙感影像與地形數據的融合（見圖2）；（2）遙感影像與矢量圖像的融合（見圖3）；（3）遙感影像與傾斜模型的融合（見圖4）；（4）遙感影像與BIM模型的融合（見圖5）。其主要原理是依據各類數據空間分布的關系，將其疊合在一起，實現不同數據源的優勢互補，形成完整的三維環境。

圖2 遙感影像與地形數據的融合圖

圖3 遙感影像與矢量圖像的融合圖

圖4 遙感影像與傾斜模型的融合圖

圖5 遙感影像與BIM模型的融合圖

2.2.2 多源數據融合

公路三維實景數據的融合涉及的數據種類多、體量大，此外還要解決如何批量快速地嵌入高精度模型等問題。為了解決上述問題，首先是要消除多種數據源由于分級、分類所帶來的差異性，由于不同數據格式不盡相同，需采用一定的中間格式轉換來完成數據融合；其次是利用GIS平臺進行各類數據的加載，應用三維緩存技術進行數據融合，利用圖割法將圖像保存在相應的文件夾中，同時配套建立空間索引文件，構建多尺度三維場景；最后是要統一編碼表示方法，通過語義解析與映射，利用坐標投影轉換關系，將模型數據與場景融合，并通過模型紋理重建，實現BIM模型多層次的應用展示。

2.2.3 智能化融合

智能化融合首先對各類傳感器數據進行處理，完成數據校準，然后進行相關數據的篩選，通過與多層視圖的聯合分析，實現主動預警。由于信息化技術的更新迭代速度快，單一的數據源已不能滿足人們構建三維場景的需要，多學科的交叉滲透發展將是未來數字化和信息化發展的方向，其涉及的基本理論和方法也較多，如計算機圖形學、統計學、人工神經網絡、模式識別、分形理論等。

3 模型構建

沙漠公路模型具有點多、面廣、數據量大的特點，構建數字化模型則需要底層數據的支持，包括傾斜攝影、地形數據、BIM模型等。本研究利用無人機傾斜攝影技術、激光雷達掃描對沙漠地形地貌進行拍攝，生成高密度點云文件，快速建立沙漠路段地形模型；根據現場勘察情況以及設計圖紙資料，將公路進行部件分解建模，完成各部分模型繪制后，按照其邏輯關系進行組合，建立精度滿足需求的道路BIM模型。

3.1 地形模型

由于受區域范圍禁飛區影響，構建的地形模型并不完整，經過對SRTM數據、ASTER數據源對比分析，ASTER數據分辨率優于SRTM數據，本次采用ASTER數據進行地形數據補充，選取ASTGTM_N37E104-ASTGTM_N37E105范圍內數據導入Global Mapper，對下載區域進行投影變化，生成等高線裁剪后輸出，將生成的DWG地形文件導入三維道路設計軟件內創建地形曲面，檢查曲面是否存在異常點并剔除錯誤點數據。DEM數據影像如圖6所示。

圖6 DEM數據影像圖

3.2 道路模型

3.2.1 平面線位生成

由于本研究已有路線參數文件，利用已有路線參數建模恢復道路BIM模型，還原建成后場景。常見的道路平面設計主要有兩種：一種是“交點法”，首先確定交點，然后通過調整平曲線參數來生成需要的路線文件；另一種是“單元模式法”，將平面拆解成一個個線元，通過反算進行組合生成路線。本研究以“單元模式法”為主，可快速生成道路平面線位，如圖7所示。

圖7 單元模式法生成道路中線

3.2.2 縱斷面生成

不同于以往的二維縱斷面拉坡，三維地形的生成可以使設計者提前預覽地形，主動避讓一些高大沙丘，實現平縱聯動設計，當產生一些坡度、豎曲線長度不符合規范的區域，則會直接標注顯示，提醒設計人員修改此處設計參數，如圖8所示。

圖8 平縱聯動設計圖

3.2.3 道路模型生成

設計完成道路平縱面后，就可進行道路的橫斷面設計。橫斷面設計主要采用裝配式設計，此種方式的改變可以使設計人員根據實地情況更加靈活地進行道路設計，實現設計過程動態化把控。例如，可以進行分離式路基的設計或者一些特殊路段的設計，優化路基填挖高度，對橋梁凈空進行可視化驗證，以驗證設計參數選取的合理性。

BIM技術的引入為構建沙漠公路模型提供了支撐，為后續工作提供基礎保障，并在后續運營中繼續發揮作用。BIM的可視化功能可直接用于方案的確定及后續的溝通工作中，其高效協同化特點，能夠最大限度地杜絕以往設計中所產生的各種錯誤，有效提高設計質量。由于BIM模型具有良好的信息傳遞性，不同于以往的平面圖紙，模型上具有更加豐富的信息，能夠更好地把控其細節設計，如圖9所示。

