《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《综合无人机、 GIS、 BIM 技术的道路设计技术》

1. 项目名称: 综合无人机、 GIS、 BIM 技术的道路设计技术

2. 完成单位: 中交公路规划设计院有限公司、江苏狄诺尼信息技术有限责任公司、 南京大学

3. 主要完成人: 林国涛、 孙增奎、 张越峰、曾邵武、 王晨涛、 李智武、 肖斌、 马鑫程、 胡修棉、 杨学良、 李腾飞、 申波、 景旭、 井源、 张强

　　(一)项目背景

　　目前传统道路工程二维设计手段效率低,相关科学技术如无人机倾斜摄影、GIS、BIM与道路工程设计的具体特点匹配性较差,未形成基于道路工程BIM正向设计理念和技术特点,较为系统全面支持三维地形和地质建模等多源数据融合的技术手段。本课题以多源数据融合为中心,通过自主研发的专有数据接口、高精测绘数据匹配及线状三维地质模型算法改进,开发基于道路设计软件平台,实现了道路三维设计环境中地上倾斜摄影测量数据、激光点云、地下三维地质模型数据融合,实现全信息模型下的道路工程BIM正向智能化设计。

　　(二)技术概况

　　课题成果在新技术整合、生产效率提高、突破国际BIM基础设计平台壁垒等方面走在了行业的前端,对整个道路勘察设计行业起到显著的引领和推动作用。应用本研究成果,设计效率上提高几倍甚至几十倍,越是复杂的项目,效率越突出,课题成果在十余家设计单位的100多个勘察设计项目进行了使用,平均每年在设计阶段直接增加利润超2000万元。

　　(三)适用范围

　　公路、城市道路等专业领域的勘察设计等。

　　(四)获奖情况

　　中国交通运输协会科学技术进步二等奖、北京公路学会科技进步二等奖、中交集团创新金奖、中交公路规划设计院有限公司“科技创新突破团队冶称号。

　　1.融合倾斜摄影、激光点云、GIS、BIM多专业、多学科、多源数据的道路设计新技术

　　基于道路工程所具有的呈带状展布、涉及学科多、数据冗余量大等特点,以数据协同为中心,研发了适用于不同格式的多源数据接口程序包,创新地融合了地上倾斜摄影测量数据、激光点云、地下三维地质等多源数据,建立了全信息模型,应用到独立开发的国内道路设计基础平台中,创新地实现多源数据基础上的道路BIM正向设计。

　　2.三维激光扫描和无人机倾斜摄影高质量精准无损融合新技术

　　通过多尺度柱状邻域IPTD滤波算法分离地面与地物特征,研究出可智能快速分配权重和提取地表附着物主方向骨架线、提取特征点的改进型Douglas_Peucker新方法。实现了激光点云与无人机影像数据的高质量精准无损融合,彻底解决了目前普遍存在的三维模型精度低、影像质量差的技术难题。

　　3.多参数置信权重分层三角网的地质建模新方法

　　为解决道路工程为带状分布、地质模型需具备整合勘察钻孔、地质调绘、地层构造、岩土参数能力的特点,通过全面、深入调研国内外各行业地质建模的技术和适用性,在借鉴的基础上,创新性地提出了运用多参数置信权重分层三角网的地质模型建模新方法,较好地解决了包括山区地质复杂的道路工程地质建模难题。并进一步自主研发出了在道路与地质BIM融合的模型中,通过自动提取地层物理力学参数,实现了桥梁基础、路基防护、隧道衬砌支护设计软件系统。

　　4.以全信息BIM模型中的数据为驱动,开发了路基、路面智能设计系统

　　在融合了地形、地表附着物属性、地层岩土参数的道路BIM模型中,通过独立自主研发的路基、路面智能设计系统,在三维交互和可视化的环境中,道路模型完成的同时,可自动即时输出涵盖路基、路面全专业的设计图表和工程量计算、清单编制等成果。经全面调研、论文检索和查新,该设计系统填补了国内、国外空白,开发的软件系统具备原创性、领先性。

　　(一)倾斜摄影与激光点云的数据融合

　　倾斜摄影技术是国际测绘领域近年发展起来的一项新技术,它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限,通过在同一飞行平台上搭载一个垂直、多个倾斜设备等从不同角度采集影像,能够自动建立环境场景的三维模型,真实感强。但是,由于倾斜影像的局部几何变形大、网平差控制点稀疏、地表附着物形状突变区域存在视野盲区等问题,使得倾斜影像成果精度难以直接应用于道路工程设计。激光点云与无人机摄影测量融合技术的研究,旨在解决数据融合过程中点云滤波参数简化、高精度多元特征提取、激光点云与无人机倾斜影像的稳健配准与融合等主要技术问题,提升模型坐标精度与图像质量,形成了一套完整、高效、实用的多源数据融合处理流程。

　　1.基于多尺度柱状邻域的IPTD点云滤波算法

　　目前大部分点云滤波算法需要调节多个参数以适应不同场景的点云数据,对用户的操作经验有一定要求。研究提出一种基于多尺度柱状邻域的IPTD滤波算法,对于三维激光点云与无人机倾斜摄影点云数据,首先利用基于密度的粗差点检测算法识别与剔除粗差点,然后通过线性减小的柱状邻域渐进搜索并加密地面种子点,从而实现地面点与非地面点的分离。

