公路外業(yè)調查的數字化轉型—基于3D-GIS的外業(yè)調查系統(tǒng)

徐益飛,趙 飛，楊嘯宇,董建輝

(1.四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017；2.交通運輸部BIM技術應用行業(yè)研發(fā)中心，四川 成都 610017；3.成都大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

2019年7月，交通運輸部正式印發(fā)《數字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》，明確指出數字交通是數字經濟發(fā)展的重要領域，是以數據為關鍵要素和核心驅動，以促進物理和虛擬空間的交通運輸活動不斷融合、交互作用的現代交通運輸體系[1].

公路行業(yè)傳統(tǒng)的外業(yè)調查主要采用人工調查和手動記錄的方式，其在數據采集過程中，數據記錄、存儲和導出的數字化程度均不高，外業(yè)調查工作的具體準備資料詳見表1.從表1可以看出，傳統(tǒng)外業(yè)調查方式需要攜帶大量工具及資料等，借助信息化手段不足，調查效率低，調查質量不高.

表1 外業(yè)調查準備資料表

傳統(tǒng)外業(yè)調查主要包括野外調查和內業(yè)整理資料兩部分內容,具體如圖1所示[2-4].

圖1 外業(yè)調查工序流程圖

按照上述步驟開展外業(yè)工作，高速公路一天的外業(yè)調查任務以3 km為宜.項目組逐樁調查結束后，進行工地核對，申請外業(yè)驗收.其中，重大項目在外業(yè)期間須設置中間檢查.

1 研究現狀

1.1 歷史沿革

公路行業(yè)的設計階段中，外業(yè)調查工作十分重要，逐樁調查是采集數據的基礎，也是進行內業(yè)設計的關鍵一環(huán).隨著智能手機性能的升級，一些技術手段被逐步引入外業(yè)調查，如借用測繪、地災、水利等行業(yè)的一些軟件，使用移動端輔助開展記錄起、終點和重要工點的經緯度等工作[5].2015年，大部分公路設計院開始使用奧維互動地圖輔助外業(yè)調查，在桌面端和移動端具有進行定位、記錄軌跡、導入dxf數據等功能.從2015年至今，應用于公路工程外業(yè)調查領域的各種輔助調查軟件層出不窮，諸多戶外登山、野營類軟件的部分功能也被用于外業(yè)調查，例如“兩步路”用于戶外記錄軌跡和照片，“工程相機”用于施工單位制作影音資料添加水印.由于鮮有專門服務于公路行業(yè)外業(yè)調查工作的軟件，這類軟件的定位、拍照、錄入數據的功能就被用于外業(yè)調查工作中.但是,因為最初開發(fā)的目的不同，這類軟件并不能滿足外業(yè)調查的全部需要.

1.2 行業(yè)問題

對照交通運輸部印發(fā)的《數字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》和當前工作實際，公路行業(yè)外業(yè)調查還存在信息化程度不夠高，難以滿足數字交通要求等問題.對既有軟件的分析梳理發(fā)現，仍存在很大的改進空間，具體如下.

1)野外拍攝照片與樁號關聯(lián)性差.在公路設計中，局部路段路線方案往往會進行多次調線，外業(yè)調查照片與設計路線不匹配，成果導出難度較大.

2)針對項目組外業(yè)調查進度的監(jiān)管和重點難點路段技術方案的制定，部門負責人和公司總工辦往往通過電話詢問或視頻會議，或是在舉行中間檢查、外業(yè)驗收時到達現場進行指導，管理形式較為單一，溝通協(xié)作效果不佳.

3)調查人員對現場的認知，局限于二維地形圖，而地形圖的時效性和可視性相對不足.

4)無法精確定位中樁，導致調查人員花大量時間進行尋找.

5)不同專業(yè)的調查人員在野外的調查速度不一致，難以及時溝通、協(xié)商.

2 需求分析

本團隊針對所有生產部門進行了外業(yè)調查的需求調研，采用調查問卷的形式，調查內容包括：外業(yè)調查(野外)工作中亟待解決的問題，外業(yè)調查(內業(yè))工作中最亟待解決的問題，目前正在使用的外業(yè)輔助軟件，本系統(tǒng)對外業(yè)工作效率的影響等內容.

收集到了來自13個專業(yè)的130份有效問卷，其中，認為本系統(tǒng)將提高外業(yè)工作效率的問卷占94.62%，表示愿意使用本系統(tǒng)約占83.08%.

定位中樁和快速查看橫斷面是外業(yè)調查(野外)工作亟待解決的問題,具體如圖2所示.

圖2 需求功能問卷調查結果統(tǒng)計圖

外業(yè)調查資料快速整理(調查圖片編號、整理)是外業(yè)調查(內業(yè))工作最亟待解決的問題，具體如圖3所示.從圖中看出，對外業(yè)資料的快捷整理需求最大，超過50%.

