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摘 要： 摘 要：基于無人機(jī)、GIS和 BIM 技術(shù)，利用傾斜攝影與激光雷達(dá)形成 GIS數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)調(diào)繪數(shù)據(jù)、工 程鉆 探數(shù)據(jù)等成果，快速建立地表真三維 GIS、地質(zhì)體模型與道路模型的信息融合體。采用自主研發(fā)的智繪 地質(zhì) 建 模軟件，快速建立包含海量信息的地理地質(zhì)模型;通過智繪路
摘 要：基于無人機(jī)、GIS和 BIM 技術(shù)，利用傾斜攝影與激光雷達(dá)形成 GIS數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)調(diào)繪數(shù)據(jù)、工 程鉆 探數(shù)據(jù)等成果，快速建立地表真三維 GIS、地質(zhì)體模型與道路模型的信息融合體。采用自主研發(fā)的“智繪 地質(zhì) 建 模”軟件，快速建立包含海量信息的地理地質(zhì)模型;通過“智繪路基設(shè)計(jì)”軟件將成果應(yīng)用于道路輔助設(shè)計(jì)和 BIM 建模 工作中，為工程設(shè)計(jì)提供更為完整的地形、地物、地質(zhì)模型信息;為路基支擋與防護(hù)、橋梁樁基礎(chǔ)等工程設(shè)計(jì)提供更為有效的手段。
關(guān)鍵詞：道路設(shè)計(jì);傾斜攝影;激光點(diǎn)云;BIM
近年來隨著無人機(jī)、GIS和 BIM 技術(shù)的快速發(fā)展和普及，為道路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)提供了更多新技術(shù)手段[1]。如：傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于道路周邊 環(huán) 境 三維場(chǎng)景模型的建立[2];激光點(diǎn)云技術(shù)能夠采集高精度測(cè)量數(shù)據(jù);BIM+GIS技術(shù)支持道路設(shè) 計(jì) 在 可 視化、協(xié)調(diào)性、智能繪制設(shè)計(jì)圖紙及自動(dòng)計(jì)算工程數(shù)量等方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[3-5]。
然而，上述學(xué)科是在各自獨(dú)立的領(lǐng)域內(nèi)所構(gòu)建和發(fā)展，不同領(lǐng)域之間在數(shù)據(jù)獲取方法和應(yīng)用目的等方面存在著較大差異，與道路工程設(shè)計(jì)的具體特點(diǎn)匹配性不 佳，還 存 在 信 息 融 合、數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、信息模型建立和設(shè)計(jì)應(yīng)用等問題，亟待解決。
1 傾斜攝影與激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)融合
傾斜攝影技術(shù)是國際測(cè)繪領(lǐng)域于近年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載一個(gè)垂直、多個(gè)傾斜攝影設(shè)備，從不同角度采集影像，能夠自動(dòng)建立環(huán)境場(chǎng)景的三維模型，真實(shí)感強(qiáng)。但是，由于傾斜影像的局部幾何變形大、網(wǎng) 平差控制點(diǎn)稀疏、地表附著物形狀突變區(qū)域存在視野盲區(qū)等問題，使得傾斜影像成果精度難以直接應(yīng)用于道路工程設(shè)計(jì)。激光點(diǎn)云與無人機(jī)攝影測(cè)量融合技術(shù)的研究，旨在解決數(shù)據(jù)融合過程中點(diǎn)云濾波參數(shù)簡(jiǎn)化、高精度多元特征提取、激光點(diǎn)云與無人機(jī)傾斜影像的穩(wěn)健配準(zhǔn)與融合等主要技術(shù)問題，提升模型坐標(biāo)精度與圖像質(zhì)量，形成了一套完整、高效、實(shí)用的多源數(shù)據(jù)融合處理流程，見圖1。
1.1 基于多尺度柱狀鄰域的IPTD點(diǎn)云濾波算法
目前大部分點(diǎn)云濾波算法需要調(diào)節(jié)多個(gè)參數(shù)以適應(yīng)不同場(chǎng)景的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)用戶的操作經(jīng)驗(yàn)有一定要 求。研究提出一種基于多尺度柱狀鄰域的IPTD 濾 波 算法，對(duì) 于 三 維 激 光 點(diǎn) 云 與 無 人 機(jī) 傾 斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先利用基于密度的粗差點(diǎn)檢測(cè)算法識(shí)別與剔除粗差點(diǎn)，然后通過線性減小的柱狀鄰域漸進(jìn)搜索并加密地面種子點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)的分離。
