高速公路3D可视化模型的研究

徐小劲 杨洋 张晓飞

中国水利水电第十四工程局有限公司 云南省昆明市 650041

摘要：遍布全国的高速公路网络为全国的经济发展提供了坚实的基础，但因具有线路长、地形复杂、施工难度大等特点，无法对其进行全生命周期内科学有效的管理。本文基于BIM和GIS技术，利用开源三维地图引擎 Cesium来构建高速公路可视化3D模型，并使地形、道路信息模型等能够进行三维展示。

关键词：高速公路；3D；可视化；BIM；GIS

高速公路是促进交通领域经济发展的重要基础设施，截至2020年，中国综合交通网络总里程已达到501.25万km，高速铁路里程超过3.5万km，高速公路里程达14.96万km，中国已成为名副其实的交通大国。当前，中国正处于由“交通大国”迈向“交通强国”的重要节点，交通运输业高质量发展刻不容缓。

随着 BIM ( building information modeling) 、GIS ( geographic information system)等技术的深入发展，交通领域开始广泛地构建三维虚拟仿真平台。本文提出运用三维实景建模对高速公路进行3D可视化展示，从公路工程勘察设计初期的数据采集、模型搭建到Web端数据加载，在三维数字地球上依照基础设施真实的地理坐标对矢量、影像、地形、BIM 模型等数据进行集成，并开发部分交互功能，加强管理者、设计者对工程的理解。

1 三维实景建模的优势

最近几年来，三维实景建模技术开始被人们慢慢所熟知，逐渐应用在各个领域中。通过这种技术得到的三维环境模型在真实空间上与真实场景的非常相似，在一定技术条件下误差能够达到毫米级别。

2 技术路线

公路实景模型的技术路线可以表述为: 通过对所选择的路段制定飞行方案，包括布置飞行控制点; 然后采集数据，主要是照片数据为主，视频录像为辅，并对所得数据进行筛选，对其中不合格部分重新采集; 紧接着，在 BIM 三维实景建模软件上对所得的数据进行空三加密以及瓦片分割; 最后构建三维公路实景环境数据模型，实现对现实路段及其路段环境准确反映。

BIM 实景模型主要包括构模型的表面细节展示和模型内部信息的分析和管理，属于微观部分; GIS主要用于区域地图空间的管理，空间地理信息数据分析，属于宏观部分。将 BIM 模型数据和 GIS 地理信息数据存储在云端，实现管理者对公路运营健康状态的有效管理。

BIM 模型是公路三维空间信息和路段结构物性能的集成，有助于桥梁监测过程中的信息传递和信息共享等特点，但其在地理位置精确定位和空间地理信息分析功能方面有较大的不足。三维 GIS 在构筑物地理位置定位和空间分析等方面具有强大的能力，但是三维 GIS 对公路及其相关设施等本身的模型精度不够，无法实现公路环境的细节的真实反映和结构物的内部碰撞检查和相关工程量分析等。

将BIM与3D GIS技术结合，以现场航拍得到的山区地形数据及公路设计资料为基础，将整段公路进行参数化单元分解，如将桥梁、隧道、路基等作为公路的子模型，最终将子模型进行整合得到完整的道路信息模型。

3 模型搭建

在构建道路信息模型前，首先要有地形数据的支持。采用装载倾斜摄影设备的无人机对复杂山区高速地形地貌进行航拍，可得到针对工程所在地区的点云，形成数据文件，点云中携带着密集的高程点，各高程点中又包含着不同的xyz/RGB信息; 对数据文件进行处理，为构建数字高程模型提供原始数据支持。

根据现场勘测情况以及公路设计图纸，对公路进行分解，对各部分组件进行分类。将道路建模分为道路、构造物及附属设施的三维道路子模型。道路包括路基、路面、边坡等; 构造物包括桥梁、隧道等; 附属设施包括路标、路灯、护栏等。完成各部分道路信息子模型的绘制后，将所有子模型根据各部分组件的空间位置、时间顺序和逻辑连接关系进行组合，从而搭建起完整的道路信息模型。

工程运用AutoCAD Civil 3D对道路进行设计，C3D中有多种方式去定义曲面对象，以上述构建的DEM作为道路设计的基础，导入Civil 3D作为曲面对象，并参照地形曲面进行路线设计、纵断面设计等，最后系统会依照设计好的路线、纵断面等形成相应的道路模型。对于桥梁、隧道等构造物，根据设计图纸及三维路线运用 revit及Dynamo进行创建桥梁、隧道及附属设施族等，将Civil 3D中的地形曲面和设计路线导入revit，从而以此为参照对桥梁、隧道进行搭建并配准。

4 模型展示

开源三维地图引擎Cesium是一种轻量级的WebGIS开发框架，是基于WebGL来进行硬件加速图形化的地图引擎。WebGL三维规范基于OpenGLES2. 0，使得Web浏览器具有三维绘制能力，不需要安装任何插件，且能够跨系统和平台。WebGL的优势主要表现在：WebGL 提供了JavaScript接口，无需任何插件便可进行开端三维开发;；具有开放性；Web GL利用底层的图形硬件加速功能进行图形渲染，促使Web开发人员借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示三维场景和模型。Web GL中用于绘制模型的基本元素是三角形，通过程序调用JSON对象数据生成绘制信息，并将信息传递给GPU处理，最终将渲染结果显示在浏览器中。将搭建好的山区高速模型加载至Cesium进行三维展示，

5 结论

阐述了高速公路3D可视化模型建立方法和主要技术手段，获得以下结论：

（1）Cesium作为一款世界级的开源三维地图引擎，具有支持多源数据、开发灵活、使用操作便捷等特点，可有效地将BIM及GIS领域的多源数据集成，是适用于交通基础设施可视化的良好开发工具。

（2）方法赋予三维公路模型真实的地理位置，拓宽了 BIM 技术在交通领域的应用深度和广度，使深化设计水平得以提高、使施工方对工程项目的理解得以深入、并且加强了管理者对工程从宏观至微观的把控。

研究成果为公路行业建设提供新理念、新方法，为打造全生命周期数字化管理的高速公路奠定基础。

参考文献

[1] 乐世华,张煦,张尚弘,等.基于Cesium的WebGIS流域虚拟场景搭建[J].水利水电技术,2018,49(5):90-96

[2] 高云成.基于Cesium的WebGIS三维客户端实现技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2014

[3] 秦 涛,龚晓晖,于洪武,等.基于BIM的道路信息模型参数化构建技术研究[J].中外公路,2017,37(1):302-304

[4] 牛艺博.基于WebGL的地理信息三维可视化技术研究[D].兰州:兰州交通大学,2015