地理信息大數(shù)據(jù)在輔助公路選線中的應用研究

羅睿

摘要：公路選線在廣泛收集與路線方案有關的規(guī)劃、統(tǒng)計、地形、地質、氣象等資料的基礎上深入調查，運用遙感、航測、衛(wèi)星定位、數(shù)字技術等前沿技術，可以大幅提升勘察設計工作的廣度、深度和質量，取得良好技術經(jīng)濟效益。本文闡述了由航空測量、遙感技術、GPS定位、數(shù)字地面模型、公路選線組成的地理信息大數(shù)據(jù)技術架構，以昆倘高速為例進行了應用分析，為進一步通過大數(shù)據(jù)促進公路信息化技術和應用的發(fā)展提供探索。

Abstract： Highway route selection is based on extensive collection of planning， statistics， terrain， geology， meteorology and other data related to the route plan， and the use of cutting-edge technologies such as remote sensing， aerial survey， satellite positioning， and digital technology can greatly increase the breadth of survey and design work， depth and quality， and achieve good technical and economic benefits. This paper expounds the geographic information big data technology architecture composed of aerial surveying， remote sensing technology， GPS positioning， digital ground model， and highway route selection. The Kuntang Expressway is used as an example for application analysis to further promote highway information technology through big data and provide exploration for application development.

關鍵詞：地理信息大數(shù)據(jù);公路選線;GIS;BIM

Key words： Geographic Information Big Data;highway route selection;GIS;BIM

中圖分類號：TP18 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0203-03

0 ?引言

在過去，設計師常說設計是一門遺憾的藝術，最好的作品永遠在下一個。而在萬物皆有聯(lián)的大數(shù)據(jù)時代，運用航空測量、遙感技術、GPS定位、數(shù)字地面模型、公路選線組成的地理信息大數(shù)據(jù)技術架構，可以快速、準確、客觀的展示公路選線與周邊環(huán)境發(fā)生的規(guī)律變化，在很大程度上提高了設計的科學性和合理性，降低工程建設對生態(tài)與環(huán)境的影響[1]。

傳統(tǒng)公路選線采用紙上定線或現(xiàn)場定線的方法，基于CAD的設計模式一定程度上減小了數(shù)據(jù)處理的工作量。但在CAD模式之下，即便是有經(jīng)驗的設計人員對于施工現(xiàn)場的地形地貌以及建筑物的外觀都難以全面認知和感知，尤其是復雜項目和大長線工程，更是要求設計人員反復出入場地進行勘測與收集數(shù)據(jù)才能制定方案，二維設計缺乏必要的直觀性與信息交流阻礙多等缺點，難免在設計中產(chǎn)生錯漏碰缺等問題。而這些工作正日益廣泛地由航空測量、遙感技術、GPS定位、數(shù)字地面模型結合計算機輔助設計技術來完成[2]。

1 ?地理信息大數(shù)據(jù)輔助公路選線方法研究

1.1 政策背景

落實總書記綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策。實現(xiàn)科學、合理、經(jīng)濟、生態(tài)、高效的公路路線選擇需要高新技術的支撐?！吧倨茐?、大保護”的設計理念對保護城市的珍貴的自然地貌環(huán)境具有重要意義。傳統(tǒng)的設計模式和方法難以滿足全新理念的設計需求。

目前BIM技術在建筑領域得到了廣泛的應用，但在公路工程領域還處于起步階段，開發(fā)研究和應用前景廣闊。交通運輸部于2017年9月發(fā)布了《關于開展公路BIM技術應用示范工程建設的的通知》，通知中明確提出了要提高公路的設計水平，鼓勵設計人員采用BIM正向設計方法，以三維形式表達設計成果[3]。在初步設計階段應用BIM和GIS技術進行方案的比選論證，提升方案的落地性、科學性、經(jīng)濟性。在BIM技術中融合GIS等地理信息大數(shù)據(jù)可進一步提升公路設計的信息化、現(xiàn)代化水平，有效發(fā)揮現(xiàn)代信息技術在工程管理中的作用[4]。

