發布時間：2022-03-16所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：基于無人機、GIS和 BIM 技術，利用傾斜攝影與激光雷達形成 GIS數據、工程地質調繪數據、工 程鉆 探數據等成果，快速建立地表真三維 GIS、地質體模型與道路模型的信息融合體。采用自主研發的智繪 地質 建 模軟件，快速建立包含海量信息的地理地質模型;通過智繪路
摘 要：基于無人機、GIS和 BIM 技術，利用傾斜攝影與激光雷達形成 GIS數據、工程地質調繪數據、工 程鉆 探數據等成果，快速建立地表真三維 GIS、地質體模型與道路模型的信息融合體。采用自主研發的“智繪 地質 建 模”軟件，快速建立包含海量信息的地理地質模型;通過“智繪路基設計”軟件將成果應用于道路輔助設計和 BIM 建模 工作中，為工程設計提供更為完整的地形、地物、地質模型信息;為路基支擋與防護、橋梁樁基礎等工程設計提供更為有效的手段。
關鍵詞：道路設計;傾斜攝影;激光點云;BIM
近年來隨著無人機、GIS和 BIM 技術的快速發展和普及，為道路工程勘測設計提供了更多新技術手段[1]。如：傾斜攝影技術應用于道路周邊 環 境 三維場景模型的建立[2];激光點云技術能夠采集高精度測量數據;BIM+GIS技術支持道路設 計 在 可 視化、協調性、智能繪制設計圖紙及自動計算工程數量等方面得到了長足的發展[3-5]。
然而，上述學科是在各自獨立的領域內所構建和發展，不同領域之間在數據獲取方法和應用目的等方面存在著較大差異，與道路工程設計的具體特點匹配性不 佳，還 存 在 信 息 融 合、數據接口標準統一、信息模型建立和設計應用等問題，亟待解決。
1 傾斜攝影與激光點云的數據融合
傾斜攝影技術是國際測繪領域于近年發展起來的一項新技術，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上搭載一個垂直、多個傾斜攝影設備，從不同角度采集影像，能夠自動建立環境場景的三維模型，真實感強。但是，由于傾斜影像的局部幾何變形大、網 平差控制點稀疏、地表附著物形狀突變區域存在視野盲區等問題，使得傾斜影像成果精度難以直接應用于道路工程設計。激光點云與無人機攝影測量融合技術的研究，旨在解決數據融合過程中點云濾波參數簡化、高精度多元特征提取、激光點云與無人機傾斜影像的穩健配準與融合等主要技術問題，提升模型坐標精度與圖像質量，形成了一套完整、高效、實用的多源數據融合處理流程，見圖1。
1.1 基于多尺度柱狀鄰域的IPTD點云濾波算法
目前大部分點云濾波算法需要調節多個參數以適應不同場景的點云數據，對用戶的操作經驗有一定要 求。研究提出一種基于多尺度柱狀鄰域的IPTD 濾 波 算法，對 于 三 維 激 光 點 云 與 無 人 機 傾 斜攝影點云數據，首先利用基于密度的粗差點檢測算法識別與剔除粗差點，然后通過線性減小的柱狀鄰域漸進搜索并加密地面種子點，實現地面點與非地面點的分離。
1.2 典型地表附著物多元結構特征提取
具有典型特征的地表附著物(如樓房、橋梁、獨立山體等)具 有 豐 富 明 顯 的 點、線、面 等 結 構 特 征。然而，由于點云是離散不規則的采樣數據，使得這些特征的精度往往受點間距、點云粗糙度等影響。為解決上述問題，研究提出一種顧及權重和典型特征地表附著物主方向的骨架線提取方法，從而改善點云粗糙度對輪廓線提取的影響;再對骨架線利用改進的 Douglas_Peucker算法分別提取無人機與激光點云特征點，為模型配準提供高精度的特征點。
