面向交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)探討

王 強(qiáng)

(中鐵長(zhǎng)江交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，重慶 401121)

引言

改革開(kāi)放特別是黨的十八大以來(lái)，我國(guó)交通運(yùn)輸發(fā)展取得了舉世矚目的成就，正由“交通大國(guó)”向“交通強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)，推進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化也上升為國(guó)家戰(zhàn)略。2021年2月24日，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，其中進(jìn)一步明確：提升智慧發(fā)展水平，加快提升交通運(yùn)輸科技創(chuàng)新能力，推進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化； 加快既有設(shè)施智能化，利用新技術(shù)賦能交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展，加強(qiáng)既有交通基礎(chǔ)設(shè)施提質(zhì)升級(jí)，提高設(shè)施利用效率和服務(wù)水平[1]。由此可見(jiàn)，交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化既是加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)，構(gòu)建現(xiàn)代化高質(zhì)量國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)的有力支撐，又是智能交通、數(shù)字孿生和無(wú)人駕駛等諸多領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。然而，目前交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化率并不高，暫無(wú)相關(guān)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)其數(shù)字化的范圍和深度做出具體規(guī)定[2]，缺少對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化技術(shù)方法的系統(tǒng)歸納總結(jié)。

本文基于交通行業(yè)工作實(shí)踐，從技術(shù)研究和工程應(yīng)用角度對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化的常用方法進(jìn)行研究，探討了實(shí)施交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)，并具體介紹其技術(shù)路線和特點(diǎn)，旨在為如何將交通基礎(chǔ)設(shè)施由物理實(shí)體轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字資產(chǎn)提供借鑒。

1 交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化概述

數(shù)字化是信息化和智能化的基礎(chǔ)。工程的數(shù)字化表達(dá)，即對(duì)工程對(duì)象進(jìn)行數(shù)字解構(gòu)，利用各種信息技術(shù)，基于工程對(duì)象的幾何數(shù)據(jù)信息，將工程實(shí)體進(jìn)行虛擬轉(zhuǎn)化，使其完全變成數(shù)字可表達(dá)的虛擬體[3]。交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化是通過(guò)匯集包括地理信息系統(tǒng)(GIS)、建筑信息模型(BIM)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(IoT)等在內(nèi)的多種技術(shù)手段，對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行全生命周期、全要素的信息感知，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施中的物理信息、性能信息、狀態(tài)信息和行為信息的全方位集成處理[4]。利用交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化信息模型作為多源數(shù)據(jù)和各種信息的載體，把設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)信息關(guān)聯(lián)到數(shù)字化模型中，這是實(shí)現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化的有效途徑。交通基礎(chǔ)設(shè)施是一個(gè)個(gè)具體的物理實(shí)體，如何將其抽象為數(shù)據(jù)表征，即由實(shí)體化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化[5]，由物理設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化信息模型，這是交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化面對(duì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

當(dāng)前在進(jìn)行交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化時(shí)面臨兩種情況：一是新建交通工程的數(shù)字化； 二是既有交通工程的數(shù)字化。BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)，新建工程的數(shù)字化可以通過(guò)BIM技術(shù)高效完成。依據(jù)工程設(shè)計(jì)信息，創(chuàng)建工程BIM模型，同時(shí)將工程實(shí)體信息關(guān)聯(lián)到BIM模型上，完成新建交通工程的數(shù)字化。既有交通工程具有點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣、類型復(fù)雜、體量大的特點(diǎn)，其數(shù)字化手段除了使用BIM技術(shù)創(chuàng)建竣工BIM模型，往往采用快速自動(dòng)化三維重建技術(shù)來(lái)精確重構(gòu)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化模型，主要包括傾斜攝影、三維激光掃描等技術(shù)，對(duì)沿線基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行信息采集并逆向創(chuàng)建三維數(shù)字化模型，從而實(shí)現(xiàn)既有交通工程的數(shù)字化[5]，交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化的技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化的技術(shù)體系

2 交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化信息模型是交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字應(yīng)用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和核心，快速、精確地創(chuàng)建數(shù)字化信息模型是交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化常用的技術(shù)方法有BIM技術(shù)、傾斜攝影和三維激光掃描。

(1)BIM技術(shù)