　　2.典型地表附着物多元结构特征

　　提取具有典型特征的地表附着物(如楼房、桥梁、独立山体等)具有丰富明显的点、线、面等结构特征。然而,由于点云是离散不规则的采样数据,使得这些特征的精度往往受点间距、点云粗糙度的影响。为解决上述问题,研究提出一种顾及权重和典型特征地表附着物主方向的骨架线提取方法,从而改善点云粗糙度对轮廓线提取的影响;再对骨架线利用改进的Douglas_Peucker算法分别提取无人机与激光点云特征点,为模型配准提供高精度的特征点。

　　通过国际摄影测量与遥感学会公开的数据对提出算法的性能进行定量评估,结果表明:该算法相比较流行的分类强制正交算法最大偏差平均减小了43.1%,均方根误差平均降低了39.7%,建筑物占地面积相对误差平均降低了7.02%,点云贡献率平均提高了9.32%。

　　3.基于不确定度激光点云与无人机影像数据的配准与融合

　　针对传统无人机倾斜测量模型存在的问题,研究提出一种基于不确定度激光点云与无人机影像数据的配准及融合算法,首先利用RANSAC算法获取稳健的同名角点特征,然后基于两者的不确定度信息进行ICP配准,通过激光点云与无人机影像数据进行联合建模,实现激光点云与无人机摄影测量影像数据融合。利用上述算法,通过对某场地激光点云与无人机影像数据实际融合效果的分析。融合点云倾斜模型误差X方向中误差为0.04m,Y方向中误差为0.05m,Z方向中误差为0.06m,平面中误差0.06m。平面精度提升14%,高程精度提升18.9%。

　　4.数据成果应用

　　在道路工程设计中,数据融合的成果可通过三维可视化方式真实还原工程环境。经过预处理后导出为DEM/DTM/TIN,可以直接应用于道路选线和纵横断面剖切,能够满足设计精度的要求,且测设效率远高于传统测量手段。

　　(二)三维地质信息建模技术

　　1.三维地质信息建模技术原理

　　经典地质建模技术及算法的适用场景是在研究地域范围内,相对密集地通过钻孔地采集质资料,在一个近似凸多边形的范围内获得较多的钻孔点位。但是,对于道路工程这样的带状空间线性工程来说,通常钻孔点间距较大,密度稀疏。使用经典算法难以得到满意的结果,也不能与数字地面模型相匹配。因此研究提出一种融合数字地面高程模型,按稀疏钻孔插值密度采样的地质模型构网的新方法,即“多参数置信权重分层三角网法冶。初次建模时按原始钻孔数据得到不同阶次的分层拟合曲面,不同层次曲面的空间拟合参数不同,层次较深的拟合曲面偏于平滑,即采用二次方抛物线拟合插值;反之曲面采用高次抛物线拟合插值。从地形网格中分别取出各点,对多参数置信权重分层拟合曲面进行求交运算,表层地质曲面低于地形时,补足缺失的高度;地质曲面高于地形曲面时,剪切超出部分。采用有限分布的钻孔数据来衡量地质特征的重要性,并将其应用于相似度插值计算中以获取更加准确的计算结果。三维地质信息模型的建立过程,简言之,以地质调绘平面图和离散点的钻孔资料为基础,基于对一个离散化的自然模型建立相互联系的地下空间三维网格体;利用空间狄洛尼三角化将离散钻孔数据转化为空间线性的三角棱柱体;再应用Bezier混合曲面进行解译拟合三维结构面。

　　2.地质信息建模(智绘地质)软件

　　实现三维地质地形信息模型软件包括:数据导入、钻孔数据预处理、标准层划分、地层插值与叠加分析、地质信息管理、体模型建立、空间模型显示、剖切与虚拟钻孔等功能模块。软件对大量的地质数据进行预处理,根据钻孔的分布规律和分布密度,以及每个钻孔的地质分层信息,确定出研究区的地层分布,并按照土层性质划分地层,生成地层层面。由于在建模过程中的各个地层界面都是独立进行处理的,经过插值拟合的地层可能会因尖灭或缺失而出现层面相交的现象,需要进行地层层面的相交处理。在地质建模软件中通过布尔运算方法进行地层层面的相交运算处理。然后,通过软件实现TIN挤压方法,直接实现地层单元三维显示及模型切剖,最后,在图形显示模块中进行三维观察和显示。

　　(三)地质信息模型在道路BIM设计中的应用

　　基于前述倾斜摄影与激光点云技术结合形成的三维地表高精度影像模型,融合地下地质体模型的三维空间信息融合体,其目的是为道路工程设计提供丰富、全面的基础数据,即在道路设计中能够实时提取地形和地质信息。

　　(四)同步研发两款道路BIM设计软件

　　基于综合无人机、GIS、BIM技术,自主研发了“智绘路基1.0冶“智绘地质1.0冶两款软件。“智绘路基1.0冶软件通过路线平面、纵断面、横断面设计数据建立道路信息模型,与GIS数据融合计算分析,精准提取道路三维实体模型数据,按照预设的设计控制和过滤条件,自动绘制设计图和工程量计算,实现路基工程的自动化设计。“智绘地质1.0“软件实现了道路BIM与地质BIM模型的无损融合,通过自动提取地层物理力学参数,实现了桥梁基础、路基防护、隧道衬砌支护的智能设计。

　　本课题提出了综合运用无人机倾斜摄影和激光点云技术的快速建模和数据平差方法;GIS和地勘资料建模的理论及其软件实现途径;快速生成三维地理、地质信息融合体,并利用BIM设计技术研发了道路辅助设计软件。

　　综合应用新兴测设技术手段和BIM设计理念,可以打破传统的各专业信息孤岛、各阶段设计衔接难、设计不精确等瓶颈问题,实现道路设计的协同化、一体化管理,从而实现三维集成协同设计,促进我国道路设计技术手段水平的提升。