圖3 優(yōu)先實現功能問卷調查結果統(tǒng)計圖

另外，提供協(xié)同工作，加強技術溝通，進一步提高外業(yè)調查質量是急需完成的工作.

3 數字化轉型發(fā)展方向

3.1 解決方案

需求調研收集到的問題具有普遍性的特點，也是開展數字化轉型的發(fā)展方向，結合行業(yè)問題，采用3D-GIS技術，外業(yè)調查系統(tǒng)將實現以下功能.

1)將調查數據(照片、視頻或語音錄入)與樁號關聯(lián)，相關信息存儲于文件名，調線后數據也將與最新路線樁號進行關聯(lián)，無需反復修改，采集數據可以直接導出.

2)系統(tǒng)提供桌面端、網頁端和移動端，設置在線協(xié)同辦公(IM)功能，結合“標記點”的共享功能，加強與各層級負責人和總工的聯(lián)系，實現“現場辦公”以及時解決技術問題，推動協(xié)同工作.

3)采用DEM數字高程模型、DOM數字正射影像和Las點云數據，快速建立高精度的三維地形，并將路線數據加載到地形.

4)基于GIS技術，調查人員在野外可以精確定位中樁，節(jié)省比對地面物體的時間；快速查看橫斷面，避免野外調查期間攜帶大量圖紙；將前面負責布設中樁測量人員的移動軌跡，上傳至服務器共享給后面進行調查的人員，節(jié)省地形復雜項目中相關人員進出調查區(qū)域的時間.

5)在不改變調查人員工作習慣的前提下，可共享項目組采集的所有數據，加上“標記點”的提醒功能，促進各專業(yè)間溝通.

3.2 基于3D-GIS的外業(yè)調查系統(tǒng)架構

本系統(tǒng)采用B/S和C/S混合架構設計,從上至下分為4層：應用層、中間件層、服務層、數據層[6].

其中，應用層屬于客戶端的位置，后3層屬于服務端的位置，其系統(tǒng)架構如圖4所示.

圖4 基于3D-GIS的外業(yè)調查系統(tǒng)架構示意圖

應用層是整個系統(tǒng)的核心部分，該層建立在中心庫數據的標準存儲數據、模型之上，此層的數據結構完全按照業(yè)務應用需求來設計，根據公路工程外業(yè)調查的層級和模式，實現公路工程外業(yè)調查的信息化應用計算和管理，通過信息化系統(tǒng)構建公路工程外業(yè)調查的協(xié)同化、自動化、數字化服務系統(tǒng)，最終提高外業(yè)調查質量、降低成本.

中間件層提供通信支持、應用支持.中間件為其所支持的應用軟件提供平臺化的運行環(huán)境，該環(huán)境屏蔽底層通信之間的接口差異，實現互操作.為上層應用開發(fā)提供統(tǒng)一的平臺和運行環(huán)境，并封裝不同操作系統(tǒng)提供API接口，向應用提供統(tǒng)一的標準接口，使應用的開發(fā)和運行與操作系統(tǒng)無關，實現其獨立性.

服務層基于云原生服務架構，以架構的四大設計原則為標準，建立可復用的統(tǒng)一結構化服務平臺，建立統(tǒng)一的BIM模型標準、GIS標準、數據標準、工作流標準以及服務標準，實現服務的高效擴展以及自由組合.

數據層是業(yè)務運行的基礎，包括靜態(tài)數據和動態(tài)業(yè)務數據兩部分，其中，靜態(tài)數據包括規(guī)劃數據、設計數據、建設數據、GIS數據以及系統(tǒng)配置相關數據等,動態(tài)數據包括標記點數據、調查數據、現場快照數據等.

3.3 外業(yè)調查系統(tǒng)數字化設計體系組成

基于3D-GIS的外業(yè)調查系統(tǒng)具體包括三維地形、定位中樁、快速查看橫斷面、軌跡記錄、標記點、數據關聯(lián)、成果導出以及工作協(xié)同等功能.其中，數據關聯(lián)和成果導出是本系統(tǒng)的最大亮點，將大大提高外業(yè)工作效率，解決公路行業(yè)由來已久的內業(yè)、外業(yè)工作脫節(jié)的問題，也是數字化轉型的重要基礎.

3.3.1 數據關聯(lián)與成果導出

通過設計路線、路線文件管理解析、GIS技術、GPS定位等多種技術集成，在新增調查信息時，系統(tǒng)自動補全多種數據信息，包括定位對應樁號、與中線距離及左右側信息、位置所在行政歸屬信息等，有效地提高外業(yè)調查工作效率.