圖9 沙漠道路BIM模型

3.3 BIM技術在各階段的應用

公路工程是一個系統性工程，其主要參與方包括建設單位、設計單位、施工單位、材料設備供應商、養護單位等。以BIM模型為載體，可以更好地滿足各方的工作需求，實現信息共享，協同工作，降低成本。

3.3.1 設計階段

BIM技術具有可視化、模擬性、協調性等特點，可以提高設計效率和質量，提高設計人員的分析能力。在設計階段就利用BIM模型進行關鍵技術的施工模擬，提前驗證施工可行性，及時彌補設計缺陷，優化設計方案，可避免在施工階段產生較大損失。同時，施工動畫也可以作為后續施工過程的技術交底，改變以往圖紙交底形式，更清楚地表達施工流程[6]。利用數字化地形可以分析沙漠地區地勢走向，快速避讓高大沙丘，利用坡度分析模擬，可以快速選擇、比選路線走廊帶。由于沙漠地區受風力影響明顯，利用沙漠數字化地形與BIM模型的疊加分析，可以了解沙丘移動方向，掌握其變化規律。此外，還可借助模型，對道路的空間位置、幾何線性、橫斷面布置、空間占位以及道路規模等進行展示，以評價平面線位、縱坡、橫斷面組合的合理性。

3.3.2 施工階段

利用BIM技術可以進行施工虛擬仿真模擬，尤其對一些地下管線施工復雜的項目（如中衛下河沿黃河公路大橋）[7]，可通過模擬得到最佳施工方案，提前做好規劃，從而達到降低風險、減少施工浪費的目的。BIM情景下的進度管理組織有兩類：一類是可視化進度計劃編制組織，另一類是使用進度信息的項目主要參建方[8]。BIM在施工建造過程中可以為各參與方提供施工計劃和進度相關數據，結合模型的可視化優勢，可以更加直觀地展示工程進度并查詢節點數據，便于基于實時變化的數據信息做出科學決策。

3.3.3 運維階段

運維是公路生命周期中歷時最長的一個階段，利用BIM模型進行科學運維，全面提高道路養護質量，結合物聯網技術可以實現數據傳遞，進而實現整條公路的動態監測。例如，通過BIM系統，可以對風沙進行預警，制定各種預警方案；利用BIM模型進行日常管理，將運營、管理、養護、維修統一記錄在BIM模型中，為今后的道路養護提供科學依據。

4 三維場景與BIM模型的融合應用

在烏瑪高速試驗段處布置鋼筋混凝土箱涵，利用GIS平臺融合矢量數據與模型數據后，能夠直觀顯示涵洞的布設位置與設計相一致性。根據設計文件中箱涵的平縱橫斷面圖，可以查詢出涵洞的長度、跨徑、凈高和中心線位置等設計指標值。通過GIS平臺的測量功能，可以直接測出融合后的數據所反映的涵洞真實數值。如圖10、圖11、圖12所示，測出涵洞施工后的實際長度為48.90 m，凈高為4.99 m，跨徑平均為8.00 m，軸線偏移平均為14 mm。經實測值與設計值對比得出，涵洞長度、跨徑、凈高和中線偏移值均在允許偏差范圍內，滿足設計施工符合性評價體系中對涵洞工程各評價指標的規定。

圖10 涵洞模型與實景融合圖

圖11 三維數據量測圖

圖12 二維數據軸線偏移圖

如表3所示，與傳統設計施工符合性評價法相比，基于傾斜攝影模型的公路外觀尺寸檢測評價法有助于提高工作效率，降低工程建設成本。

表3 項目檢測成本對比分析表

5 結語

本文針對烏瑪高速公路青銅峽至中衛段，研究利用數字化技術手段進行多源異構數據采集，構建沙漠公路BIM模型，并對多源數據進行分級融合，實現了在GIS平臺下的多源數據的集成化操作。以公路BIM模型為載體，對模型的構建及應用進行研究分析，拓寬BIM技術在交通建設行業應用的廣度和深度，實現基于場景模型融合的設計施工外觀符合性評價，驗證了所建立模型的有效性和實用性，對于加快沙漠地區公路建設，積累沙漠地區公路建設中的數字化應用經驗，優化工程設計方案具有重要意義。

本研究主要從數據采集及融合等應用層面入手，下一階段還需深入研究以有效解決以下幾個方面的問題：（1）由于時間和空間變化所造成的數據信息上的差異性；（2）不同應用場景下多種數據融合過程中所產生的語義結構上的差異；（3）不同分級模式下所顯示的模型要素屬性上的差異以及多次數據融合過程中所產生的空間幾何位置差異。