基于BIM+GIS的城市道路工程管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)探究

文/林煜申

1 前言

作為城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)，城市道路系統(tǒng)是城市發(fā)展的動(dòng)力，其中還包括了社會(huì)活動(dòng)和社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。但是，城市道路管理經(jīng)常需要大量的數(shù)據(jù)和信息，傳統(tǒng)的信息收集方式無法滿足，也不利于系統(tǒng)化管理[1]。

2 基于BIM+GIS 的城市道路工程管理系統(tǒng)研究的意義

城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為迅速，使得城市建設(shè)的范圍也變得越來越廣泛，空間分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的道路工程管理系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，需要采用全新的方式開展工作。通過對(duì)基于BIM+GIS 的城市道路工程管理系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，它有助于規(guī)劃和管理城市道路設(shè)施，然后制作三維信息圖形模型，從而對(duì)城市道路進(jìn)行決策，使城市規(guī)劃和建設(shè)效率更高；其次，它能夠系統(tǒng)歸納道路管理部門管理城市中每條道路的檔案，以便于快捷地進(jìn)行道路維護(hù)工作；再次，它可以將城市道路交通管理系統(tǒng)與其他交通管理系統(tǒng)結(jié)合起來，及時(shí)發(fā)布城市所有道路的交通信息；最后，城市道路信息共享更有利于城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展[2]。

3 基于BIM+GIS 的城市道路工程管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)

基于BIM+GIS 的城市交道路工程管理系統(tǒng)，關(guān)于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)需要依據(jù)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。其中，GIS 系統(tǒng)主要是針對(duì)與地理相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息，收集和存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)和其他信息，并且按實(shí)體在電子地圖中表達(dá)這些信息。屬性數(shù)據(jù)主要是指道路和橋梁的屬性信息的描述，例如道路橋梁的里程樁號(hào)。此外，基于BIM+GIS 的道路工程管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有復(fù)雜的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的特點(diǎn)?；A(chǔ)地圖平臺(tái)的建立需要空間數(shù)據(jù)，城市道路管理系統(tǒng)的建立需要屬性數(shù)據(jù)，只有當(dāng)這兩種信息并存，我們才能夠構(gòu)建起B(yǎng)IM+GIS 的城市道路工程管理系統(tǒng)[3]。在這一個(gè)系統(tǒng)中，包含了諸多數(shù)據(jù)和信息，我們需要進(jìn)行綁定，使其能夠建立起動(dòng)態(tài)的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的對(duì)接。

3.2 系統(tǒng)的功能模塊

基于BIM+GIS 的城市道路工程管理系統(tǒng)的功能模塊主要具有下面幾個(gè)模塊：

3.2.1 系統(tǒng)管理技術(shù)模塊。該模塊主要用于登錄系統(tǒng)的用戶管理，并在一定程度上保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。在此模塊中，它包含權(quán)限管理功能，將用戶分為管理級(jí)別用戶和普通用戶，這樣一來不僅能夠起到杜絕數(shù)據(jù)被更改的作用，還大大提高了數(shù)據(jù)資料的安全性。

3.2.2 電子地圖模塊。該模塊的作用在于能夠替代紙質(zhì)地圖，將紙質(zhì)地圖中的所有信息直觀地呈現(xiàn)在電子地圖中。另外，它作為電子數(shù)字化的產(chǎn)品，還有著電子地圖所特有的功能，例如將地圖進(jìn)行任意放大和縮小、空間漫游等功能。

3.2.3 圖層管理模塊。該模塊的作用主要是管理各個(gè)三維信息模型，通過對(duì)圖層的管理，進(jìn)而起到新建、添加、刪除的作用。

3.2.4 實(shí)景編撰模塊。它的作用在于通過增添、編輯、查看實(shí)景影像模型對(duì)系統(tǒng)中的電子地圖信息進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

3.2.5 數(shù)據(jù)信息查詢模塊。該模塊主要搜索屬性數(shù)據(jù)的內(nèi)容，然后快速鎖定要搜索的目標(biāo)，通過數(shù)據(jù)和圖層之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系找到有用的原始信息。

3.2.6 路徑分析模塊?？梢愿玫貙?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最短路徑，找出電子地圖上任意兩個(gè)位置之間的最短距離。

