基于BIM技術(shù)的公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測方法設(shè)計(jì)

何大為 黃國華 曾國平 彭銀剛

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);公路征地拆遷;揚(yáng)塵監(jiān)測;BIM信息庫;譜特征量

公路征地拆遷中揚(yáng)塵對大氣環(huán)境具有很大的負(fù)面影響，因此，需對其展開實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而提高對公路征地拆遷中揚(yáng)塵的治理和實(shí)時(shí)監(jiān)管能力，保障公路征地拆遷的環(huán)境生態(tài)安全?？梢哉f，研究公路征地拆遷中揚(yáng)塵的實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，在公路環(huán)境污染治理和保護(hù)中具有重要意義。因此，相關(guān)公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測方法的研究成果也受到相關(guān)領(lǐng)域的極大關(guān)注。

一般來說，對公路征地拆遷中揚(yáng)塵的實(shí)時(shí)監(jiān)測需建立在對公路征地拆遷中揚(yáng)塵信息傳感識別基礎(chǔ)上，通過傳感器信息融合和特征檢測方法實(shí)現(xiàn)對揚(yáng)塵的監(jiān)測和傳感信息跟蹤識別，有助于提高公路征地拆遷中揚(yáng)塵的治理水平，目前，對施工建設(shè)中揚(yáng)塵的監(jiān)測方法主要有基于大數(shù)據(jù)的施工現(xiàn)場揚(yáng)塵監(jiān)測方法和基于無人機(jī)的施工揚(yáng)塵自動監(jiān)測方法等。這類傳統(tǒng)方法主要是利用傳感器完成對施工建設(shè)過程中揚(yáng)塵數(shù)據(jù)信息的采集，根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果，結(jié)合軟件模型設(shè)計(jì)和硬件集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測。但這種監(jiān)測過程的計(jì)算復(fù)雜度較高，導(dǎo)致監(jiān)測的實(shí)時(shí)性能較差。

為了在中開高速公路項(xiàng)目中解決上述存在的問題，基于BIM技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測方法。采用傳感器實(shí)時(shí)采集公路征地拆遷中揚(yáng)塵，并對采集到的信息展開融合處理，從中提取揚(yáng)塵傳感數(shù)據(jù)的譜特征量，繼而采用高階譜分析方法對譜信息展開聚類和特征融合，從而建立多維傳感信息融合跟蹤識別模型，通過統(tǒng)計(jì)信息分析和BIM信息庫融合的方法，設(shè)計(jì)BIM信息數(shù)據(jù)庫，再通過大數(shù)據(jù)回歸分析和關(guān)聯(lián)信息挖掘?qū)崿F(xiàn)對公路征地拆遷中揚(yáng)塵的實(shí)時(shí)監(jiān)測。經(jīng)仿真測試展示了該方法在提高公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測能力方面的優(yōu)越性能。

1公路征地拆遷中揚(yáng)塵信息采集和預(yù)處理

1.1信息采集

為了實(shí)現(xiàn)公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測，首先采用傳感器實(shí)時(shí)采集公路征地拆遷中揚(yáng)塵BIM信息，對采集的公路征地拆遷中揚(yáng)塵傳感信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)融合處理，公路征地拆遷中揚(yáng)塵BIM信息采集的傳感節(jié)點(diǎn)分布如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的公路征地拆遷中揚(yáng)塵BIM信息采集的傳感節(jié)點(diǎn)分布完成大數(shù)據(jù)采集。在基座坐標(biāo)系中，結(jié)合關(guān)聯(lián)維挖掘和信息融合的方法，進(jìn)行公路征地拆遷中揚(yáng)塵BIM信息融合，通過地理信息空間重組，建立公路征地拆遷中揚(yáng)塵監(jiān)測的地理信息分布集，得到公路征地拆遷中揚(yáng)塵監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)最優(yōu)部署的路徑分布為式（1）所示：

在此基礎(chǔ)上，通過傳感信息融合跟蹤識別，建立關(guān)聯(lián)規(guī)則集，得到公路征地拆遷中揚(yáng)塵BIM信息融合的數(shù)據(jù)庫分布集如式（3）所示：

將監(jiān)測區(qū)域離散為M×N個方格，通過模糊信息融合，提取公路征地拆遷中揚(yáng)塵BIM信息的統(tǒng)計(jì)特征量，以式（4）表示得到的特征分布結(jié)果：

通過濃度監(jiān)測和BIM地理信息分析，通過網(wǎng)格區(qū)域監(jiān)測方法，進(jìn)行公路征地拆遷中揚(yáng)塵監(jiān)測設(shè)計(jì)。

1.2信息預(yù)處理

在上述采集公路征地拆遷中揚(yáng)塵信息的基礎(chǔ)上，提取公路征地拆遷中揚(yáng)塵傳感數(shù)據(jù)的譜特征量。首先采用高階譜分析方法進(jìn)行公路征地拆遷中揚(yáng)塵監(jiān)測過程中的譜信息聚類和特征融合。

通過對公路征地拆遷中揚(yáng)塵BIM信息的傳感數(shù)據(jù)采集，結(jié)合參數(shù)自適應(yīng)跟蹤識別，進(jìn)行公路征地拆遷中揚(yáng)塵BIM調(diào)度，式（6）為得到的譜特征量：

