BIM融合多源异构数据在复杂环境高速公路设计中的应用

相诗尧，郭长顺，张 涛，赵 杰

（山东省交通规划设计院集团有限公司 全寿命周期BIM技术应用研发中心，山东 济南 250031）

引言

高速公路设计需要充分考虑路线走向、线形、造价等因素，对于复杂环境中的高速公路设计项目，地形地势条件、环境控制因素等则是重点的关注对象[1]。与高速公路设计相关的各类基础数据表现：数据格式不统一，空间坐标基准不一致，数据尺度不相同等特点。实现各类基础数据融合统一，并与设计方案相结合，对于验证方案合理性、正确性具有重要的作用。

1 高速公路设计基础数据种类

高速公路设计基础数据种类众多，根据类别可划分为：基础地理信息数据[2]、控制因素数据[3]、地质条件数据[4]、外业调查数据[5]等。每一类数据又可进行细分，如基础地理信息数据可以细分为地形数据、影像数据、倾斜摄影实景三维模型等；控制因素数据则包括自然保护区、生态红线、输电线路、油气管道等；地质条件数据包括钻孔数据、电法探测数据、超前地质预报数据等；外业调查数据包括路线调查数据、拆迁调查数据等。这些数据中既有三维空间数据，也有二维平面数据，同时还包含多种表格属性数据。各类数据来源不同，结构不一，实现数据融合、匹配，并与设计方案结合，可优化设计方案。

2 多源异构数据融合方法

为了实现各类多源异构数据融合，提出基础数据三维化和数据空间坐标统一化的方法。

2.1 基础数据三维化

对于公路设计而言，需要同时完成平、纵、横设计，因此，各类多源异构数据应在三维空间中实现数据融合。为此，首先需实现各类数据的三维表现形式，如基础地理信息数据可由数字高程模型和数字正射影像构建为三维地形模型，并可附加倾斜摄影实景三维模型，表征重要工点的详细环境信息；控制因素数据应以三维方式展现，如高压线、输油管道等要素可应用自身高程属性，而生态红线、自然保护区等面状数据则可应用数字高程模型的高程属性；外业调查数据通过挂接高精度三维外业调查点的方式赋予三维特性；地质条件数据通过构建三维地质模型的方式赋予三维特性；对于设计方案而言，可通过构建BIM模型的方式，实现对设计图纸的三维化表现，见图1。

图1 多源异构数据种类及三维化表现

2.2 数据空间坐标统一化

由于各类数据采集时，所采用的坐标系统存在差异，要实现在三维空间中多源异构数据融合，需要解决各类数据的空间坐标统一化问题。对于公路的“线状”特点，有时会存在多个中央子午线的情况，为了实现全路线的数据融合，将三维球面场景作为多源异构数据融合的场景模式，坐标系统采用WGS84经纬度坐标或者CGCS2000经纬度坐标的形式，并首选布尔莎七参数坐标转换模型，完成不同椭球体数据的坐标转换工作。

3 应用实例

3.1 项目概况

以山东省某高速公路改扩建项目为例，项目有部分段落位于工业区内，内部有化工厂、铁路、储油罐、油气管道等众多控制因素，现场环境复杂。

3.2 多源异构数据融合应用

为实现多源异构数据的融合，将项目中应用的各类数据转换为三维空间数据，并对设计方案建立三维BIM模型。各类三维数据采用布尔莎七参数模型，统一转换至WGS84经纬度坐标系下，实现在三维球面场景中多源异构数据融合。见图2。包括数字高程模型、数字正射影像、倾斜摄影实景三维模型、输电线路、输油管线、设计方案BIM模型等多源异构数据，这些数据的融合应用，可以从方案线形、控制因素、造价等多方面反映设计方案的合理性和经济性。

图2 多源异构数据融合应用

在三维球面场景中，各类数据均具有了精确的三维空间坐标信息，进而可以准确计算出BIM模型距离各个控制因素的距离，以及占地、拆迁等情况。见图3，可准确计算出互通匝道与输油管道之间的最短距离，进而可查看设计方案对项目中的控制因素处理是否合理。

图3 三维空间量算

针对项目中的“涉铁”“涉路”方案，采用多源异构数据融合的方式，可以更加准确地实现设计方案的合理性预判。图4展示了跨铁桥的设计方案BIM模型与既有铁路倾斜摄影实景三维模型的叠加情况，较好地验证了设计方案的合理性和正确性。

4 结语

通过对多源异构数据进行基础数据三维化和数据空间坐标统一化处理，实现了复杂环境高速公路设计中基础数据融合，通过该方式，可以准确地将设计方案BIM模型放置到“真实”的项目环境中，综合验证设计方案的正确性以及对控制因素处理的合理性。