數據采集時，在傳統(tǒng)表單填寫的基礎上，還可采用多種多媒體形式進行信息記錄，包括照片及照片編輯(如水印、涂鴉、裁剪)、視頻、語音、繪畫板等，極大地豐富了外業(yè)調查人員的記錄方式.除此以外，用戶可在地圖上繪制點、線、面等圖形，更加直觀地展示各類數據，如圖5所示為快速拍照數據采集界面，用戶直接拍照即可，柱號、偏移距離、位置等信息系統(tǒng)均可自動計算，提高了外業(yè)數據采集的效率.

圖5 快照移動端采集界面圖

公路項目具有典型的帶狀特征，其路線布設受生態(tài)紅線、重大桿管線、地面重大構筑物、不良地質和特殊土等邊界條件影響較大，因此，隨著路線方案的調整，公路外業(yè)調查工作也會產生較大變動.

以某山區(qū)高速公路為例，最終確定的路線方案全長為36 km，共有9處斷鏈，這就意味著外業(yè)調查也存在多個路線方案的過程版本.在外業(yè)調查和內業(yè)設計的銜接過程中，數據采集時對應的樁號與最終開放內業(yè)設計的樁號往往不一致，設計人員不得不投入大量精力整理數據.

通常，設計人員通過手工或半手工的方式完成多次外業(yè)調查數據的整理.首先，開展路線方案版本管理，這一工作主要由路線專業(yè)人員負責，其他專業(yè)人員則是根據野外記錄中外業(yè)調查的時間查找對應路線方案的過程版本.其次，路線專業(yè)人員給出過程版本和最終版本的對應關系，項目組成員由此推算出采集數據的對應樁.最后，填寫野外記錄本，將外業(yè)成果導出，作為內業(yè)設計的依據.這一過程難以保證調查數據的精確性，將直接影響內業(yè)設計的質量.

實際上，采集數據和對應路線方案的關聯(lián)一直以來都是外業(yè)調查工作中的難點，其使成果導出的準確性難以保證.鑒于此，外業(yè)調查系統(tǒng)在采集數據庫和路線方案庫的基礎上，建立二者關聯(lián)關系整理系統(tǒng)，聯(lián)動更新調查數據以確保成果導出的準確性.具體流程如圖6所示.

圖6 數字化采集數據流程圖

將新增調查數據以經緯度坐標作為位置唯一標識，記錄上傳時所關聯(lián)路基及路線版本作為原始數據.通過設置調查數據的關聯(lián)路線版本并自動計算新的位置信息，使路線處于持續(xù)的更新過程中，歷史調查數據能夠被篩選繼承到最新到路線版本中，達到數據整理的目的，便于最終成果的導出.

通過外業(yè)調查系統(tǒng)的數據關聯(lián)可以及時更新調查數據，直接減少了人工整理的環(huán)節(jié)，確保了外業(yè)調查數據的準確性和數據導出的高效性.

另一方面，統(tǒng)一的數據采集模板進一步提高了外業(yè)調查的規(guī)范性.在內業(yè)設計時，設計人員常常需要翻看記錄本、影音資料和原始調查記錄，由于紙質文件不易保存、無法實時查詢和記錄內容不規(guī)范等原因，導致資料查找費時費力.本系統(tǒng)通過實時輸入調查數據，將所有采集數據與路線關聯(lián)，支持按樁號查詢、分類統(tǒng)計，并且對數據記錄的格式進行了規(guī)范，保證了采集數據的規(guī)范性和有效性.

3.3.2 跨專業(yè)工作協(xié)同

按照《公路工程基本建設項目設計文件編制辦法》的要求，內業(yè)設計的提交成果一般可以分為14個專業(yè)：總體、路線、路基、橋梁和涵洞、隧道、路線交叉、交通工程及沿線設施、環(huán)境保護與景觀設計、其他工程、筑路材料、施工組織設計(初設為施工方案)、設計預算(初設為概算)和地質勘察[6].外業(yè)調查工作開展時，除了概預算專業(yè)，其余專業(yè)均需要安排人員進行調查，項目組各專業(yè)間的溝通協(xié)調直接影響調查成果乃至設計文件的質量.在外業(yè)調查中，跨專業(yè)溝通討論具有非常重要的作用，尤其是在互通三角區(qū)排水涵設置點位、分離式交叉點位布設、“三改”(改路、改溝和改河)等路段方案的合理性、可行性分析論證中，有效地溝通協(xié)作有助于減少內業(yè)設計時對外業(yè)方案的調整，從而提升設計效率.在外業(yè)調查中提供協(xié)同IM功能，可以實現項目組內部的信息共享，開展協(xié)同調查，提高調查效率與質量.

當前內業(yè)設計中不同專業(yè)之間的溝通協(xié)作并不便捷.例如，重難點路段的技術方案通常由項目組初步擬定后，組織項目部門技術負責人、總工辦或審查專家進行方案會審，依托電話、中間檢查、外業(yè)驗收及方案會審會議等方式的溝通一般具有滯后性，極易造成工期延后.

