公路勘察設計多源數據融合方法研究

張 濤，郭長順，相詩堯，趙慶濤，姚守峰

（山東省交通規劃設計院集團有限公司 全壽命周期BIM技術應用研發中心，山東 濟南 250031）

引言

在公路多源異構數據融合研究中，如何利用現有數據之間的位置關系，搭建數據交互操作橋梁，掛接和關聯多源數據屬性信息，是目前亟待解決的難題。多源異構數據融合技術研究取得了一些進展，王浩坤[1]提出兼顧固定采集與移動采集的數據融合方法，基于歷史數據與實時數據進行交通流預測方法。胡永利等[2]通過研究多源異構數據的處理、特征表示和數據融合方法，通過挖掘多源異構數據內在的關聯性，實現多源異構數據價值信息的有效利用。王浩淼[3]基于手機切換點提供交通狀態數據的支持下，利用BP神經網絡數據融合方法估計行程時間，并以行程時間估計誤差為約束反推研究固定檢測器布設方法。

多源數據融合算法特征：（1）缺乏平臺集成的嘗試；（2）致力于解決單一問題；（3）算法復雜，難以實現。針對算法特征提出的公路設計階段多源數據融合方法，通過三維模型單體化技術與多源數據屬性信息掛接，實現公路多源數據的查詢、統計、空間分析和三維可視化等應用，允許在多種網絡終端下以網址形式快速訪問，提高多源數據融合的精確性和有效性。

1 技術流程

公路設計階段多源數據融合方法的技術流程見圖1。

圖1 技術流程

（1）獲取傾斜模型、BIM模型、多媒體數據、屬性數據和GIS數據。（2）模型數據和GIS數據生成切片緩存，多媒體數據壓縮為流數據，屬性數據建立數據庫，然后發布到服務器上。（3）基于WebGL實現數據訪問、數據高效加載、屬性信息查詢統計分析等服務，實現公路多源數據融合。（4）在網絡環境各種終端通過一個網址就可以快速訪問公路多源數據管理平臺，實時掌握項目各階段進度等信息。

2 關鍵技術

2.1 公路設計階段多源數據獲取

傾斜攝影實景三維模型不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的三維實景模型[4]，可用于大場景下的三維空間分析。圖2技術方案可以獲得精細化的傾斜攝影實景三維模型。

圖2 實景三維模型獲取

（1）由于行業視頻監控需求，監控視頻數據需要存儲在云存儲設備上，可實時掌握項目現場情況，通過在Web端調用云存儲設備的API接口接入視頻數據，從而實現監控視頻的Web端實時瀏覽。音頻數據通過錄音等方式獲得。監控視頻和音頻文件是配套使用的，后期在Web端將集成使用。（2）通過商業BIM建模軟件，錄入公路構造物尺寸信息，調用其構造物族庫，從而生成公路構造物BIM模型，包括rvt和IFC等格式。（3）GIS數據通過網絡下載或有關部門獲得，包括建筑物輪廓數據、生態紅線和基本農田等數據。（4）三維模型構造物屬性存儲在屬性表中。

2.2 多源數據預處理

傾斜模型由航測影像自動生成，三維格網精細而復雜，導致傾斜模型數據量非常大，給數據轉換、加載和應用帶來嚴峻考驗[5]。傾斜模型動態矢量面化是將矢量面模型與傾斜攝影模型同時加載到同一場景中，在渲染模型數據時把矢量面貼到傾斜模型對象表面，然后設置矢量面的顏色和透明度，從而實現可以單獨選中地物的效果[6]。以傾斜模型的構造物為對象，獲取構造物帶高程的矢量面模型，將矢量面模型生成S3M三維切片緩存，用于WebGL客戶端使用。

（1）BIM模型構件多，三角網復雜，數據量往往很大，給數據Web端加載和渲染帶來困難。為了顧及加載和顯示，先對BIM模型進行數據化簡，刪除多余的節點和三角網[7]。然后對BIM模型進行壓縮處理，生成多級的三維切片緩存。（2）音視頻數據需要對原始數據進行壓縮，以視頻流和音頻流的方式加載。（3）GIS數據多為shpfile文件，可直接生成為切片緩存文件。（4）屬性信息以屬性表的形式存儲到數據庫，方便后期調用。