BIM技術(shù)作為數(shù)字化工程的載體和技術(shù)手段，給交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化增添了強(qiáng)大的推動(dòng)力[6]，通過(guò)精細(xì)的信息模型完成工程項(xiàng)目的數(shù)字化。對(duì)于新建交通工程，使用Bentley等BIM軟件在設(shè)計(jì)階段建立交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化模型，同時(shí)根據(jù)運(yùn)維、養(yǎng)護(hù)的需求，將數(shù)字化模型各構(gòu)件進(jìn)行分類編碼并且進(jìn)行屬性信息掛接，以滿足工程數(shù)字化的要求，最終可視化地呈現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化后的各種數(shù)據(jù)。對(duì)于既有交通工程，依據(jù)竣工資料，創(chuàng)建施工圖深度的BIM模型，同樣將數(shù)字化模型各構(gòu)件進(jìn)行分類編碼并進(jìn)行屬性信息掛接，從而創(chuàng)建符合交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化要求的數(shù)字化信息模型。當(dāng)前各種BIM軟件平臺(tái)的建模效率和建模精度都有了較大發(fā)展，通過(guò)建立和配置交通工程數(shù)字化所需的模板、族庫(kù)和資源，進(jìn)行道路、橋梁與隧道等各專業(yè)的協(xié)同建模，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、批量化和部分自動(dòng)化的數(shù)字化信息模型的BIM技術(shù)創(chuàng)建[7]，基于BIM技術(shù)的交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 基于BIM技術(shù)的數(shù)字化流程

(2)傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像，快速獲取交通基礎(chǔ)設(shè)施頂部和側(cè)面的照片圖像，通過(guò)先進(jìn)的定位、融合和基于圖像的建模技術(shù)，生成交通基礎(chǔ)設(shè)施三維實(shí)景模型[8]。傾斜攝影技術(shù)是一種自動(dòng)化程度很高的逆向建模技術(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)既有交通工程的數(shù)字化，傾斜攝影技術(shù)創(chuàng)建的交通基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)景模型具有豐富的紋理信息和精確的地理位置信息，能夠身臨其境地隨時(shí)從各個(gè)角度瀏覽整個(gè)交通工程，基于傾斜攝影技術(shù)的交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。首先利用無(wú)人機(jī)等平臺(tái)獲取多視角照片圖像，然后利用實(shí)景建模軟件如ContextCapture進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理生成三維實(shí)景模型，再基于Mesh格式的實(shí)景模型進(jìn)行三維模型的單體化，繼而對(duì)單體化模型進(jìn)行分類編碼和屬性掛接等操作，最終生成能夠滿足各種應(yīng)用的交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化信息模型。

(3)三維激光掃描技術(shù)

圖3 基于傾斜攝影技術(shù)的數(shù)字化流程

圖4 基于三維激光掃描技術(shù)的數(shù)字化流程

三維激光掃描技術(shù)是一種集成了多種高新技術(shù)的新型測(cè)繪技術(shù)， 通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，能夠大面積、高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)和顏色、紋理等相關(guān)屬性信息，進(jìn)而可以通過(guò)專業(yè)軟件，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立物體的三維實(shí)體模型。利用三維激光掃描設(shè)備準(zhǔn)確掃描現(xiàn)有交通基礎(chǔ)設(shè)施，獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的清洗過(guò)濾，最終轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以直接處理的三維模型。首先利用車載或者機(jī)載激光掃描系統(tǒng)對(duì)交通設(shè)施沿線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)掃描，然后對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)處理，最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)點(diǎn)云導(dǎo)入接口導(dǎo)入到建模軟件如MicroStation中進(jìn)行逆向輔助三維重建[9]，然后再對(duì)創(chuàng)建的三維模型進(jìn)行分類編碼和屬性掛接操作，為后期應(yīng)用創(chuàng)建真實(shí)可靠的數(shù)字化信息模型，基于三維激光掃描技術(shù)的交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

3 建立數(shù)字化信息模型

世界是三維的，交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化成果以三維的數(shù)字化信息模型呈現(xiàn)，創(chuàng)建數(shù)字化信息模型是交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)。新技術(shù)不斷應(yīng)用在交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化上，加快了交通基礎(chǔ)設(shè)施朝著數(shù)字化方向發(fā)展的步伐。實(shí)踐中多用BIM技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)來(lái)創(chuàng)建數(shù)字化信息模型，現(xiàn)結(jié)合工作實(shí)踐對(duì)這些創(chuàng)建數(shù)字化信息模型的常用技術(shù)進(jìn)行比較討論。