對此，外業(yè)調查系統(tǒng)支持在線協(xié)同辦公，確保各專業(yè)在信息對稱的前提下，進行充分的溝通討論，開展協(xié)同工作.具體而言，外業(yè)系統(tǒng)同時支持桌面端、網頁端和移動端三端協(xié)同工作.以項目組為單位，根據工作人員角色分配不同權限，結合移動端IM的即時消息功能，項目組成員可以實現同步或異步協(xié)同工作.

同一項目組的成員，不僅可以訪問使用項目的業(yè)務數據(包括調查數據、快照、標記點、軌跡、設計資料等)，而且能夠發(fā)送給項目同伴直接查看，提高溝通及工作效率，具體如圖7所示.

圖7 移動端資料共享圖

3.3.3 三維地形

外業(yè)調查和內業(yè)設計中使用的二維地圖，因可視化程度不高，使得設計人員難以從整體上把握路線設計方案.數字化的外業(yè)調查系統(tǒng)利用DEM數字高程模型、DOM數字正射影像和Las點云數據[7]，快速建立高精度的三維地形.調查和設計人員可通過移動端、桌面端或網頁端，查看加載于三維地形上的線路總體設計效果,如圖8所示，在此基礎上進行方案優(yōu)化調整.

圖8 路線數據加載至三維地形圖(桌面端)

3.3.4 定位中樁、快速查看橫斷面和軌跡記錄

基于3D-GIS的外業(yè)調查系統(tǒng)，可以幫助調查人員在野外工作時，使用移動端快速定位中樁、查看橫斷面等，具體如圖9所示.

圖9 移動端橫斷面顯示圖

此外，該系統(tǒng)還可以繪制用戶外業(yè)調查過程中的移動軌跡路線，這一數據上傳服務器后可作為項目數據資產進行二次挖掘利用[8].例如，用戶通過軌跡數據分享，將自己的調查過程路線分享給項目組成員，項目組成員將需要的軌跡路線加載到手機上顯示，進而選擇該路線行進，在地形復雜路段將有效提高工作效率.

3.3.5 標記點

在外業(yè)調查系統(tǒng)中，調查人員可以通過網頁端或移動端增加標記點，并在帶有位置信息的標記點上傳相關影音資料文件.使用標記點的提醒功能，關注該標記點的用戶可以在設置的距離范圍內獲得消息提示.在外業(yè)復雜的工作場景下，這一功能有助于調查人員及時跟進標記點的現場情況，成為跨專業(yè)溝通及工作提示的重要載體，如圖10所示.

圖10 移動端標記點顯示界面圖

3.4 實際應用

自2019年3月德會高速項目采用外業(yè)調查系統(tǒng)開展外業(yè)工作以來，該系統(tǒng)在四川省交通勘察設計研究院有限公司得到廣泛應用.截至2021年3月，該系統(tǒng)累計采集數據3 000余次，其中采集照片4 000余張，影音、軌跡和路線等文件3 000余個，覆蓋公路項目的工可、初設和施設等各個階段，涉及高速公路、國省干道和市政道路等.該系統(tǒng)有效地解決了具有普遍性的行業(yè)難點，有效提升了外業(yè)調查的工作效率.此外，通過進一步規(guī)范調查工作流程，加快了公路行業(yè)外業(yè)調查工作的數字化轉型.

4 結 論

公路行業(yè)作為傳統(tǒng)基礎設施建設行業(yè)，目前數字化程度并不高.外業(yè)調查作為公路勘察設計數據采集的第一步，提高其數字化程度具有現實意義.

在大力推動數字化轉型的時代背景下，本研究首先對既有的外業(yè)調查現狀進行梳理，結合需求調研分析，厘清公路行業(yè)在外業(yè)調查領域的難點和穩(wěn)待解決的問題，借助于3D-GIS等技術，設計開發(fā)了外業(yè)調查系統(tǒng)，并通過實際驗證.從數據關聯(lián)和成果導出、三維地形、定位中樁、快速查看橫斷面、軌跡記錄、標記點和工作協(xié)同等幾個方面進行了數字化改進.尤其是數據關聯(lián)和成果導出的數字化改進，解決了長期以來內業(yè)和外業(yè)工作脫節(jié)、外業(yè)工作未能很好地服務于內業(yè)設計的問題.

在采集數據的記錄、存儲和導出工序中充分融合了智慧交通、數字交通的理念，大幅度地提高外業(yè)調查工作效率.外業(yè)調查系統(tǒng)在行業(yè)內的廣泛使用，將有效地實現公路行業(yè)外業(yè)調查工作的數字化轉型.