4 基于BIM+GIS 的城市道路工程管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 空地聯(lián)合影像融合技術(shù)

空地聯(lián)合影像融合技術(shù)是基于BIM+GIS的城市道路工程管理系統(tǒng)中的底層關(guān)鍵技術(shù)。通過對(duì)空地?cái)?shù)據(jù)收集和特定算法處理,它可以生成直接反映真實(shí)的地面特征、建筑物紋理信息和準(zhǔn)確位置的3D 環(huán)境模型。

隨著當(dāng)前我國道路科學(xué)信息技術(shù)的不斷穩(wěn)步發(fā)展和進(jìn)步，我們在城市道路工程質(zhì)量管理信息系統(tǒng)中廣泛使用了傾斜攝影跟蹤技術(shù)，以此能夠快速獲取關(guān)于上海市的具體道路信息。與目前傳統(tǒng)的其他航空攝影成像技術(shù)相比,該成像技術(shù)不僅可以有效解決從垂直角度拍攝的照片問題，并且用戶可以在同一個(gè)的飛行拍攝平臺(tái)上構(gòu)建多個(gè)相機(jī)。同時(shí),還可以通過新的POS 曝光系統(tǒng)直接實(shí)時(shí)獲取每個(gè)物體曝光瞬間圖像的精確位置和數(shù)據(jù)。

另外，當(dāng)曝光結(jié)束時(shí),使用同步圖像基站的航拍GPS 數(shù)據(jù)觀測曝光數(shù)據(jù),并通過校準(zhǔn)角度計(jì)算方法獲得飛行偏心率角度分量和飛行偏心率夾角等信息；使用CORS 工作站直接獲取圖像控制點(diǎn)的平面位置，并借助圖像控制點(diǎn)對(duì)傾斜攝影圖像的平面位置進(jìn)行定位；結(jié)合平面位置和傾斜信息，使用3D 建模軟件對(duì)真實(shí)圖像進(jìn)行建模。但是，由于這些建筑物和其他建筑地面之間實(shí)體的高度以及圖像拍攝角度均有不同，地面和其他建筑物側(cè)面附近的一些數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)可能會(huì)發(fā)生丟失，并且這些細(xì)節(jié)無法清晰地被顯示，因此我們需要協(xié)助地面人員近距離進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以作補(bǔ)充[4]。該方法增加了圖像數(shù)據(jù)源，確保了圖像的完整性，并提高了模型的精度。

激光雷達(dá)是一種主動(dòng)遙感系統(tǒng)，可以快速、實(shí)時(shí)地收集三維表面信息。該項(xiàng)目使用激光雷達(dá)掃描技術(shù)來補(bǔ)充地面數(shù)據(jù)，采用多種激光對(duì)多個(gè)地球衛(wèi)星表面光線進(jìn)行密集式的采樣,有助于產(chǎn)生高測量精度數(shù)值。從目前的情況來看，它正逐漸取代一些傳統(tǒng)的影像測量處理技術(shù)(如影像攝影法和測量法)，成為一種具有較低成本和高效益的新測量技術(shù)。

激光雷達(dá)系統(tǒng)是一種不具有源頭的光學(xué)傳感器，當(dāng)它沿著特定的光線測量目標(biāo)路徑進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，它通常會(huì)向一個(gè)目標(biāo)物體發(fā)射一個(gè)激光束，并跟蹤分析從一個(gè)目標(biāo)位置反射的無線激光。這些激光接收器分別記錄了激光發(fā)射脈沖從開始離開系統(tǒng)到最后返回激光系統(tǒng)的精確持續(xù)時(shí)間，有助于計(jì)算激光傳感器與激光目標(biāo)之間的精確距離。激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析測量后，通過定量分析采集激光雷達(dá)時(shí)間移動(dòng)范圍，激光雷達(dá)掃描坐標(biāo)角度,將點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理為高標(biāo)準(zhǔn)精度坐標(biāo)。最后，使用新型激光雷達(dá)圖像掃描技術(shù)收集建筑物底部和側(cè)面的分析數(shù)據(jù)，并進(jìn)行制作后續(xù)真實(shí)模型建模所有必需的相關(guān)操作,以便于模擬傾斜攝影圖像的真實(shí)空間[5]。