通過國際攝影測量與遙感學會公開的數據對所采用算法的性能進行定量評估，結果表明：該算法相比較流行的分類強制正交算法，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 物占地面積相對誤差平均降低了7.02%，點云貢獻率平均提高了9.32%。
1.3 基于不確定度激光點云與無人機影像數據的配準與融合
針對傳統無人機傾斜測量模型存在的問題，研究提出一種基于不確定度激光點云與無人機影像數據的配準及融合算法。首先利用 RANSAC 算法獲取穩健的同名角點特征，然后基于兩者的不確定度信息進行ICP配準，通過激光點云與無人機影像數據進行聯合建模，實現激光點云與無人機攝影測量影像數據的融合。
利用上述算法，對某場地激光點云與無人機攝影測量影像數據的實際融合效果進行分析，見圖2。融合點云傾斜模型誤差在 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。進而使平面精度提升14%，高程精度提升18.9%。
1.4 數據成果應用
在道路工程設計中，數據融合的成果可通過三維可視化方式真實還原工程環境。經過預處理后將其導出為 DEM/DTM/TIN 等 數 字模 型，可 以 直 接應用于道路選線和縱橫斷面剖切，能夠滿足設計精度的要求，且測設效率遠高于傳統測量手段[6]。
2 三維地質信息建模技術
2.1 三維地質信息建模技術原理
經典地質建模技術及算法的適用場景是在研究地域范圍內，相對密集地通過鉆孔采集地質資料，在一個近似凸多邊形的范圍內獲得較多的鉆孔點位。但是，對于道 路 工 程 這 樣 的 帶 狀 空 間、線 性 工 程 來說，通常鉆孔點間距較大、密度稀疏，使用經典算法難以得 到 滿 意 的 結 果，也 不 能 與 數 字 地 面 模 型 相匹配。
因此，研究提出一種融合數字地面高程模型，按稀疏鉆孔插值密度采樣的地質模型構網的新方法，即“多參數置信權重分層三角網法”。初次建模時按原始鉆孔數據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。從地形網格中分別取出各點，對多參數置信權重分層擬合曲面進行求交運算：表層地質曲面低于地形時，補足缺失的高度;地質曲面高于地形曲面時，剪切超出部分。采用有限分布的鉆孔數據，來衡量地質特征的重要性，并將其應用于相似度插值計算中，以獲取更加準確的計算結果。
三維地質信息模型的建立過程，簡言之，是以地質調繪平面圖和離散點的鉆孔資料為基礎，基于對一個離散化的自然模型建立相互聯系的地下空間三維網格體[7];利用空間狄洛尼三角化將離散鉆孔數據轉化為空間線性的三角棱柱體;再應用 Bezier混合曲面來進行解譯擬合三維結構面[8]。
2.2 地質信息建模(智繪地質)軟件實現
三維地質地形信息模型軟件包括：數據導入、鉆孔數據預處理、標準層劃分、地層插值與疊加分析、地質信息管理、體模型建立、空間模型顯示、剖切與虛擬鉆孔等功能模塊。
軟件對大量的地質數據進行預處理，根據鉆孔的分布規律和分布密度，以及每個鉆孔的地質分層信息，確定出研究區的地層分布，并按照土層性質劃分地層，生成地層層面。由于在建模過程中對各個地層界面都是獨立進行處理的，經過插值擬合的地層可能會因尖滅或缺失而導致層面相交的現象，需要進行地層 層 面 的 相 交 處 理，見 圖3。在 地 質 建 模軟件中通過布爾運算方法進行地層層面的相交運算處理。然后，通過軟件實現 TIN 擠壓方法，直 接 實現地層單元三維顯示及模型切剖，最后在圖形顯示模塊中進行三維觀察和顯示[9]。
3 地質信息模型在道路 BIM 設計中的應用
