多源实景三维大场景的城市道路设计范文

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摘要：基于城市道路设计过程中对地理信息数据多维度需求分析的目的，采用了三维地理信息技术对实景三维、BIM、DOM、DEM、三调地类信息、地籍与房屋调查数据库信息及设计图件等多源数据的整合方法，以福建省莆田市城北大道方案选线设计为例，简要介绍了多源实景三维管理平台应用于城市道路设计的全过程及其关键技术，实现了测绘地理信息技术与城市道路设计的有机融合，探索出一种新的测绘地理信息服务模式。

关键词：多源；实景三维；道路设计；三维GIS；BIM

1引言

实景三维技术作为一种新兴技术方法为地理空间信息数据的应用提供了新的解决方案。实景三维大场景结合三维GIS技术在城市道路设计中有独特的适用性，满足设计专业对基础地理信息数据的多维度需求，可实现二维设计向三维设计提升转变。文献［1］研究了基于无人机倾斜摄影的交通基础设施规划方法，主要以农村公路为主。文献［2］将实景三维模型应用于城市级别三维地理信息系统建设，为三维规划审批提供了新的解决思路。文献［3］利用无人机倾斜摄影技术获取项目区域的三维实景模型，为市政道路BIM设计提供真实、准确的三维基础数据，通过BIM技术可快速完成方案设计与方案比选。文献［4］针对城市轨道交通规划选线，将倾斜摄影测量应用于BIM＋GIS技术，有效整合、兼顾轨道交通线路周边的地上、地下信息资源，为选线过程中的空间分析提供基础条件。文献［5］介绍了城市三维模型管理的现状，设计了三维模型数据库的存储结构，并开发了三维模型数据库管理系统，实现了三维模型的建库管理。综上所述，国内当前已有少量基于实景三维技术辅助道路设计案例及其相关应用研究，存在基础数据类型较为单一、辅助道路设计支撑度不足等问题。因此，本文利用三维地理信息技术融合了DEM、DOM、单体化实景三维、道路BIM、三调地类信息、地籍与房产调查数据库及其他专题数据构成实景三维大场景城市道路设计平台，并对平台系统组成、功能模块及其优越性做了具体介绍。

2多源实景三维大场景辅助道路设计

技术路线主要包括资料收集、数据加工、平台集成及应用功能四个部分。首先，收集莆田市城北大道范围内的数据，包含大比例尺地形图、地籍与房产调查成果、栅格影像、三调地类信息、地名地址专题以及三维景观模型等数据；其次，对收集的数据进行检查分析、格式转换、坐标投影、专题信息提取、信息赋值等加工处理；然后，将DEM和DOM导入TerraBuilder中，生成基础三维地形场景即MPT文件，结合CityBuilder生成的单体化实景三维模型数据（∗．3DML）、相关的GIS图层、地类图斑和道路BIM层导入到TerraExplorerPro中配置，生成FLY文件；最后，基于Skyline三维实景地理信息系统为线路设计三维展示方案定制相关功能模块。技术路线如图1所示：

2.1资料收集

收集线路范围内已有DLG、DOM、DEM测绘遥感基础地理信息数据，收集多视影像、控制资料，收集道路设计矢量数据、逐桩坐标表、设计标高数据等线路设计资料，收集线路上的重要地名地址、三调数据库中的地类信息和地籍房屋调查数据库中的建筑物信息。

2.2数据加工

数据加工包含三维地形大场景建立、实景三维数据建模、道路BIM模型制作、3D网格图层建立4个部分。

（1）三维地形大场景建立。利用范围面积约450km2的1∶2000DOM和1∶5000DEM栅格数据，经过栅格镶嵌、坐标投影转换、影像裁切、金字塔建立等数据处理，通过SkylineTerraBuilder软件工具建立三维地形大场景。

（2）实景三维数据建模。采用ContextCapture软件平台对地面分辨率为3cm的倾斜摄影影像及像控资料通过空三建模生产实景三维模型数据（成果为OSGB格式），三维模型采用多细节层次（LOD）技术，层次设计为20层，利用该技术能够详尽地表达建筑物细部结构特征及获得高效率的渲染运算。

（3）道路BIM模型制作。依据所提供的城北大道设计方案资料，包括线位图、逐桩坐标表及设计标高数据等，使用SketchUp、3dsMax及Revit的BIM制作软件，制作道路BIM仿真模型，该模型包括路面、绿化、桥墩、隧道及其他道路附属设施等，BIM模型按DAE格式导出。

（4）3D网格图层建立。利用1∶500DLG中的建筑物矢量图层实现批量单体化，即通过建筑物矢量图拓扑处理及层数估算高度方式快速建立建筑物单体化，再对单体化模型属性批量挂接地籍与房屋调查成果的数据库信息。使得三维实景模型不仅可供浏览和量测，还可实现属性信息查询、分析和统计功能，即优化三维实景模型深度应用，又以逻辑单体化方式极大降低人工物理单体化高额成本。本文在城北大道沿线上共生产100km2倾斜摄影实景三维单体化模型数据，使用Sky⁃line的CityBuilder模块，制作3DML格式数据。

