面向交通基础设施数字化的关键技术探讨

王 强

(中铁长江交通设计集团有限公司，重庆 401121)

引言

改革开放特别是党的十八大以来，我国交通运输发展取得了举世瞩目的成就，正由“交通大国”向“交通强国”迈进，推进交通基础设施的数字化也上升为国家战略。2021年2月24日，中共中央、国务院印发了《国家综合立体交通网规划纲要》，其中进一步明确：提升智慧发展水平，加快提升交通运输科技创新能力，推进交通基础设施数字化、网联化； 加快既有设施智能化，利用新技术赋能交通基础设施发展，加强既有交通基础设施提质升级，提高设施利用效率和服务水平[1]。由此可见，交通基础设施的数字化既是加快建设交通强国，构建现代化高质量国家综合立体交通网的有力支撑，又是智能交通、数字孪生和无人驾驶等诸多领域发展应用的基础条件。然而，目前交通基础设施数字化率并不高，暂无相关国家及行业标准规范对其数字化的范围和深度做出具体规定[2]，缺少对交通基础设施数字化技术方法的系统归纳总结。

本文基于交通行业工作实践，从技术研究和工程应用角度对交通基础设施数字化的常用方法进行研究，探讨了实施交通基础设施数字化的关键技术，并具体介绍其技术路线和特点，旨在为如何将交通基础设施由物理实体转变为数字资产提供借鉴。

1 交通基础设施数字化概述

数字化是信息化和智能化的基础。工程的数字化表达，即对工程对象进行数字解构，利用各种信息技术，基于工程对象的几何数据信息，将工程实体进行虚拟转化，使其完全变成数字可表达的虚拟体[3]。交通基础设施数字化是通过汇集包括地理信息系统(GIS)、建筑信息模型(BIM)和物联网技术(IoT)等在内的多种技术手段，对交通基础设施进行全生命周期、全要素的信息感知，从而实现对交通基础设施中的物理信息、性能信息、状态信息和行为信息的全方位集成处理[4]。利用交通基础设施数字化信息模型作为多源数据和各种信息的载体，把设计、施工、运营和养护信息关联到数字化模型中，这是实现交通基础设施数字化的有效途径。交通基础设施是一个个具体的物理实体，如何将其抽象为数据表征，即由实体化转变为数字化[5]，由物理设施转变为数字化信息模型，这是交通基础设施数字化面对的关键技术问题。

当前在进行交通基础设施数字化时面临两种情况：一是新建交通工程的数字化； 二是既有交通工程的数字化。BIM技术是实现交通基础设施数字化的关键技术，新建工程的数字化可以通过BIM技术高效完成。依据工程设计信息，创建工程BIM模型，同时将工程实体信息关联到BIM模型上，完成新建交通工程的数字化。既有交通工程具有点多、线长、面广、类型复杂、体量大的特点，其数字化手段除了使用BIM技术创建竣工BIM模型，往往采用快速自动化三维重建技术来精确重构交通基础设施数字化模型，主要包括倾斜摄影、三维激光扫描等技术，对沿线基础设施进行信息采集并逆向创建三维数字化模型，从而实现既有交通工程的数字化[5]，交通基础设施数字化的技术体系如图1所示。

图1 交通基础设施数字化的技术体系

2 交通基础设施数字化关键技术

数字化信息模型是交通基础设施数字应用的数据基础和核心，快速、精确地创建数字化信息模型是交通基础设施数字化的关键技术环节。交通基础设施数字化常用的技术方法有BIM技术、倾斜摄影和三维激光扫描。

(1)BIM技术

BIM技术作为数字化工程的载体和技术手段，给交通基础设施的数字化增添了强大的推动力[6]，通过精细的信息模型完成工程项目的数字化。对于新建交通工程，使用Bentley等BIM软件在设计阶段建立交通基础设施的数字化模型，同时根据运维、养护的需求，将数字化模型各构件进行分类编码并且进行属性信息挂接，以满足工程数字化的要求，最终可视化地呈现交通基础设施数字化后的各种数据。对于既有交通工程，依据竣工资料，创建施工图深度的BIM模型，同样将数字化模型各构件进行分类编码并进行属性信息挂接，从而创建符合交通基础设施数字化要求的数字化信息模型。当前各种BIM软件平台的建模效率和建模精度都有了较大发展，通过建立和配置交通工程数字化所需的模板、族库和资源，进行道路、桥梁与隧道等各专业的协同建模，实现参数化、批量化和部分自动化的数字化信息模型的BIM技术创建[7]，基于BIM技术的交通基础设施数字化实现流程如图2所示。