基于前述傾斜攝影與激光點云技術結合形成的三維地表高精度影像模型，融合地下地質體模型，形成三維空間信息融合體，其目的是為道路工程設計提供豐富、全面的基礎數據，即在道路設計中能夠實時提取地形和地質信息。
綜合無人機、GIS、BIM 技術，自主研發了“智繪路基設計”軟件1.0版，形成一套應用于公路路基防護、排水設計、橋梁樁基礎承載力計算或驗算的輔助設計技術和道路信息模型技術，并實現路基三維交互式設計、路基信息模型建立、圖紙生成和工程數量統計等功能。軟件主要由路基防護設計、道路排水設計、工程數量統計等模塊組成。
3.1 智繪路基軟件的防護設計模塊
路基防護設計模塊實現了高填深挖路基防護工程的輔助設計功能。該模塊能夠從道路模型中自動提取邊坡三維模型數據，包括各樁號斷面中所有邊坡段的起終點空間坐標和類型屬性，按照預設的控制和過濾條件，自動繪制坡面展開圖，實現防護參數的智能標注，并同步記錄和輸出防護類型、區域范圍 (樁號-標高坐標系)、邊坡層級等信息，以填充的方式顯示防護類型樣式，并支持交互式拖動修改，能快速導出各分項工程數量，見圖4。
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在路基防護設計工程數量統計和出圖方面，程序自動在圖形信息庫中搜索所有的防護區域、邊溝信息，按左右側、上下層順序及樁號大小進行分類和排序，自動生成工程數量電子表格，包含樁號范圍、防護類型、坡高和材料用量表等信息，全過程無需人工干預。
3.2 智繪路基軟件的排水設計模塊
智繪路基軟件程序從初始的道路 BIM 模型中，自動提取邊溝、截水溝的初始模型數據，包括各樁號斷面中邊溝的空間坐標和類型屬性。軟件創建邊溝平面和拉坡圖實體，并將拉坡方案與道路模型關聯，通過人機交互創建和編輯拉坡方案，繪制出邊溝平面和拉坡圖，刷新后道路模型同步發生改變，可實時編輯修改邊溝變坡點的樁號和高程、添加編輯變坡點的樁號、上下平臺高程，實現可視化交互式邊溝動態設計。程序可自動導出《路基排水設計表》和《路基排水工程數量表》。
3.3 地質信息模型的應用
三維地理地質信息融合體，其內容豐富，數據規模龐大，除空間三維模型外還可將所有地層巖土屬性信息導入信息模型，程序自動建立符合 BIM 通用標準的地質地形信息和統一的數據結構。這些信息能夠在設計軟件系統中進行訪問和讀取，消除數據傳遞、格式轉換過程中的丟失、錯漏現象，保證了信息模型的數據一致性，并可快速高效地實現三維地質體單元模型剖切、數值計算和模擬。
針對高填深挖路基防護設計難題，軟件基于三維地質信息模型，能夠剖切各設計斷面的地質橫斷面模型，得到地質分層的二維多邊形及其巖土類型編碼，形成地質剖面圖;疊加道路橫斷面設計圖后，對錨桿、錨索的平面分布，以及鉆孔入射角度、錨固長度進行可視化設計，根據巖土信息和參數，實時進行錨固力、邊坡穩定性等計算和分析。
4 結語
本文提出了綜合運用無人機傾斜攝影和激光點云技術的快速建模和數據平 差 方 法;GIS和地 勘資料建模的理論及其軟件實現途徑;快速生成三維地理、地質信息融合體，并 利 用 BIM 設計 技術 開 發 道路路基防護和排水工程的輔助設計軟件。
綜合應用新興測設技術手段和 BIM 設計理念，可以打破傳統的各專業信息孤島、各階段設計銜接難、路基專業設計不精確等瓶頸問題，實現道路設計的協同化、一 體 化 管 理，從而實現三維集成協同設計，促進我國道路設計技術手段的提升。——論文作者：林國濤1，孫增奎1，肖 斌2，張越峰1
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