2.3平台集成及功能模块

基于Skyline三维地理信息软件集成三维地形场景、单体化实景三维、道路BIM、地名地址专题数据及地类信息等五层数据，组成最终的线路设计方案三维展示平台，平台界面如图2所示。

（1）三维展示平台的制作流程：首先，在TerraEx⁃plorerPro中，导入三维地形场景并加载倾斜摄影单体化3DML模型数据；其次，叠加莆田市基础矢量数据（包含居民地、水系、城市主要道路、地名、行政界线与区域等名称注记）和三调地类信息，并标注、配色等；然后，在平台设置打开场景的初始位置和浏览城北大道三个设计方案的飞行线路；最后，对完成的三维集成平台Fly格式工程打包。

（2）功能模块：针对设计方案展示分析需求，三维场景展示道路设计平台具备线路漫游、方案优化、场景模拟、GIS分析（含征地成本估算、沿线土地利用现状分析、模版制图）等功能。图3所示为线路漫游导览，图4所示为方案优化中的选线改线效果，图5～图8所示分别为场景模拟中的视域分析、坡向分析、水淹分析和交通网络分析，图9所示为GIS分析中的三维建筑物单体化信息辅助征地成本估算（建筑物部分），图10所示为GIS分析中的方案线路沿线土地利用现状分析。

2.4方案选线决策服务

方案选线基本原则主要是结合地形地貌、技术条件和社会经济状况，选择科学有效的线路，起到让征迁费用、工程费用、道路功能得到有机统一，并且能够保证行车稳定安全、经济耐用、易于养护的目的。综合以上因素，总结选线原则如下：①以土地利用规划及片区控规为依据优化设计道路选线；②城市道路线位的选择应做到少占农田，少开挖山体，少占水体，减少拆迁；③设计时应合理考虑现状道路的接顺及机孔、人孔的合理长度；④综合考虑交通功能、工程难度、环境保护、征地拆迁等因素，做到造价最省［6］。上述四个原则的详细情况基本都能在本文三维实景道路设计平台中得到直观展示和分析。

3关键技术

（1）多源数据处理及集成技术。多源数据的预处理及信息提取主要包含基于CAD、shapefile、SketchUp的数据采集及处理，采用数字摄影测量、BIM生产、三维GIS、地籍房屋调查数据及三调地类的信息提取等相关技术。集成多源数据制作道路设计方案三维展示平台，从而将设计方案展示从传统二维平面图件提升至三维实景展示层次，并能够查询分析多源数据信息。

（2）多源实景三维大场景环境下虚拟可视化技术。3DML是一个多分辨率且流式优化的3D网格图层数据库，在系统中实现三维建筑模型、BIM数据的加载和查询的关键技术，且通过创建三维模型LOD技术方法，加快加载和发布三维模型的速度，并能够增强三维浏览效果；3DML数据集是由统一的所有数据源的多分辨率网格切片、分类信息和相关的特征信息组成，能够让本地TerraExplorerviewer和远程的TerraEx⁃plorer客户端使用新的TerraGateSFS3DML数据服务得到访问。

（3）立体化道路设计。研究了在三维场景中分析和优化设计道路BIM数据，并依据模版开发出图功能，提供了三维辅助道路规划设计决策技术功能。突破传统设计策划思维，实现三维地理信息与规划设计相结合的跨界应用。该三维展示平台首次融合二维数据、三维实景数据、道路BIM仿真模型及多种专题数据等，解决了二维设计图件方案展示的局限性，展示效果更直观，分析结果更可靠，可为业主部门的分析决策提供科学依据。

（4）多目标决策的线路方案优选决策。基于三调地类信息和地籍房屋调查成果数据，通过拓扑叠加分析，查询统计分析落位在方案设计道路边线外扩特定范围内的地类信息和建筑物，参考当地已经制定的城乡基准地价和安置补偿费用办法估算征迁费用，根据方案线路长度、征地面积、桥隧总长、征地拆迁费用、沿线土地利用现状情况等影响因素制定多目标决策方案［7］，为优化道路路线方案的选型提供有力的技术支撑。

4结语

本文通过三维地理信息技术对实景三维、BIM、DOM、DEM、三调地类信息、地籍房屋调查数据库信息及设计图件等多源数据的整合，实现了城市道路设计中综合决策的成功应用。基于道路设计的实景三维大场景平台为方案线路长度、征地面积、桥隧总长等计算提供便捷服务；而实景三维大场景中的建筑物单体化及信息赋值，为城市道路征地拆迁费用估算提供可靠依据；道路设计沿线的土地利用现状地类信息，为道路选线优化设计提供决策信息保障。文中成功搭建城市道路设计方案的多源实景三维大场景空间信息平台，将传统二维设计向三维空间设计转变，有效提升设计方案的展示效果和提供可靠的分析依据，实现了测绘地理信息技术与城市道路设计的有机融合，探索出一种新的测绘地理信息服务模式，相关应用经验可复制推广至其他设计专业，如城市规划、景观设计及市政交通等领域。

作者：王商富 单位：福州市勘测院