在數(shù)字化的工程類型層面，由于面對(duì)的交通基礎(chǔ)設(shè)施分為新建交通工程和既有交通工程，不同的技術(shù)有不同的適用性。BIM技術(shù)可以用來(lái)正向設(shè)計(jì)建模或者根據(jù)圖紙尺寸翻模，無(wú)論是新建交通工程還是既有交通工程，都可以借助BIM技術(shù)來(lái)創(chuàng)建滿足數(shù)字化信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)的三維模型。既有交通工程的數(shù)字化可以逆向建模，傾斜攝影和三維激光掃描可以快速獲取道路沿線基礎(chǔ)設(shè)施的圖像和點(diǎn)云，然后基于圖像和點(diǎn)云進(jìn)行三維重建，最終形成交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化信息模型。

在數(shù)字化的自動(dòng)化程度層面，BIM技術(shù)屬于傳統(tǒng)人工創(chuàng)建精細(xì)模型，對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜的異形工程設(shè)施，常規(guī)的模板和族庫(kù)難以完成模型的自動(dòng)快速創(chuàng)建，必須手動(dòng)創(chuàng)建模型，人工工作量較大，對(duì)建模人員要求較高； 傾斜攝影在外業(yè)獲取工程現(xiàn)場(chǎng)的多視影像數(shù)據(jù)后，運(yùn)用基于圖像的自動(dòng)化三維重建技術(shù)進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，人工干預(yù)比較少，建模效率比較高，對(duì)建模人員要求不是很高； 三維激光掃描是在對(duì)沿線交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行三維激光掃描后，對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全景影像進(jìn)行逆向建模，點(diǎn)云智能處理的方法尚不成熟，交通工程的三維線形提取和模型重建自動(dòng)化程度也不高，主要是以人工輔助的半自動(dòng)建模方式進(jìn)行三維重建，人工交互工作量比較大，建模人員需要較高數(shù)據(jù)處理技巧。

在數(shù)字化所需資料條件層面，BIM正向設(shè)計(jì)建模需要的資料包括：本項(xiàng)目設(shè)計(jì)范圍(道路起止點(diǎn))、本項(xiàng)目控規(guī)資料、地形圖及斷面數(shù)據(jù)、地勘資料和相交道路施工圖資料等； BIM逆向建模需要項(xiàng)目總體平面圖、道路中心線、橫斷面圖和縱斷面圖等設(shè)計(jì)圖紙資料。利用BIM技術(shù)創(chuàng)建模型，離不開(kāi)各種設(shè)計(jì)圖紙資料，BIM建模的精度只能達(dá)到和圖紙尺寸相同的程度。傾斜攝影和三維激光掃描適合逆向建模，對(duì)既有交通工程通過(guò)各種先進(jìn)設(shè)備獲取其數(shù)據(jù)(包括照片、點(diǎn)云、控制點(diǎn)資料等)，然后在3D環(huán)境中重新生成其數(shù)字模型[10]。傾斜攝影和三維激光掃描兩種技術(shù)本身包含了對(duì)既有交通工程各種信息的高效測(cè)量獲取，因而可以不需要其他的圖紙資料。對(duì)于設(shè)計(jì)及施工的時(shí)間跨度大、與現(xiàn)場(chǎng)情況匹配的結(jié)構(gòu)圖紙資料缺失的交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化，利用BIM技術(shù)難以建模，但是傾斜攝影和三維激光掃描的建模不受影響。