图2 基于BIM技术的数字化流程

(2)倾斜摄影技术

倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，快速获取交通基础设施顶部和侧面的照片图像，通过先进的定位、融合和基于图像的建模技术，生成交通基础设施三维实景模型[8]。倾斜摄影技术是一种自动化程度很高的逆向建模技术，可以快速实现既有交通工程的数字化，倾斜摄影技术创建的交通基础设施实景模型具有丰富的纹理信息和精确的地理位置信息，能够身临其境地随时从各个角度浏览整个交通工程，基于倾斜摄影技术的交通基础设施数字化实现流程如图3所示。首先利用无人机等平台获取多视角照片图像，然后利用实景建模软件如ContextCapture进行图像数据处理生成三维实景模型，再基于Mesh格式的实景模型进行三维模型的单体化，继而对单体化模型进行分类编码和属性挂接等操作，最终生成能够满足各种应用的交通基础设施数字化信息模型。

(3)三维激光扫描技术

图3 基于倾斜摄影技术的数字化流程

图4 基于三维激光扫描技术的数字化流程

三维激光扫描技术是一种集成了多种高新技术的新型测绘技术， 通过高速激光扫描测量的方法，能够大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据和颜色、纹理等相关属性信息，进而可以通过专业软件，利用点云数据建立物体的三维实体模型。利用三维激光扫描设备准确扫描现有交通基础设施，获取现场实际三维点云数据，通过对点云数据的清洗过滤，最终转换为计算机可以直接处理的三维模型。首先利用车载或者机载激光扫描系统对交通设施沿线进行现场实测扫描，然后对获取的点云数据进行检测和预处理，最后将点云数据通过点云导入接口导入到建模软件如MicroStation中进行逆向辅助三维重建[9]，然后再对创建的三维模型进行分类编码和属性挂接操作，为后期应用创建真实可靠的数字化信息模型，基于三维激光扫描技术的交通基础设施数字化实现流程如图4所示。

3 建立数字化信息模型

世界是三维的，交通基础设施数字化成果以三维的数字化信息模型呈现，创建数字化信息模型是交通基础设施数字化的关键技术。新技术不断应用在交通基础设施的数字化上，加快了交通基础设施朝着数字化方向发展的步伐。实践中多用BIM技术、倾斜摄影技术和三维激光扫描技术来创建数字化信息模型，现结合工作实践对这些创建数字化信息模型的常用技术进行比较讨论。

在数字化的工程类型层面，由于面对的交通基础设施分为新建交通工程和既有交通工程，不同的技术有不同的适用性。BIM技术可以用来正向设计建模或者根据图纸尺寸翻模，无论是新建交通工程还是既有交通工程，都可以借助BIM技术来创建满足数字化信息模型交付标准的三维模型。既有交通工程的数字化可以逆向建模，倾斜摄影和三维激光扫描可以快速获取道路沿线基础设施的图像和点云，然后基于图像和点云进行三维重建，最终形成交通基础设施的数字化信息模型。

在数字化的自动化程度层面，BIM技术属于传统人工创建精细模型，对于结构构造复杂的异形工程设施，常规的模板和族库难以完成模型的自动快速创建，必须手动创建模型，人工工作量较大，对建模人员要求较高； 倾斜摄影在外业获取工程现场的多视影像数据后，运用基于图像的自动化三维重建技术进行三维模型的创建，人工干预比较少，建模效率比较高，对建模人员要求不是很高； 三维激光扫描是在对沿线交通基础设施进行三维激光扫描后，对获取的点云数据和全景影像进行逆向建模，点云智能处理的方法尚不成熟，交通工程的三维线形提取和模型重建自动化程度也不高，主要是以人工辅助的半自动建模方式进行三维重建，人工交互工作量比较大，建模人员需要较高数据处理技巧。