在此基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)挖掘過程，采用高階譜分析方法及統(tǒng)計(jì)分析方法，對采集的公路征地拆遷中揚(yáng)塵傳感信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)融合處理，從而將譜特征提取的問題轉(zhuǎn)換為譜信息聚類問題，得到譜信息聚類函數(shù)，其表達(dá)為式（7）所示：

根據(jù)譜信息聚類結(jié)果完成公路征地拆遷中揚(yáng)塵信息的特征融合，由此得到公路征地拆遷中揚(yáng)塵BIM信息監(jiān)測和融合模型，再經(jīng)過二乘擬合修正和信息修正完成信息預(yù)處理。

2公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測

2.1BIM信息調(diào)度

經(jīng)過上述分析，通過BIM信息重組得到公路征地拆遷中揚(yáng)塵的分布地理信息空間計(jì)算式為式（8）所示：

結(jié)合擬合度系，得到公路征地拆遷中揚(yáng)塵監(jiān)測的模糊控制模型為式（9）所示：

在此基礎(chǔ)上，通過中間梯度法和電測感應(yīng)分析的方法，得到公路征地拆遷中揚(yáng)塵BIM信息調(diào)度分布表示為式（11）所示：

2.2揚(yáng)塵監(jiān)測輸出

通過對公路征地拆遷中揚(yáng)塵進(jìn)行檢測建立公路征地拆遷中揚(yáng)塵監(jiān)測的多維傳感信息融合跟蹤識別模型。首先通過完成公路征地拆遷中揚(yáng)塵監(jiān)測的BIM信息數(shù)據(jù)庫分析，通過統(tǒng)計(jì)信息分析方法，得到揚(yáng)塵分布的最小乘解為式（12）所示：

繼而通過大數(shù)據(jù)回歸分析和關(guān)聯(lián)信息挖掘結(jié)果得到公路征地拆遷中揚(yáng)塵監(jiān)測的空間分布線性方程組：

3仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證基于BIM技術(shù)的公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測方法的實(shí)際應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)如下仿真實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)在Matlab平臺中展開。將公路征地拆遷中揚(yáng)塵PIM信息采集的節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)定為200個，節(jié)點(diǎn)分布距離為12m，數(shù)據(jù)的嵌入維數(shù)為4，采樣時(shí)間間隔為24s。

在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，隨機(jī)選擇兩個BIM信息采集節(jié)點(diǎn)，命名為樣本組1和2，利用微傳感器采集揚(yáng)塵數(shù)據(jù)，得到采集結(jié)果如圖2所示。

以圖2所示的公路征地拆遷中揚(yáng)塵信息為研究對象，進(jìn)行BIM信息數(shù)據(jù)庫重組。然后以公路征地拆遷中揚(yáng)塵監(jiān)測的時(shí)間開銷為檢驗(yàn)指標(biāo)，對所提方法的應(yīng)用性能展開檢驗(yàn)。

為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單一性，將傳統(tǒng)的基于大數(shù)據(jù)的施工現(xiàn)場揚(yáng)塵監(jiān)測方法和基于無人機(jī)的施工揚(yáng)塵自動監(jiān)測方法作為對比方法，與所提方法共同完成性能驗(yàn)證，得到對比結(jié)果如圖3所示。

圖3中，傳統(tǒng)方法1表示基于大數(shù)據(jù)的施工現(xiàn)場揚(yáng)塵監(jiān)測方法，傳統(tǒng)方法2表示基于無人機(jī)的施工揚(yáng)塵自動監(jiān)測方法。分析圖3結(jié)果可知，隨著測試次數(shù)的增加，基于大數(shù)據(jù)的施工現(xiàn)場揚(yáng)塵監(jiān)測方法和基于無人機(jī)的施工揚(yáng)塵自動監(jiān)測方法的監(jiān)測過程開銷時(shí)間曲線波動較大，而所提方法的開銷時(shí)間曲線較為平穩(wěn)。且兩種對比方法的開銷時(shí)間曲線大部分位于所提方法曲線以上。由此可以說明，利用所提方法進(jìn)行公路征地拆遷中揚(yáng)塵監(jiān)測的時(shí)間開銷更短，證明該方法更具有時(shí)效性。

在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用基于BIM技術(shù)的公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測方法對公路征地拆遷中揚(yáng)塵展開實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到結(jié)果如表1所示。從結(jié)果可知，測試的平均效率普遍較高，監(jiān)測的實(shí)時(shí)性較好。

四結(jié)論

結(jié)合施工監(jiān)管和技術(shù)支持建立公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，有利于提高公路征地拆遷中揚(yáng)塵的治理和實(shí)時(shí)監(jiān)管能力。基于此，設(shè)計(jì)了一種基于BIM技術(shù)的公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，利用傳感器實(shí)時(shí)采集公路征地拆遷中揚(yáng)塵信息，采用高階譜分析方法完成對譜信息聚類和特征融合，從而建立公路征地拆遷中揚(yáng)塵信息融合參數(shù)集，再通過模糊度尋優(yōu)得到統(tǒng)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析得知，該方法對公路征地拆遷中揚(yáng)塵實(shí)時(shí)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性較好，可考慮在中開高速公路的征地拆遷中應(yīng)用。在以后的研究中，將根據(jù)該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)際情況，不斷優(yōu)化BIM技術(shù)的信息調(diào)度效率，使得揚(yáng)塵監(jiān)測的開銷時(shí)間更短。