在數(shù)字化的模型效果層面，BIM和三維激光掃描是人工或半自動(dòng)化建模，可以在建模過(guò)程中顧及后期應(yīng)用的需要，對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行結(jié)構(gòu)的合理分解，同時(shí)為每個(gè)構(gòu)件賦予相關(guān)屬性信息，得到具有豐富語(yǔ)義信息的精細(xì)化單體結(jié)構(gòu)物模型[11]； 傾斜攝影自動(dòng)化創(chuàng)建的實(shí)景模型，以三角面片作為圖元，整個(gè)模型就是一張貼有紋理的巨大TIN網(wǎng)[12]，并不會(huì)把道路、橋梁和隧道等結(jié)構(gòu)物區(qū)分出來(lái)，也無(wú)法選中單個(gè)的結(jié)構(gòu)物，需要經(jīng)過(guò)模型單體化并掛接屬性信息操作，才能滿足后期使用要求。BIM和三維激光掃描建立模型時(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)采集紋理照片，在給模型添加材質(zhì)、紋理時(shí)需要較高的工作技巧，受限于紋理采集的條件和使用的材質(zhì)，三維模型的真實(shí)感有時(shí)不是很好； 傾斜攝影創(chuàng)建的實(shí)景模型，從多個(gè)角度獲取結(jié)構(gòu)物的影像照片，還可以自動(dòng)進(jìn)行紋理映射，因而實(shí)景模型更加接近于人眼觀察所見(jiàn)。BIM和三維激光掃描建立的模型，嚴(yán)格還原結(jié)構(gòu)物的點(diǎn)、線、面特征； 傾斜攝影創(chuàng)建的實(shí)景模型近看會(huì)發(fā)現(xiàn)大量的變形，比如平整的路面是凹凸不平的，對(duì)細(xì)部的還原不是很理想。BIM和三維激光掃描建立的模型數(shù)據(jù)體量相較于傾斜攝影創(chuàng)建的實(shí)景模型一般小很多，因而更方便輕量化處理和超大場(chǎng)景的應(yīng)用。三種技術(shù)創(chuàng)建的數(shù)字化信息模型效果如圖5所示。

(a)BIM模型 (b)傾斜攝影實(shí)景模型 (c)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其模型圖5 三種技術(shù)數(shù)字化的模型效果

4 結(jié)論與展望

快速、高效地創(chuàng)建并更新維護(hù)數(shù)字化信息模型，是交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化研究的關(guān)鍵和熱點(diǎn)。面對(duì)新技術(shù)、新工藝的快速發(fā)展，為了適應(yīng)交通運(yùn)輸行業(yè)提出的新要求，未來(lái)可從以下方面入手開(kāi)展研究工作：

(1)提升建模的效率和效果

將人工智能、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)引入到交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化工作中，基于樣本庫(kù)、族庫(kù)和知識(shí)規(guī)則，研究基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)件的自動(dòng)建模、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)分割與自動(dòng)語(yǔ)義信息配賦，快速構(gòu)建支持人機(jī)兼容理解、單體化、語(yǔ)義化、實(shí)體化、輕量化的數(shù)字化信息模型。

(2)多種數(shù)字化技術(shù)的集成使用

單一的技術(shù)手段和數(shù)據(jù)源有其自身難以克服的不足，多種技術(shù)的集成使用可以更好地發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，傾斜攝影+BIM、三維激光掃描+BIM、傾斜攝影+三維激光掃描、空地/地上下/室內(nèi)外數(shù)據(jù)融合建模為代表的集成技術(shù)能夠更加自動(dòng)化創(chuàng)建保真保形的數(shù)字化信息模型。

(3)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)的發(fā)展

利用物聯(lián)網(wǎng)感知和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將數(shù)字化信息模型與傳感器網(wǎng)絡(luò)融合，使交通基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期內(nèi)的動(dòng)、靜態(tài)信息部署至三維模型空間，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。

(4)數(shù)字化交通基礎(chǔ)設(shè)施的拓展應(yīng)用

數(shù)字化后形成的數(shù)字化交通基礎(chǔ)設(shè)施如何釋放其巨大應(yīng)用價(jià)值仍存在很多問(wèn)題亟待解決，一方面是支撐環(huán)境系統(tǒng)具備海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、傳輸、展示和統(tǒng)一的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、接口，另一方面是緊密結(jié)合用戶業(yè)務(wù)的計(jì)算分析能力，通過(guò)建模分析和決策控制使數(shù)字化交通基礎(chǔ)設(shè)施在各種應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮作用。

要大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)，就必須要做好交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化。交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化正處在不斷發(fā)展完善過(guò)程中，通過(guò)在工作實(shí)踐中不斷探索和總結(jié)，堅(jiān)持以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向，從解決行業(yè)發(fā)展痛點(diǎn)出發(fā)，構(gòu)筑精確可靠的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，為最終實(shí)現(xiàn)交通行業(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。