2.3 多源數據融合

（1）需要配置開發環境，下載SuperMap iClient3D for WebGL產品包，解壓到工作目錄，該文件下提供了三維GIS網頁端開發的API接口和Cesium.js及所有需要的依賴文件，同時，在Tomcat環境下發布傾斜模型、矢量面模型與公路多源數據S3M三維切片緩存到服務器。（2）準備HTML頁面和引用，訪問服務器加載傾斜模型和矢量面模型。公路多源數據根據其格式選擇對應的數據訪問接口調用數據并實現三維可視化，其中監控視頻數據通過調用云存儲設備的API訪問接口，實時接入視頻流數據，搭配音頻文件使用；BIM模型通過addS3MtilesLayerByScp接口訪問數據。（3）完成矢量面模型與公路設計多源數據的信息掛接和關聯，通過鼠標點擊矢量面模型，實現公路多源數據信息顯示并進行查詢、統計、分析等操作，見圖3。監控視頻和音頻實時顯示和介紹項目現場情況；BIM模型顯示建筑物屬性、樓層名等屬性等。

用戶在網絡環境下任意終端包括臺式機、筆記本和手機等設備，輸入網址通過鼠標點擊傾斜模型中的矢量面模型對象，即可實現對公路多源數據信息的全面掌握。

3 試驗與分析

在B/S模式下，基于項目管理平臺開發實現公路設計多源數據融合模塊，成為項目管理的重要手段，并在多個公路設計項目得到成功應用。

3.1 三維模型與多媒體數據融合

利用某公路施工工地及其周邊的傾斜攝影實景三維模型開展試驗，經過精度驗證，平面中誤差與高程中誤差均＜5 cm。圖4為通過本方法實現的傾斜模型與多媒體數據融合效果，實現實驗室實時安全監督，通過鼠標點擊事件可選中對象，并播放其掛接的音視頻信息。

圖4 傾斜模型與音視頻融合

3.2 三維模型與屬性數據融合

三維模型包括傾斜模型和BIM模型。圖5為Web端傾斜模型與屬性數據融合應用，通過點選查看矢量面對象屬性信息，包括小區名稱、樓號、單元號、房屋號、戶主名和建筑面積等，可以應用于公路改擴建中的征拆管理，防止征拆糾紛的發生。圖6為BIM模型與屬性模型融合應用，通過鼠標單擊查看變合站ID、位置、占地面積等屬性信息，可應用于方案展示和項目管理，滿足項目管理對BIM語義屬性信息的精細化需求。

圖5 傾斜模型與屬性數據融合

圖6 BIM模型與屬性數據融合

3.3 三維模型與GIS矢量數據融合

研究中GIS矢量數據包括AutoCAD道路設計線位和GIS數據。以服務區選址作為三維模型與GIS矢量數據融合的應用實例，服務區選址需要與周邊環境相適應[8]，汽車噪聲對周圍居民區的影響不可忽視，以服務區單體化模型為中心進行噪聲的緩沖區分析，檢查噪聲污染范圍，為服務區選址提供輔助決策。

圖7紫色多邊形是從CAD設計線中提取服務區矢量輪廓，黃色多邊形是從GIS數據中提取周邊居民建筑矢量輪廓，以服務區矢量面中心進行噪聲緩沖區分析，通過分析可得機動車噪聲對居民區的影響在可接受范圍。

圖7 三維模型與GIS數據融合應用

3.4 三維可視化性能監測

由于高速公路線狀傾斜模型和BIM模型數據量巨大，在多源數據融合應用過程中，需要統計場景的幀率變化情況以監測模型數據加載顯示效率，見圖8，幀率保持在40 Hz以上，瀏覽效果良好。

圖8 Web端三維模型加載幀率變化曲線

4 結語

針對公路設計階段多源異構數據融合應用難的問題，提出以三維模型單體化技術作為公路多源數據融合的載體，實現公路多源數據位置和語義的精確集成，并成功應用于公路勘察設計中的智慧工地建設、工程征拆統計和服務區選址等方面。與傳統C/S桌面端方法相比，本研究開發的公路多源數據管理平臺能夠在網絡環境各種終端下快速訪問，及時掌握項目現場進度，有效提高項目管理質量，為智慧公路建設提供技術支撐。