1.2 基本理論與方法

公路工程是典型的長距離線性工程，與自然環(huán)境、地質條件的基礎數(shù)據(jù)關系密切。BIM技術主要應用于單個工程的設計、管理，主要的特點是單體精細化模型，目前傳統(tǒng)的BIM設計對公路周邊宏觀的地理環(huán)境的影響考慮不足[5]。基于GIS和BIM的地理信息大數(shù)據(jù)輔助公路選線技術主要包括基礎環(huán)境模型（三維地形模型、實景三維模型）和工程模型的兩個部分[5]。

2 ?工程案例——昆倘高速立交節(jié)點方案優(yōu)化研究

2.1 項目概況

昆倘高速是昆明北部片區(qū)和滇中城市圈的北部聯(lián)絡線，起于西三環(huán)普吉互通，向北沿轎子雪山旅游專線東側布線，與西北繞城高速公路交叉，終點在東村鎮(zhèn)西北部大團田附近接武倘尋高速公路東村樞紐互通。項目主線全長49.752km，等級為高速公路，其中小普吉樞紐至河外主線收費站段（起點-K2+800）采用雙向六車道標準建設，設計速度為80km/h，整體式路基寬度33.0m，分離式路基寬度2×16.5m。

2.2 三維地形模型與實景三維模型建立

本次研究范圍總體呈現(xiàn)北高南低的特點，現(xiàn)狀高程位于1930～2040m間，線路位于山間槽谷地帶。GIS的建立由以下兩部分組成：

2.2.1 三維地形模型

數(shù)字地形三維模型制作包含：①航飛（利用傾斜攝影成果）;②相控點測量;③航片數(shù)字高程模型制作（DEM）;④航片數(shù)字正射影像圖（DOM）;⑤數(shù)字地形三維模型集成。本項目共完成了24個航飛架次，獲取了67067張真彩色影像，布設測量了143個像控點和108個檢查點，制作了覆蓋項目范圍約9.22平方公里地形三維模型和實景三維模型。

2.2.2 實景三維模型

實景三維模型制作內(nèi)容主要包含：①傾斜攝影;②相控點測量（利用數(shù)字地形三維相控點測量成果）;③實景三維模型制作與優(yōu)化。對昆倘高速起點段（普吉-桃園段）周邊區(qū)域開展現(xiàn)場踏勘、空域申請、外業(yè)航空攝影、野外像控點測量、航空遙感影像處理、三維模型制作等工作。

2.3 原方案分析

2.3.1 大普吉改建立交

如圖1所示，與三環(huán)快速一并建成，但立交功能不全，缺少三環(huán)崗頭山-小屯立交和小屯立交-三環(huán)海源寺兩個方向的左轉功能。工程計劃需廢除1條匝道，新建3條匝道。改建后構成完整十字樞紐，交通流向明確，通行效率高。

2.3.2 小普吉新建立交

如圖2所示，原方案采用T型互通式立交，立交選型較為合理。經(jīng)三維模擬，普吉新建立交A、B匝道規(guī)模較大，占地較多，存在優(yōu)化空間;A匝道東側挖方較大，對環(huán)境影響較大。建議優(yōu)化平面線形，壓縮A、B匝道規(guī)模，減少立交占地。

2.3.3 河外樞紐立交

如圖3所示，河外樞紐互通設置昆明西北繞城高速公路交叉處，主要功能是本項目與西北繞城高速公路的交通轉換。原方案采用雙喇叭互通式立交，立交選型較為合理。對立交平縱線形指標進行技術分析后，E匝道與昆倘高速主線喇叭互通立交H、I、G、F匝道有效避開了昆明精神病院、春湖別墅區(qū)、加油站，該喇叭平縱合理。

E匝道與繞城高速喇叭互通立交占地面積較大，橋梁結構物體量較大（A、B、C、D、E匝道均布有大量橋梁），結合自然地形和現(xiàn)狀繞城高速（利用現(xiàn)狀橋跨和縱坡），本著節(jié)約用地的原則，可對立交匝道平縱指標進行優(yōu)化，可將原喇叭互通立交優(yōu)化為T型立交，減少橋梁構筑物體量，節(jié)約立交用地。

