多源實景三維大場景的城市道路設計范文

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摘要：基于城市道路設計過程中對地理信息數據多維度需求分析的目的，采用了三維地理信息技術對實景三維、BIM、DOM、DEM、三調地類信息、地籍與房屋調查數據庫信息及設計圖件等多源數據的整合方法，以福建省莆田市城北大道方案選線設計為例，簡要介紹了多源實景三維管理平臺應用于城市道路設計的全過程及其關鍵技術，實現了測繪地理信息技術與城市道路設計的有機融合，探索出一種新的測繪地理信息服務模式。

關鍵詞：多源；實景三維；道路設計；三維GIS；BIM

1引言

實景三維技術作為一種新興技術方法為地理空間信息數據的應用提供了新的解決方案。實景三維大場景結合三維GIS技術在城市道路設計中有獨特的適用性，滿足設計專業對基礎地理信息數據的多維度需求，可實現二維設計向三維設計提升轉變。文獻［1］研究了基于無人機傾斜攝影的交通基礎設施規劃方法，主要以農村公路為主。文獻［2］將實景三維模型應用于城市級別三維地理信息系統建設，為三維規劃審批提供了新的解決思路。文獻［3］利用無人機傾斜攝影技術獲取項目區域的三維實景模型，為市政道路BIM設計提供真實、準確的三維基礎數據，通過BIM技術可快速完成方案設計與方案比選。文獻［4］針對城市軌道交通規劃選線，將傾斜攝影測量應用于BIM＋GIS技術，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條件。文獻［5］介紹了城市三維模型管理的現狀，設計了三維模型數據庫的存儲結構，并開發了三維模型數據庫管理系統，實現了三維模型的建庫管理。綜上所述，國內當前已有少量基于實景三維技術輔助道路設計案例及其相關應用研究，存在基礎數據類型較為單一、輔助道路設計支撐度不足等問題。因此，本文利用三維地理信息技術融合了DEM、DOM、單體化實景三維、道路BIM、三調地類信息、地籍與房產調查數據庫及其他專題數據構成實景三維大場景城市道路設計平臺，并對平臺系統組成、功能模塊及其優越性做了具體介紹。

2多源實景三維大場景輔助道路設計

技術路線主要包括資料收集、數據加工、平臺集成及應用功能四個部分。首先，收集莆田市城北大道范圍內的數據，包含大比例尺地形圖、地籍與房產調查成果、柵格影像、三調地類信息、地名地址專題以及三維景觀模型等數據；其次，對收集的數據進行檢查分析、格式轉換、坐標投影、專題信息提取、信息賦值等加工處理；然后，將DEM和DOM導入TerraBuilder中，生成基礎三維地形場景即MPT文件，結合CityBuilder生成的單體化實景三維模型數據（∗．3DML）、相關的GIS圖層、地類圖斑和道路BIM層導入到TerraExplorerPro中配置，生成FLY文件；最后，基于Skyline三維實景地理信息系統為線路設計三維展示方案定制相關功能模塊。技術路線如圖1所示：

2.1資料收集

收集線路范圍內已有DLG、DOM、DEM測繪遙感基礎地理信息數據，收集多視影像、控制資料，收集道路設計矢量數據、逐樁坐標表、設計標高數據等線路設計資料，收集線路上的重要地名地址、三調數據庫中的地類信息和地籍房屋調查數據庫中的建筑物信息。

2.2數據加工

數據加工包含三維地形大場景建立、實景三維數據建模、道路BIM模型制作、3D網格圖層建立4個部分。

（1）三維地形大場景建立。利用范圍面積約450km2的1∶2000DOM和1∶5000DEM柵格數據，經過柵格鑲嵌、坐標投影轉換、影像裁切、金字塔建立等數據處理，通過SkylineTerraBuilder軟件工具建立三維地形大場景。

（2）實景三維數據建模。采用ContextCapture軟件平臺對地面分辨率為3cm的傾斜攝影影像及像控資料通過空三建模生產實景三維模型數據（成果為OSGB格式），三維模型采用多細節層次（LOD）技術，層次設計為20層，利用該技術能夠詳盡地表達建筑物細部結構特征及獲得高效率的渲染運算。

（3）道路BIM模型制作。依據所提供的城北大道設計方案資料，包括線位圖、逐樁坐標表及設計標高數據等，使用SketchUp、3dsMax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施等，BIM模型按DAE格式導出。

（4）3D網格圖層建立。利用1∶500DLG中的建筑物矢量圖層實現批量單體化，即通過建筑物矢量圖拓撲處理及層數估算高度方式快速建立建筑物單體化，再對單體化模型屬性批量掛接地籍與房屋調查成果的數據庫信息。使得三維實景模型不僅可供瀏覽和量測，還可實現屬性信息查詢、分析和統計功能，即優化三維實景模型深度應用，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100km2傾斜攝影實景三維單體化模型數據，使用Sky⁃line的CityBuilder模塊，制作3DML格式數據。

