基于多源實(shí)景三維大場(chǎng)景的城市道路設(shè)計(jì)平臺(tái)

王商富

(福州市勘測(cè)院，福建 福州 350108)

1 引 言

實(shí)景三維技術(shù)作為一種新興技術(shù)方法為地理空間信息數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供了新的解決方案。實(shí)景三維大場(chǎng)景結(jié)合三維GIS技術(shù)在城市道路設(shè)計(jì)中有獨(dú)特的適用性，滿足設(shè)計(jì)專業(yè)對(duì)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的多維度需求，可實(shí)現(xiàn)二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)提升轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)[1]研究了基于無人機(jī)傾斜攝影的交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃方法，主要以農(nóng)村公路為主。文獻(xiàn)[2]將實(shí)景三維模型應(yīng)用于城市級(jí)別三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)，為三維規(guī)劃審批提供了新的解決思路。文獻(xiàn)[3]利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取項(xiàng)目區(qū)域的三維實(shí)景模型，為市政道路BIM設(shè)計(jì)提供真實(shí)、準(zhǔn)確的三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過BIM技術(shù)可快速完成方案設(shè)計(jì)與方案比選。文獻(xiàn)[4]針對(duì)城市軌道交通規(guī)劃選線，將傾斜攝影測(cè)量應(yīng)用于BIM+GIS技術(shù)，有效整合、兼顧軌道交通線路周邊的地上、地下信息資源，為選線過程中的空間分析提供基礎(chǔ)條件。文獻(xiàn)[5]介紹了城市三維模型管理的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了三維模型數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了三維模型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三維模型的建庫管理。

綜上所述，國(guó)內(nèi)當(dāng)前已有少量基于實(shí)景三維技術(shù)輔助道路設(shè)計(jì)案例及其相關(guān)應(yīng)用研究，存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型較為單一、輔助道路設(shè)計(jì)支撐度不足等問題。因此，本文利用三維地理信息技術(shù)融合了DEM、DOM、單體化實(shí)景三維、道路BIM、三調(diào)地類信息、地籍與房產(chǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)庫及其他專題數(shù)據(jù)構(gòu)成實(shí)景三維大場(chǎng)景城市道路設(shè)計(jì)平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)組成、功能模塊及其優(yōu)越性做了具體介紹。

2 多源實(shí)景三維大場(chǎng)景輔助道路設(shè)計(jì)

技術(shù)路線主要包括資料收集、數(shù)據(jù)加工、平臺(tái)集成及應(yīng)用功能四個(gè)部分。首先，收集莆田市城北大道范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，包含大比例尺地形圖、地籍與房產(chǎn)調(diào)查成果、柵格影像、三調(diào)地類信息、地名地址專題以及三維景觀模型等數(shù)據(jù)；其次，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查分析、格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)投影、專題信息提取、信息賦值等加工處理；然后，將DEM和DOM導(dǎo)入TerraBuilder中，生成基礎(chǔ)三維地形場(chǎng)景即MPT文件，結(jié)合CityBuilder生成的單體化實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)(*.3DML)、相關(guān)的GIS圖層、地類圖斑和道路BIM層導(dǎo)入到TerraExplorerPro中配置，生成FLY文件；最后，基于Skyline三維實(shí)景地理信息系統(tǒng)為線路設(shè)計(jì)三維展示方案定制相關(guān)功能模塊。技術(shù)路線如圖1所示：

2.1 資料收集

收集線路范圍內(nèi)已有DLG、DOM、DEM測(cè)繪遙感基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，收集多視影像、控制資料，收集道路設(shè)計(jì)矢量數(shù)據(jù)、逐樁坐標(biāo)表、設(shè)計(jì)標(biāo)高數(shù)據(jù)等線路設(shè)計(jì)資料，收集線路上的重要地名地址、三調(diào)數(shù)據(jù)庫中的地類信息和地籍房屋調(diào)查數(shù)據(jù)庫中的建筑物信息。

2.2 數(shù)據(jù)加工

數(shù)據(jù)加工包含三維地形大場(chǎng)景建立、實(shí)景三維數(shù)據(jù)建模、道路BIM模型制作、3D網(wǎng)格圖層建立4個(gè)部分。

(1)三維地形大場(chǎng)景建立。利用范圍面積約 450 km2的 1∶2 000 DOM和 1∶5 000 DEM柵格數(shù)據(jù)，經(jīng)過柵格鑲嵌、坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換、影像裁切、金字塔建立等數(shù)據(jù)處理，通過Skyline Terra Builder軟件工具建

圖1 技術(shù)路線圖

立三維地形大場(chǎng)景。

(2)實(shí)景三維數(shù)據(jù)建模。采用ContextCapture軟件平臺(tái)對(duì)地面分辨率為3cm的傾斜攝影影像及像控資料通過空三建模生產(chǎn)實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)(成果為OSGB格式)，三維模型采用多細(xì)節(jié)層次(LOD)技術(shù)，層次設(shè)計(jì)為20層，利用該技術(shù)能夠詳盡地表達(dá)建筑物細(xì)部結(jié)構(gòu)特征及獲得高效率的渲染運(yùn)算。