2.4 優(yōu)化理念

2.4.1 集約設計理念

集約設計可以很大程度上規(guī)范和控制高速公路建設用地規(guī)模、提高用地效率，是實現(xiàn)高速公路集約用地的有效途徑。應進行多方案的比選和優(yōu)化設計，在設計過程中將技術與用地有機結合起來。

本次方案優(yōu)化切實落實集約設計理念，充分分析現(xiàn)狀條件，運用3D+技術對方案進行優(yōu)化調整，盡量減少征地拆遷和占地，力求達到集約用地的目標。

2.4.2 生態(tài)設計理念

黨的十九大報告指出，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策。在工程建設中應加強對現(xiàn)狀山體、水系的保護，避免大填大挖，嚴格遵循生態(tài)保護紅線。本次優(yōu)化方案采用生態(tài)設計理念，建立高精度三維地形模型，避免大填大挖，保護區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀水系和山體。

2.4.3 尊重現(xiàn)狀，適應現(xiàn)狀設計理念

本項目位于昆明市郊區(qū)，研究范圍內(nèi)有普吉、桃園兩個人口聚集區(qū)，現(xiàn)狀有北三環(huán)城市快速路、轎子雪山旅游專線公路、昆明繞城高速等現(xiàn)狀道路，項目范圍內(nèi)周邊廠房、住宅密集，還有昆明市精神病醫(yī)院、春湖國際別墅區(qū)、寺廟等控制因素。

2.4.4 適用經(jīng)濟理念

通過三維模擬分析和漸進式調整優(yōu)化，達到降低工程規(guī)模、減少土石方工程量、減少對大填大挖、節(jié)約工程投資的目的。

2.5 優(yōu)化設計

2.5.1 小普吉新建立交

如圖4所示，對小普吉新建立交A、B匝道平面進行優(yōu)化，使布局更加緊湊，節(jié)約用地，減少工程規(guī)模;對普吉新建互通立交A、C匝道縱斷面設計進行優(yōu)化，減少挖方。A匝道減少長度約19m，B匝道減少長度約26m。

2.5.2 河外樞紐立交

如圖5所示，將轎子雪山旅游專線往東側（高速側）偏移，優(yōu)化轎子雪山旅游專線、H匝道縱坡，減少土石方開挖量21萬方，減少E匝道橋梁長度30m（18m寬）。優(yōu)化A匝道、B匝道、C匝道、D匝道，將喇叭型立交調整為T型立交，節(jié)約立交用地，減少橋梁構筑物。

2.6 結果分析與評價

本次方案優(yōu)化切實落實集約設計理念，充分分析現(xiàn)狀條件，運用3D+技術對方案進行優(yōu)化調整，盡量減少征地拆遷和占地，力求達到集約用地的目標。在尊重自然地形地貌基礎上，實現(xiàn)了道路與地形的整體協(xié)調和優(yōu)化，最大程度保護了現(xiàn)狀山體。

經(jīng)過本次優(yōu)化，兩個節(jié)點立交共計減少土石方約21萬方。通過整體優(yōu)化設計，避免大面積開挖山體，保護生態(tài)環(huán)境。優(yōu)化后技術指標基本與原方案一致。減少占地約57畝，減少拆遷面積約3萬m2?？s減工程規(guī)模，減少土石方量，優(yōu)化橋梁長度，節(jié)約工程建安投資5865萬元，經(jīng)濟效益明顯。

3 ?結語

隨著公路工程BIM技術的推廣，在BIM技術中融合GIS等地理信息大數(shù)據(jù)可進一步提升公路設計的信息化、現(xiàn)代化水平，開展地理信息大數(shù)據(jù)技術在公路選線階段應用研究具有重要意義，有效提高設計成果的落地性、經(jīng)濟性。本文分析了地理信息大數(shù)據(jù)輔助公路選線方法研究的政策背景和基本理論方法。本文以昆倘高速公路為例，基于三維實景模型建立原設計方案的BIM模型，并對立交方案進行分析和優(yōu)化設計。小普吉新建立交和河外樞紐立交經(jīng)優(yōu)化，有效提高方案的合理性，達到了降低土石方、保護現(xiàn)狀山體、優(yōu)化工程規(guī)模、節(jié)約工程投資的目標。

參考文獻：

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