1.2 典型地表附著物多元結(jié)構(gòu)特征提取
具有典型特征的地表附著物(如樓房、橋梁、獨(dú)立山體等)具 有 豐 富 明 顯 的 點(diǎn)、線、面 等 結(jié) 構(gòu) 特 征。然而，由于點(diǎn)云是離散不規(guī)則的采樣數(shù)據(jù)，使得這些特征的精度往往受點(diǎn)間距、點(diǎn)云粗糙度等影響。為解決上述問題，研究提出一種顧及權(quán)重和典型特征地表附著物主方向的骨架線提取方法，從而改善點(diǎn)云粗糙度對(duì)輪廓線提取的影響;再對(duì)骨架線利用改進(jìn)的 Douglas_Peucker算法分別提取無人機(jī)與激光點(diǎn)云特征點(diǎn)，為模型配準(zhǔn)提供高精度的特征點(diǎn)。
通過國際攝影測(cè)量與遙感學(xué)會(huì)公開的數(shù)據(jù)對(duì)所采用算法的性能進(jìn)行定量評(píng)估，結(jié)果表明：該算法相比較流行的分類強(qiáng)制正交算法，最大偏差平均減小了43.1%，均方根誤差 平 均 降 低 了39.7%，建 筑 物占地面積相對(duì)誤差平均降低了7.02%，點(diǎn)云貢獻(xiàn)率平均提高了9.32%。
1.3 基于不確定度激光點(diǎn)云與無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)與融合
針對(duì)傳統(tǒng)無人機(jī)傾斜測(cè)量模型存在的問題，研究提出一種基于不確定度激光點(diǎn)云與無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)及融合算法。首先利用 RANSAC 算法獲取穩(wěn)健的同名角點(diǎn)特征，然后基于兩者的不確定度信息進(jìn)行ICP配準(zhǔn)，通過激光點(diǎn)云與無人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合建模，實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)云與無人機(jī)攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)的融合。
利用上述算法，對(duì)某場(chǎng)地激光點(diǎn)云與無人機(jī)攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)的實(shí)際融合效果進(jìn)行分析，見圖2。融合點(diǎn)云傾斜模型誤差在 X 方向中誤差為0.04m，在Y 方 向 中 誤 差 為 0.05 m，在 Z 方 向 中 誤 差 為0.06m，平面中誤差為0.06m。進(jìn)而使平面精度提升14%，高程精度提升18.9%。
1.4 數(shù)據(jù)成果應(yīng)用
在道路工程設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)融合的成果可通過三維可視化方式真實(shí)還原工程環(huán)境。經(jīng)過預(yù)處理后將其導(dǎo)出為 DEM/DTM/TIN 等 數(shù) 字模 型，可 以 直 接應(yīng)用于道路選線和縱橫斷面剖切，能夠滿足設(shè)計(jì)精度的要求，且測(cè)設(shè)效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測(cè)量手段[6]。
2 三維地質(zhì)信息建模技術(shù)
2.1 三維地質(zhì)信息建模技術(shù)原理
經(jīng)典地質(zhì)建模技術(shù)及算法的適用場(chǎng)景是在研究地域范圍內(nèi)，相對(duì)密集地通過鉆孔采集地質(zhì)資料，在一個(gè)近似凸多邊形的范圍內(nèi)獲得較多的鉆孔點(diǎn)位。但是，對(duì)于道 路 工 程 這 樣 的 帶 狀 空 間、線 性 工 程 來說，通常鉆孔點(diǎn)間距較大、密度稀疏，使用經(jīng)典算法難以得 到 滿 意 的 結(jié) 果，也 不 能 與 數(shù) 字 地 面 模 型 相匹配。