(3)道路BIM模型制作。依據(jù)所提供的城北大道設(shè)計(jì)方案資料，包括線位圖、逐樁坐標(biāo)表及設(shè)計(jì)標(biāo)高數(shù)據(jù)等，使用SketchUp、3ds Max及Revit的BIM制作軟件，制作道路BIM仿真模型，該模型包括路面、綠化、橋墩、隧道及其他道路附屬設(shè)施等，BIM模型按DAE格式導(dǎo)出。

(4)3D網(wǎng)格圖層建立。利用1∶500 DLG中的建筑物矢量圖層實(shí)現(xiàn)批量單體化，即通過建筑物矢量圖拓?fù)涮幚砑皩訑?shù)估算高度方式快速建立建筑物單體化，再對(duì)單體化模型屬性批量掛接地籍與房屋調(diào)查成果的數(shù)據(jù)庫信息。使得三維實(shí)景模型不僅可供瀏覽和量測(cè)，還可實(shí)現(xiàn)屬性信息查詢、分析和統(tǒng)計(jì)功能，即優(yōu)化三維實(shí)景模型深度應(yīng)用，又以邏輯單體化方式極大降低人工物理單體化高額成本。本文在城北大道沿線上共生產(chǎn) 100 km2傾斜攝影實(shí)景三維單體化模型數(shù)據(jù)，使用Skyline的CityBuilder模塊，制作3DML格式數(shù)據(jù)。

2.3 平臺(tái)集成及功能模塊

基于Skyline三維地理信息軟件集成三維地形場(chǎng)景、單體化實(shí)景三維、道路BIM、地名地址專題數(shù)據(jù)及地類信息等五層數(shù)據(jù)，組成最終的線路設(shè)計(jì)方案三維展示平臺(tái)，平臺(tái)界面如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)方案三維展示平臺(tái)界面

(1)三維展示平臺(tái)的制作流程：首先，在TerraExplorerPro中，導(dǎo)入三維地形場(chǎng)景并加載傾斜攝影單體化3DML模型數(shù)據(jù)；其次，疊加莆田市基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)(包含居民地、水系、城市主要道路、地名、行政界線與區(qū)域等名稱注記)和三調(diào)地類信息，并標(biāo)注、配色等；然后，在平臺(tái)設(shè)置打開場(chǎng)景的初始位置和瀏覽城北大道三個(gè)設(shè)計(jì)方案的飛行線路；最后，對(duì)完成的三維集成平臺(tái)Fly格式工程打包。

(2)功能模塊：針對(duì)設(shè)計(jì)方案展示分析需求，三維場(chǎng)景展示道路設(shè)計(jì)平臺(tái)具備線路漫游、方案優(yōu)化、場(chǎng)景模擬、GIS分析(含征地成本估算、沿線土地利用現(xiàn)狀分析、模版制圖)等功能。圖3所示為線路漫游導(dǎo)覽，圖4所示為方案優(yōu)化中的選線改線效果，圖5～圖8所示分別為場(chǎng)景模擬中的視域分析、坡向分析、水淹分析和交通網(wǎng)絡(luò)分析，圖9所示為GIS分析中的三維建筑物單體化信息輔助征地成本估算(建筑物部分)，圖10所示為GIS分析中的方案線路沿線土地利用現(xiàn)狀分析。

圖3 線路導(dǎo)覽 圖4 選線改線

圖5 視域分析 圖6 坡向分析

圖7 水淹分析 圖8 交通網(wǎng)絡(luò)分析

圖9 三維建筑物單體化信息輔助征地成本估算(建筑物部分)

圖10 方案線路沿線土地利用現(xiàn)狀分析

2.4 方案選線決策服務(wù)

方案選線基本原則主要是結(jié)合地形地貌、技術(shù)條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況，選擇科學(xué)有效的線路，起到讓征遷費(fèi)用、工程費(fèi)用、道路功能得到有機(jī)統(tǒng)一，并且能夠保證行車穩(wěn)定安全、經(jīng)濟(jì)耐用、易于養(yǎng)護(hù)的目的。綜合以上因素，總結(jié)選線原則如下：①以土地利用規(guī)劃及片區(qū)控規(guī)為依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)道路選線；②城市道路線位的選擇應(yīng)做到少占農(nóng)田，少開挖山體，少占水體，減少拆遷；③設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理考慮現(xiàn)狀道路的接順及機(jī)孔、人孔的合理長(zhǎng)度；④綜合考慮交通功能、工程難度、環(huán)境保護(hù)、征地拆遷等因素，做到造價(jià)最省[6]。上述四個(gè)原則的詳細(xì)情況基本都能在本文三維實(shí)景道路設(shè)計(jì)平臺(tái)中得到直觀展示和分析。