4.2 基于BIM+GIS 的矢量驅(qū)動(dòng)建模技術(shù)

BIM 數(shù)字技術(shù)主要是指在制造建筑物、橋梁、道路、隧道等的整個(gè)生命周期，通過創(chuàng)建和管理維護(hù)有關(guān)建筑工程產(chǎn)品的各種數(shù)字信息，用來促進(jìn)其現(xiàn)代工程技術(shù)應(yīng)用的一種技術(shù)。BIM 工程模型通常需要包含營建工程的數(shù)字化工程組件以及其在整個(gè)建造和應(yīng)用生命周期中用于構(gòu)造工程對(duì)象系統(tǒng)所需的所有工程組件屬性相關(guān)信息。這些參數(shù)組件主要以一個(gè)參數(shù)向量化的組件形式進(jìn)行定義，并且我們可以根據(jù)用戶要求非常詳細(xì)明確的描述這些組件。

在我國建筑工程的生命周期中，其涉及的各方都應(yīng)該通過使用BIM 等技術(shù)直接進(jìn)行工程協(xié)同管理操作，提高工程溝通和協(xié)調(diào)的工作效率，縮短工程施工管理周期，并有效減少因施工錯(cuò)誤而造成的經(jīng)濟(jì)損失。另外，BIM+GIS技術(shù)是一種專門用于實(shí)時(shí)收集、存儲(chǔ)、管理、分析和控制顯示全球地理實(shí)體空間信息的應(yīng)用系統(tǒng)。它可以從微觀和宏觀上分析和收集管理整個(gè)國家地理區(qū)的空間信息；同時(shí)，它還具有強(qiáng)大的城市空間規(guī)劃綜合信息分析計(jì)算能力，通?？梢杂糜谠O(shè)計(jì)協(xié)助城市工程規(guī)劃和城市設(shè)計(jì)的各種城市管理信息分析[6]。

基于BIM+GIS 的矢量驅(qū)動(dòng)建模技術(shù)，以工程的平縱線型為矢量驅(qū)動(dòng)的主要依據(jù)，對(duì)工程里程的坐標(biāo)、標(biāo)高和車道數(shù)等相關(guān)信息進(jìn)行設(shè)置，通過算法實(shí)現(xiàn)BIM 工程模型大批量的快速建立，縮短建模時(shí)間，提高建模效率。

參數(shù)化建模是矢量驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，通過用參數(shù)、公式、表格、特征等驅(qū)動(dòng)圖形，以達(dá)到改變圖形的目的，通常有以下幾種方式：

4.2.1 該模型受系統(tǒng)參數(shù)和尺寸約束驅(qū)動(dòng)，通過修改設(shè)計(jì)者設(shè)置的特征參數(shù)進(jìn)行控制。

4.2.2 模型由用戶參數(shù)和公式驅(qū)動(dòng)，模型參數(shù)受用戶定義的參數(shù)和公式約束。

4.2.3 模型是由表數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，可以通過訪問記錄標(biāo)準(zhǔn)模型信息表來修改模型的大小和位置。

4.2.4 模型由規(guī)則和檢查控制功能驅(qū)動(dòng)。當(dāng)模型異常時(shí)，在某些條件下控制的一些參數(shù)、功能或事件的用戶定義指令將發(fā)出警告。

基于BIM+GIS 的矢量驅(qū)動(dòng)建模主要是通過提取工程平縱曲線圖線路中心線、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)xyz 坐標(biāo)信息等線路數(shù)據(jù)，進(jìn)而在程序中輸入線路數(shù)據(jù)和關(guān)鍵構(gòu)件參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化建立模型。

5 結(jié)語

綜上所述，本文探討了基于BIM+GIS 的城市道路工程系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方法路徑，可以發(fā)現(xiàn)在基于BIM+GIS 的城市道路工程系統(tǒng)開發(fā)的主要目的，是為了可視化分析道路管理的信息，進(jìn)而提高工作的效果和質(zhì)量。另外，它還能夠進(jìn)一步推動(dòng)城市化進(jìn)程，提高城市道路工程的管理效率，為城市的可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。