因此，研究提出一種融合數(shù)字地面高程模型，按稀疏鉆孔插值密度采樣的地質(zhì)模型構(gòu)網(wǎng)的新方法，即“多參數(shù)置信權(quán)重分層三角網(wǎng)法”。初次建模時(shí)按原始鉆孔數(shù)據(jù)得到不同階次的分層擬合曲面，不同層次曲面的空間擬合參數(shù)不同，層次較深的擬合曲面偏于平滑，即采用二次拋物線擬合插值;反之，曲面采用高次拋物線擬合插值。從地形網(wǎng)格中分別取出各點(diǎn)，對(duì)多參數(shù)置信權(quán)重分層擬合曲面進(jìn)行求交運(yùn)算：表層地質(zhì)曲面低于地形時(shí)，補(bǔ)足缺失的高度;地質(zhì)曲面高于地形曲面時(shí)，剪切超出部分。采用有限分布的鉆孔數(shù)據(jù)，來衡量地質(zhì)特征的重要性，并將其應(yīng)用于相似度插值計(jì)算中，以獲取更加準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。
三維地質(zhì)信息模型的建立過程，簡(jiǎn)言之，是以地質(zhì)調(diào)繪平面圖和離散點(diǎn)的鉆孔資料為基礎(chǔ)，基于對(duì)一個(gè)離散化的自然模型建立相互聯(lián)系的地下空間三維網(wǎng)格體[7];利用空間狄洛尼三角化將離散鉆孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間線性的三角棱柱體;再應(yīng)用 Bezier混合曲面來進(jìn)行解譯擬合三維結(jié)構(gòu)面[8]。
2.2 地質(zhì)信息建模(智繪地質(zhì))軟件實(shí)現(xiàn)
三維地質(zhì)地形信息模型軟件包括：數(shù)據(jù)導(dǎo)入、鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理、標(biāo)準(zhǔn)層劃分、地層插值與疊加分析、地質(zhì)信息管理、體模型建立、空間模型顯示、剖切與虛擬鉆孔等功能模塊。
軟件對(duì)大量的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)鉆孔的分布規(guī)律和分布密度，以及每個(gè)鉆孔的地質(zhì)分層信息，確定出研究區(qū)的地層分布，并按照土層性質(zhì)劃分地層，生成地層層面。由于在建模過程中對(duì)各個(gè)地層界面都是獨(dú)立進(jìn)行處理的，經(jīng)過插值擬合的地層可能會(huì)因尖滅或缺失而導(dǎo)致層面相交的現(xiàn)象，需要進(jìn)行地層 層 面 的 相 交 處 理，見 圖3。在 地 質(zhì) 建 模軟件中通過布爾運(yùn)算方法進(jìn)行地層層面的相交運(yùn)算處理。然后，通過軟件實(shí)現(xiàn) TIN 擠壓方法，直 接 實(shí)現(xiàn)地層單元三維顯示及模型切剖，最后在圖形顯示模塊中進(jìn)行三維觀察和顯示[9]。
3 地質(zhì)信息模型在道路 BIM 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
基于前述傾斜攝影與激光點(diǎn)云技術(shù)結(jié)合形成的三維地表高精度影像模型，融合地下地質(zhì)體模型，形成三維空間信息融合體，其目的是為道路工程設(shè)計(jì)提供豐富、全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，即在道路設(shè)計(jì)中能夠?qū)崟r(shí)提取地形和地質(zhì)信息。
綜合無人機(jī)、GIS、BIM 技術(shù)，自主研發(fā)了“智繪路基設(shè)計(jì)”軟件1.0版，形成一套應(yīng)用于公路路基防護(hù)、排水設(shè)計(jì)、橋梁樁基礎(chǔ)承載力計(jì)算或驗(yàn)算的輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和道路信息模型技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)路基三維交互式設(shè)計(jì)、路基信息模型建立、圖紙生成和工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)等功能。軟件主要由路基防護(hù)設(shè)計(jì)、道路排水設(shè)計(jì)、工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)等模塊組成。
3.1 智繪路基軟件的防護(hù)設(shè)計(jì)模塊
路基防護(hù)設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)了高填深挖路基防護(hù)工程的輔助設(shè)計(jì)功能。該模塊能夠從道路模型中自動(dòng)提取邊坡三維模型數(shù)據(jù)，包括各樁號(hào)斷面中所有邊坡段的起終點(diǎn)空間坐標(biāo)和類型屬性，按照預(yù)設(shè)的控制和過濾條件，自動(dòng)繪制坡面展開圖，實(shí)現(xiàn)防護(hù)參數(shù)的智能標(biāo)注，并同步記錄和輸出防護(hù)類型、區(qū)域范圍 (樁號(hào)-標(biāo)高坐標(biāo)系)、邊坡層級(jí)等信息，以填充的方式顯示防護(hù)類型樣式，并支持交互式拖動(dòng)修改，能快速導(dǎo)出各分項(xiàng)工程數(shù)量，見圖4。
