公路勘察设计多源数据融合方法研究

张 涛，郭长顺，相诗尧，赵庆涛，姚守峰

（山东省交通规划设计院集团有限公司 全寿命周期BIM技术应用研发中心，山东 济南 250031）

引言

在公路多源异构数据融合研究中，如何利用现有数据之间的位置关系，搭建数据交互操作桥梁，挂接和关联多源数据属性信息，是目前亟待解决的难题。多源异构数据融合技术研究取得了一些进展，王浩坤[1]提出兼顾固定采集与移动采集的数据融合方法，基于历史数据与实时数据进行交通流预测方法。胡永利等[2]通过研究多源异构数据的处理、特征表示和数据融合方法，通过挖掘多源异构数据内在的关联性，实现多源异构数据价值信息的有效利用。王浩淼[3]基于手机切换点提供交通状态数据的支持下，利用BP神经网络数据融合方法估计行程时间，并以行程时间估计误差为约束反推研究固定检测器布设方法。

多源数据融合算法特征：（1）缺乏平台集成的尝试；（2）致力于解决单一问题；（3）算法复杂，难以实现。针对算法特征提出的公路设计阶段多源数据融合方法，通过三维模型单体化技术与多源数据属性信息挂接，实现公路多源数据的查询、统计、空间分析和三维可视化等应用，允许在多种网络终端下以网址形式快速访问，提高多源数据融合的精确性和有效性。

1 技术流程

公路设计阶段多源数据融合方法的技术流程见图1。

图1 技术流程

（1）获取倾斜模型、BIM模型、多媒体数据、属性数据和GIS数据。（2）模型数据和GIS数据生成切片缓存，多媒体数据压缩为流数据，属性数据建立数据库，然后发布到服务器上。（3）基于WebGL实现数据访问、数据高效加载、属性信息查询统计分析等服务，实现公路多源数据融合。（4）在网络环境各种终端通过一个网址就可以快速访问公路多源数据管理平台，实时掌握项目各阶段进度等信息。

2 关键技术

2.1 公路设计阶段多源数据获取

倾斜摄影实景三维模型不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维实景模型[4]，可用于大场景下的三维空间分析。图2技术方案可以获得精细化的倾斜摄影实景三维模型。

图2 实景三维模型获取

（1）由于行业视频监控需求，监控视频数据需要存储在云存储设备上，可实时掌握项目现场情况，通过在Web端调用云存储设备的API接口接入视频数据，从而实现监控视频的Web端实时浏览。音频数据通过录音等方式获得。监控视频和音频文件是配套使用的，后期在Web端将集成使用。（2）通过商业BIM建模软件，录入公路构造物尺寸信息，调用其构造物族库，从而生成公路构造物BIM模型，包括rvt和IFC等格式。（3）GIS数据通过网络下载或有关部门获得，包括建筑物轮廓数据、生态红线和基本农田等数据。（4）三维模型构造物属性存储在属性表中。

2.2 多源数据预处理

倾斜模型由航测影像自动生成，三维格网精细而复杂，导致倾斜模型数据量非常大，给数据转换、加载和应用带来严峻考验[5]。倾斜模型动态矢量面化是将矢量面模型与倾斜摄影模型同时加载到同一场景中，在渲染模型数据时把矢量面贴到倾斜模型对象表面，然后设置矢量面的颜色和透明度，从而实现可以单独选中地物的效果[6]。以倾斜模型的构造物为对象，获取构造物带高程的矢量面模型，将矢量面模型生成S3M三维切片缓存，用于WebGL客户端使用。

（1）BIM模型构件多，三角网复杂，数据量往往很大，给数据Web端加载和渲染带来困难。为了顾及加载和显示，先对BIM模型进行数据化简，删除多余的节点和三角网[7]。然后对BIM模型进行压缩处理，生成多级的三维切片缓存。（2）音视频数据需要对原始数据进行压缩，以视频流和音频流的方式加载。（3）GIS数据多为shpfile文件，可直接生成为切片缓存文件。（4）属性信息以属性表的形式存储到数据库，方便后期调用。