在数字化所需资料条件层面，BIM正向设计建模需要的资料包括：本项目设计范围(道路起止点)、本项目控规资料、地形图及断面数据、地勘资料和相交道路施工图资料等； BIM逆向建模需要项目总体平面图、道路中心线、横断面图和纵断面图等设计图纸资料。利用BIM技术创建模型，离不开各种设计图纸资料，BIM建模的精度只能达到和图纸尺寸相同的程度。倾斜摄影和三维激光扫描适合逆向建模，对既有交通工程通过各种先进设备获取其数据(包括照片、点云、控制点资料等)，然后在3D环境中重新生成其数字模型[10]。倾斜摄影和三维激光扫描两种技术本身包含了对既有交通工程各种信息的高效测量获取，因而可以不需要其他的图纸资料。对于设计及施工的时间跨度大、与现场情况匹配的结构图纸资料缺失的交通基础设施数字化，利用BIM技术难以建模，但是倾斜摄影和三维激光扫描的建模不受影响。

在数字化的模型效果层面，BIM和三维激光扫描是人工或半自动化建模，可以在建模过程中顾及后期应用的需要，对交通基础设施进行结构的合理分解，同时为每个构件赋予相关属性信息，得到具有丰富语义信息的精细化单体结构物模型[11]； 倾斜摄影自动化创建的实景模型，以三角面片作为图元，整个模型就是一张贴有纹理的巨大TIN网[12]，并不会把道路、桥梁和隧道等结构物区分出来，也无法选中单个的结构物，需要经过模型单体化并挂接属性信息操作，才能满足后期使用要求。BIM和三维激光扫描建立模型时，需要现场采集纹理照片，在给模型添加材质、纹理时需要较高的工作技巧，受限于纹理采集的条件和使用的材质，三维模型的真实感有时不是很好； 倾斜摄影创建的实景模型，从多个角度获取结构物的影像照片，还可以自动进行纹理映射，因而实景模型更加接近于人眼观察所见。BIM和三维激光扫描建立的模型，严格还原结构物的点、线、面特征； 倾斜摄影创建的实景模型近看会发现大量的变形，比如平整的路面是凹凸不平的，对细部的还原不是很理想。BIM和三维激光扫描建立的模型数据体量相较于倾斜摄影创建的实景模型一般小很多，因而更方便轻量化处理和超大场景的应用。三种技术创建的数字化信息模型效果如图5所示。

(a)BIM模型 (b)倾斜摄影实景模型 (c)三维激光扫描点云数据及其模型图5 三种技术数字化的模型效果

4 结论与展望

快速、高效地创建并更新维护数字化信息模型，是交通基础设施数字化研究的关键和热点。面对新技术、新工艺的快速发展，为了适应交通运输行业提出的新要求，未来可从以下方面入手开展研究工作：

(1)提升建模的效率和效果

将人工智能、大数据、机器学习等先进技术引入到交通基础设施数字化工作中，基于样本库、族库和知识规则，研究基础设施构件的自动建模、自动识别、自动分割与自动语义信息配赋，快速构建支持人机兼容理解、单体化、语义化、实体化、轻量化的数字化信息模型。

(2)多种数字化技术的集成使用

单一的技术手段和数据源有其自身难以克服的不足，多种技术的集成使用可以更好地发挥各自优势，倾斜摄影+BIM、三维激光扫描+BIM、倾斜摄影+三维激光扫描、空地/地上下/室内外数据融合建模为代表的集成技术能够更加自动化创建保真保形的数字化信息模型。

(3)交通基础设施数字化由静态向动态的发展

利用物联网感知和互联网技术，将数字化信息模型与传感器网络融合，使交通基础设施全生命周期内的动、静态信息部署至三维模型空间，最终实现数字孪生。

(4)数字化交通基础设施的拓展应用

数字化后形成的数字化交通基础设施如何释放其巨大应用价值仍存在很多问题亟待解决，一方面是支撑环境系统具备海量数据的实时存储、传输、展示和统一的数字化标准、规范、接口，另一方面是紧密结合用户业务的计算分析能力，通过建模分析和决策控制使数字化交通基础设施在各种应用场景中发挥作用。

要大力发展数字经济，建设交通强国，就必须要做好交通基础设施的数字化。交通基础设施的数字化正处在不断发展完善过程中，通过在工作实践中不断探索和总结，坚持以数据驱动为导向，从解决行业发展痛点出发，构筑精确可靠的数字基础设施，为最终实现交通行业的现代化转型发展打下坚实的基础。