2.3平臺集成及功能模塊

基于Skyline三維地理信息軟件集成三維地形場景、單體化實景三維、道路BIM、地名地址專題數據及地類信息等五層數據，組成最終的線路設計方案三維展示平臺，平臺界面如圖2所示。

（1）三維展示平臺的制作流程：首先，在TerraEx⁃plorerPro中，導入三維地形場景并加載傾斜攝影單體化3DML模型數據；其次，疊加莆田市基礎矢量數據（包含居民地、水系、城市主要道路、地名、行政界線與區域等名稱注記）和三調地類信息，并標注、配色等；然后，在平臺設置打開場景的初始位置和瀏覽城北大道三個設計方案的飛行線路；最后，對完成的三維集成平臺Fly格式工程打包。

（2）功能模塊：針對設計方案展示分析需求，三維場景展示道路設計平臺具備線路漫游、方案優化、場景模擬、GIS分析（含征地成本估算、沿線土地利用現狀分析、模版制圖）等功能。圖3所示為線路漫游導覽，圖4所示為方案優化中的選線改線效果，圖5～圖8所示分別為場景模擬中的視域分析、坡向分析、水淹分析和交通網絡分析，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狀分析。

2.4方案選線決策服務

方案選線基本原則主要是結合地形地貌、技術條件和社會經濟狀況，選擇科學有效的線路，起到讓征遷費用、工程費用、道路功能得到有機統一，并且能夠保證行車穩定安全、經濟耐用、易于養護的目的。綜合以上因素，總結選線原則如下：①以土地利用規劃及片區控規為依據優化設計道路選線；②城市道路線位的選擇應做到少占農田，少開挖山體，少占水體，減少拆遷；③設計時應合理考慮現狀道路的接順及機孔、人孔的合理長度；④綜合考慮交通功能、工程難度、環境保護、征地拆遷等因素，做到造價最省［6］。上述四個原則的詳細情況基本都能在本文三維實景道路設計平臺中得到直觀展示和分析。

3關鍵技術

（1）多源數據處理及集成技術。多源數據的預處理及信息提取主要包含基于CAD、shapefile、SketchUp的數據采集及處理，采用數字攝影測量、BIM生產、三維GIS、地籍房屋調查數據及三調地類的信息提取等相關技術。集成多源數據制作道路設計方案三維展示平臺，從而將設計方案展示從傳統二維平面圖件提升至三維實景展示層次，并能夠查詢分析多源數據信息。

（2）多源實景三維大場景環境下虛擬可視化技術。3DML是一個多分辨率且流式優化的3D網格圖層數據庫，在系統中實現三維建筑模型、BIM數據的加載和查詢的關鍵技術，且通過創建三維模型LOD技術方法，加快加載和發布三維模型的速度，并能夠增強三維瀏覽效果；3DML數據集是由統一的所有數據源的多分辨率網格切片、分類信息和相關的特征信息組成，能夠讓本地TerraExplorerviewer和遠程的TerraEx⁃plorer客戶端使用新的TerraGateSFS3DML數據服務得到訪問。

（3）立體化道路設計。研究了在三維場景中分析和優化設計道路BIM數據，并依據模版開發出圖功能，提供了三維輔助道路規劃設計決策技術功能。突破傳統設計策劃思維，實現三維地理信息與規劃設計相結合的跨界應用。該三維展示平臺首次融合二維數據、三維實景數據、道路BIM仿真模型及多種專題數據等，解決了二維設計圖件方案展示的局限性，展示效果更直觀，分析結果更可靠，可為業主部門的分析決策提供科學依據。

（4）多目標決策的線路方案優選決策。基于三調地類信息和地籍房屋調查成果數據，通過拓撲疊加分析，查詢統計分析落位在方案設計道路邊線外擴特定范圍內的地類信息和建筑物，參考當地已經制定的城鄉基準地價和安置補償費用辦法估算征遷費用，根據方案線路長度、征地面積、橋隧總長、征地拆遷費用、沿線土地利用現狀情況等影響因素制定多目標決策方案［7］，為優化道路路線方案的選型提供有力的技術支撐。

4結語

本文通過三維地理信息技術對實景三維、BIM、DOM、DEM、三調地類信息、地籍房屋調查數據庫信息及設計圖件等多源數據的整合，實現了城市道路設計中綜合決策的成功應用。基于道路設計的實景三維大場景平臺為方案線路長度、征地面積、橋隧總長等計算提供便捷服務；而實景三維大場景中的建筑物單體化及信息賦值，為城市道路征地拆遷費用估算提供可靠依據；道路設計沿線的土地利用現狀地類信息，為道路選線優化設計提供決策信息保障。文中成功搭建城市道路設計方案的多源實景三維大場景空間信息平臺，將傳統二維設計向三維空間設計轉變，有效提升設計方案的展示效果和提供可靠的分析依據，實現了測繪地理信息技術與城市道路設計的有機融合，探索出一種新的測繪地理信息服務模式，相關應用經驗可復制推廣至其他設計專業，如城市規劃、景觀設計及市政交通等領域。

作者：王商富 單位：福州市勘測院