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在路基防護(hù)設(shè)計(jì)工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)和出圖方面，程序自動(dòng)在圖形信息庫中搜索所有的防護(hù)區(qū)域、邊溝信息，按左右側(cè)、上下層順序及樁號(hào)大小進(jìn)行分類和排序，自動(dòng)生成工程數(shù)量電子表格，包含樁號(hào)范圍、防護(hù)類型、坡高和材料用量表等信息，全過程無需人工干預(yù)。
3.2 智繪路基軟件的排水設(shè)計(jì)模塊
智繪路基軟件程序從初始的道路 BIM 模型中，自動(dòng)提取邊溝、截水溝的初始模型數(shù)據(jù)，包括各樁號(hào)斷面中邊溝的空間坐標(biāo)和類型屬性。軟件創(chuàng)建邊溝平面和拉坡圖實(shí)體，并將拉坡方案與道路模型關(guān)聯(lián)，通過人機(jī)交互創(chuàng)建和編輯拉坡方案，繪制出邊溝平面和拉坡圖，刷新后道路模型同步發(fā)生改變，可實(shí)時(shí)編輯修改邊溝變坡點(diǎn)的樁號(hào)和高程、添加編輯變坡點(diǎn)的樁號(hào)、上下平臺(tái)高程，實(shí)現(xiàn)可視化交互式邊溝動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。程序可自動(dòng)導(dǎo)出《路基排水設(shè)計(jì)表》和《路基排水工程數(shù)量表》。
3.3 地質(zhì)信息模型的應(yīng)用
三維地理地質(zhì)信息融合體，其內(nèi)容豐富，數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，除空間三維模型外還可將所有地層巖土屬性信息導(dǎo)入信息模型，程序自動(dòng)建立符合 BIM 通用標(biāo)準(zhǔn)的地質(zhì)地形信息和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這些信息能夠在設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)中進(jìn)行訪問和讀取，消除數(shù)據(jù)傳遞、格式轉(zhuǎn)換過程中的丟失、錯(cuò)漏現(xiàn)象，保證了信息模型的數(shù)據(jù)一致性，并可快速高效地實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)體單元模型剖切、數(shù)值計(jì)算和模擬。
針對(duì)高填深挖路基防護(hù)設(shè)計(jì)難題，軟件基于三維地質(zhì)信息模型，能夠剖切各設(shè)計(jì)斷面的地質(zhì)橫斷面模型，得到地質(zhì)分層的二維多邊形及其巖土類型編碼，形成地質(zhì)剖面圖;疊加道路橫斷面設(shè)計(jì)圖后，對(duì)錨桿、錨索的平面分布，以及鉆孔入射角度、錨固長(zhǎng)度進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，根據(jù)巖土信息和參數(shù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行錨固力、邊坡穩(wěn)定性等計(jì)算和分析。
4 結(jié)語
本文提出了綜合運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影和激光點(diǎn)云技術(shù)的快速建模和數(shù)據(jù)平 差 方 法;GIS和地 勘資料建模的理論及其軟件實(shí)現(xiàn)途徑;快速生成三維地理、地質(zhì)信息融合體，并 利 用 BIM 設(shè)計(jì) 技術(shù) 開 發(fā) 道路路基防護(hù)和排水工程的輔助設(shè)計(jì)軟件。
綜合應(yīng)用新興測(cè)設(shè)技術(shù)手段和 BIM 設(shè)計(jì)理念，可以打破傳統(tǒng)的各專業(yè)信息孤島、各階段設(shè)計(jì)銜接難、路基專業(yè)設(shè)計(jì)不精確等瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)道路設(shè)計(jì)的協(xié)同化、一 體 化 管 理，從而實(shí)現(xiàn)三維集成協(xié)同設(shè)計(jì)，促進(jìn)我國道路設(shè)計(jì)技術(shù)手段的提升。——論文作者：林國濤1，孫增奎1，肖 斌2，張?jiān)椒?
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