2.3 多源数据融合

（1）需要配置开发环境，下载SuperMap iClient3D for WebGL产品包，解压到工作目录，该文件下提供了三维GIS网页端开发的API接口和Cesium.js及所有需要的依赖文件，同时，在Tomcat环境下发布倾斜模型、矢量面模型与公路多源数据S3M三维切片缓存到服务器。（2）准备HTML页面和引用，访问服务器加载倾斜模型和矢量面模型。公路多源数据根据其格式选择对应的数据访问接口调用数据并实现三维可视化，其中监控视频数据通过调用云存储设备的API访问接口，实时接入视频流数据，搭配音频文件使用；BIM模型通过addS3MtilesLayerByScp接口访问数据。（3）完成矢量面模型与公路设计多源数据的信息挂接和关联，通过鼠标点击矢量面模型，实现公路多源数据信息显示并进行查询、统计、分析等操作，见图3。监控视频和音频实时显示和介绍项目现场情况；BIM模型显示建筑物属性、楼层名等属性等。

用户在网络环境下任意终端包括台式机、笔记本和手机等设备，输入网址通过鼠标点击倾斜模型中的矢量面模型对象，即可实现对公路多源数据信息的全面掌握。

3 试验与分析

在B/S模式下，基于项目管理平台开发实现公路设计多源数据融合模块，成为项目管理的重要手段，并在多个公路设计项目得到成功应用。

3.1 三维模型与多媒体数据融合

利用某公路施工工地及其周边的倾斜摄影实景三维模型开展试验，经过精度验证，平面中误差与高程中误差均＜5 cm。图4为通过本方法实现的倾斜模型与多媒体数据融合效果，实现实验室实时安全监督，通过鼠标点击事件可选中对象，并播放其挂接的音视频信息。

图4 倾斜模型与音视频融合

3.2 三维模型与属性数据融合

三维模型包括倾斜模型和BIM模型。图5为Web端倾斜模型与属性数据融合应用，通过点选查看矢量面对象属性信息，包括小区名称、楼号、单元号、房屋号、户主名和建筑面积等，可以应用于公路改扩建中的征拆管理，防止征拆纠纷的发生。图6为BIM模型与属性模型融合应用，通过鼠标单击查看变合站ID、位置、占地面积等属性信息，可应用于方案展示和项目管理，满足项目管理对BIM语义属性信息的精细化需求。

图5 倾斜模型与属性数据融合

图6 BIM模型与属性数据融合

3.3 三维模型与GIS矢量数据融合

研究中GIS矢量数据包括AutoCAD道路设计线位和GIS数据。以服务区选址作为三维模型与GIS矢量数据融合的应用实例，服务区选址需要与周边环境相适应[8]，汽车噪声对周围居民区的影响不可忽视，以服务区单体化模型为中心进行噪声的缓冲区分析，检查噪声污染范围，为服务区选址提供辅助决策。

图7紫色多边形是从CAD设计线中提取服务区矢量轮廓，黄色多边形是从GIS数据中提取周边居民建筑矢量轮廓，以服务区矢量面中心进行噪声缓冲区分析，通过分析可得机动车噪声对居民区的影响在可接受范围。

图7 三维模型与GIS数据融合应用

3.4 三维可视化性能监测

由于高速公路线状倾斜模型和BIM模型数据量巨大，在多源数据融合应用过程中，需要统计场景的帧率变化情况以监测模型数据加载显示效率，见图8，帧率保持在40 Hz以上，浏览效果良好。

图8 Web端三维模型加载帧率变化曲线

4 结语

针对公路设计阶段多源异构数据融合应用难的问题，提出以三维模型单体化技术作为公路多源数据融合的载体，实现公路多源数据位置和语义的精确集成，并成功应用于公路勘察设计中的智慧工地建设、工程征拆统计和服务区选址等方面。与传统C/S桌面端方法相比，本研究开发的公路多源数据管理平台能够在网络环境各种终端下快速访问，及时掌握项目现场进度，有效提高项目管理质量，为智慧公路建设提供技术支撑。