3 關(guān)鍵技術(shù)

(1)多源數(shù)據(jù)處理及集成技術(shù)。多源數(shù)據(jù)的預(yù)處理及信息提取主要包含基于CAD、shapefile、SketchUp的數(shù)據(jù)采集及處理，采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、BIM生產(chǎn)、三維GIS、地籍房屋調(diào)查數(shù)據(jù)及三調(diào)地類的信息提取等相關(guān)技術(shù)。集成多源數(shù)據(jù)制作道路設(shè)計(jì)方案三維展示平臺(tái)，從而將設(shè)計(jì)方案展示從傳統(tǒng)二維平面圖件提升至三維實(shí)景展示層次，并能夠查詢分析多源數(shù)據(jù)信息。

(2)多源實(shí)景三維大場(chǎng)景環(huán)境下虛擬可視化技術(shù)。3DML是一個(gè)多分辨率且流式優(yōu)化的3D網(wǎng)格圖層數(shù)據(jù)庫，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)三維建筑模型、BIM數(shù)據(jù)的加載和查詢的關(guān)鍵技術(shù)，且通過創(chuàng)建三維模型LOD技術(shù)方法，加快加載和發(fā)布三維模型的速度，并能夠增強(qiáng)三維瀏覽效果；3DML數(shù)據(jù)集是由統(tǒng)一的所有數(shù)據(jù)源的多分辨率網(wǎng)格切片、分類信息和相關(guān)的特征信息組成，能夠讓本地Terra Explorerviewer和遠(yuǎn)程的Terra Explorer客戶端使用新的TerraGateSFS3DML數(shù)據(jù)服務(wù)得到訪問。

(3)立體化道路設(shè)計(jì)。研究了在三維場(chǎng)景中分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)道路BIM數(shù)據(jù)，并依據(jù)模版開發(fā)出圖功能，提供了三維輔助道路規(guī)劃設(shè)計(jì)決策技術(shù)功能。突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)策劃思維，實(shí)現(xiàn)三維地理信息與規(guī)劃設(shè)計(jì)相結(jié)合的跨界應(yīng)用。該三維展示平臺(tái)首次融合二維數(shù)據(jù)、三維實(shí)景數(shù)據(jù)、道路BIM仿真模型及多種專題數(shù)據(jù)等，解決了二維設(shè)計(jì)圖件方案展示的局限性，展示效果更直觀，分析結(jié)果更可靠，可為業(yè)主部門的分析決策提供科學(xué)依據(jù)。

(4)多目標(biāo)決策的線路方案優(yōu)選決策?；谌{(diào)地類信息和地籍房屋調(diào)查成果數(shù)據(jù)，通過拓?fù)浏B加分析，查詢統(tǒng)計(jì)分析落位在方案設(shè)計(jì)道路邊線外擴(kuò)特定范圍內(nèi)的地類信息和建筑物，參考當(dāng)?shù)匾呀?jīng)制定的城鄉(xiāng)基準(zhǔn)地價(jià)和安置補(bǔ)償費(fèi)用辦法估算征遷費(fèi)用，根據(jù)方案線路長(zhǎng)度、征地面積、橋隧總長(zhǎng)、征地拆遷費(fèi)用、沿線土地利用現(xiàn)狀情況等影響因素制定多目標(biāo)決策方案[7]，為優(yōu)化道路路線方案的選型提供有力的技術(shù)支撐。

4 結(jié) 語

本文通過三維地理信息技術(shù)對(duì)實(shí)景三維、BIM、DOM、DEM、三調(diào)地類信息、地籍房屋調(diào)查數(shù)據(jù)庫信息及設(shè)計(jì)圖件等多源數(shù)據(jù)的整合，實(shí)現(xiàn)了城市道路設(shè)計(jì)中綜合決策的成功應(yīng)用。基于道路設(shè)計(jì)的實(shí)景三維大場(chǎng)景平臺(tái)為方案線路長(zhǎng)度、征地面積、橋隧總長(zhǎng)等計(jì)算提供便捷服務(wù)；而實(shí)景三維大場(chǎng)景中的建筑物單體化及信息賦值，為城市道路征地拆遷費(fèi)用估算提供可靠依據(jù)；道路設(shè)計(jì)沿線的土地利用現(xiàn)狀地類信息，為道路選線優(yōu)化設(shè)計(jì)提供決策信息保障。文中成功搭建城市道路設(shè)計(jì)方案的多源實(shí)景三維大場(chǎng)景空間信息平臺(tái)，將傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)向三維空間設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，有效提升設(shè)計(jì)方案的展示效果和提供可靠的分析依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪地理信息技術(shù)與城市道路設(shè)計(jì)的有機(jī)融合，探索出一種新的測(cè)繪地理信息服務(wù)模式，相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可復(fù)制推廣至其他設(shè)計(jì)專業(yè)，如城市規(guī)劃、景觀設(shè)計(jì)及市政交通等領(lǐng)域。