羅睿

摘要：公路選線在廣泛收集與路線方案有關(guān)的規(guī)劃、統(tǒng)計(jì)、地形、地質(zhì)、氣象等資料的基礎(chǔ)上深入調(diào)查，運(yùn)用遙感、航測(cè)、衛(wèi)星定位、數(shù)字技術(shù)等前沿技術(shù)，可以大幅提升勘察設(shè)計(jì)工作的廣度、深度和質(zhì)量，取得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。本文闡述了由航空測(cè)量、遙感技術(shù)、GPS定位、數(shù)字地面模型、公路選線組成的地理信息大數(shù)據(jù)技術(shù)架構(gòu)，以昆倘高速為例進(jìn)行了應(yīng)用分析，為進(jìn)一步通過大數(shù)據(jù)促進(jìn)公路信息化技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展提供探索。

Abstract： Highway route selection is based on extensive collection of planning， statistics， terrain， geology， meteorology and other data related to the route plan， and the use of cutting-edge technologies such as remote sensing， aerial survey， satellite positioning， and digital technology can greatly increase the breadth of survey and design work， depth and quality， and achieve good technical and economic benefits. This paper expounds the geographic information big data technology architecture composed of aerial surveying， remote sensing technology， GPS positioning， digital ground model， and highway route selection. The Kuntang Expressway is used as an example for application analysis to further promote highway information technology through big data and provide exploration for application development.

關(guān)鍵詞：地理信息大數(shù)據(jù);公路選線;GIS;BIM

Key words： Geographic Information Big Data;highway route selection;GIS;BIM

中圖分類號(hào)：TP18 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）24-0203-03

0 ?引言

在過去，設(shè)計(jì)師常說設(shè)計(jì)是一門遺憾的藝術(shù)，最好的作品永遠(yuǎn)在下一個(gè)。而在萬物皆有聯(lián)的大數(shù)據(jù)時(shí)代，運(yùn)用航空測(cè)量、遙感技術(shù)、GPS定位、數(shù)字地面模型、公路選線組成的地理信息大數(shù)據(jù)技術(shù)架構(gòu)，可以快速、準(zhǔn)確、客觀的展示公路選線與周邊環(huán)境發(fā)生的規(guī)律變化，在很大程度上提高了設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，降低工程建設(shè)對(duì)生態(tài)與環(huán)境的影響[1]。

傳統(tǒng)公路選線采用紙上定線或現(xiàn)場(chǎng)定線的方法，基于CAD的設(shè)計(jì)模式一定程度上減小了數(shù)據(jù)處理的工作量。但在CAD模式之下，即便是有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的地形地貌以及建筑物的外觀都難以全面認(rèn)知和感知，尤其是復(fù)雜項(xiàng)目和大長(zhǎng)線工程，更是要求設(shè)計(jì)人員反復(fù)出入場(chǎng)地進(jìn)行勘測(cè)與收集數(shù)據(jù)才能制定方案，二維設(shè)計(jì)缺乏必要的直觀性與信息交流阻礙多等缺點(diǎn)，難免在設(shè)計(jì)中產(chǎn)生錯(cuò)漏碰缺等問題。而這些工作正日益廣泛地由航空測(cè)量、遙感技術(shù)、GPS定位、數(shù)字地面模型結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)來完成[2]。

1 ?地理信息大數(shù)據(jù)輔助公路選線方法研究

1.1 政策背景

落實(shí)總書記綠水青山就是金山銀山的理念，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策。實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、高效的公路路線選擇需要高新技術(shù)的支撐。“少破壞、大保護(hù)”的設(shè)計(jì)理念對(duì)保護(hù)城市的珍貴的自然地貌環(huán)境具有重要意義。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式和方法難以滿足全新理念的設(shè)計(jì)需求。

目前BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但在公路工程領(lǐng)域還處于起步階段，開發(fā)研究和應(yīng)用前景廣闊。交通運(yùn)輸部于2017年9月發(fā)布了《關(guān)于開展公路BIM技術(shù)應(yīng)用示范工程建設(shè)的的通知》，通知中明確提出了要提高公路的設(shè)計(jì)水平，鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員采用BIM正向設(shè)計(jì)方法，以三維形式表達(dá)設(shè)計(jì)成果[3]。在初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM和GIS技術(shù)進(jìn)行方案的比選論證，提升方案的落地性、科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性。在BIM技術(shù)中融合GIS等地理信息大數(shù)據(jù)可進(jìn)一步提升公路設(shè)計(jì)的信息化、現(xiàn)代化水平，有效發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)在工程管理中的作用[4]。

1.2 基本理論與方法

公路工程是典型的長(zhǎng)距離線性工程，與自然環(huán)境、地質(zhì)條件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)關(guān)系密切。BIM技術(shù)主要應(yīng)用于單個(gè)工程的設(shè)計(jì)、管理，主要的特點(diǎn)是單體精細(xì)化模型，目前傳統(tǒng)的BIM設(shè)計(jì)對(duì)公路周邊宏觀的地理環(huán)境的影響考慮不足[5]?；贕IS和BIM的地理信息大數(shù)據(jù)輔助公路選線技術(shù)主要包括基礎(chǔ)環(huán)境模型（三維地形模型、實(shí)景三維模型）和工程模型的兩個(gè)部分[5]。

2 ?工程案例——昆倘高速立交節(jié)點(diǎn)方案優(yōu)化研究

2.1 項(xiàng)目概況

昆倘高速是昆明北部片區(qū)和滇中城市圈的北部聯(lián)絡(luò)線，起于西三環(huán)普吉互通，向北沿轎子雪山旅游專線東側(cè)布線，與西北繞城高速公路交叉，終點(diǎn)在東村鎮(zhèn)西北部大團(tuán)田附近接武倘尋高速公路東村樞紐互通。項(xiàng)目主線全長(zhǎng)49.752km，等級(jí)為高速公路，其中小普吉樞紐至河外主線收費(fèi)站段（起點(diǎn)-K2+800）采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度為80km/h，整體式路基寬度33.0m，分離式路基寬度2×16.5m。

2.2 三維地形模型與實(shí)景三維模型建立

本次研究范圍總體呈現(xiàn)北高南低的特點(diǎn)，現(xiàn)狀高程位于1930～2040m間，線路位于山間槽谷地帶。GIS的建立由以下兩部分組成：

2.2.1 三維地形模型

數(shù)字地形三維模型制作包含：①航飛（利用傾斜攝影成果）;②相控點(diǎn)測(cè)量;③航片數(shù)字高程模型制作（DEM）;④航片數(shù)字正射影像圖（DOM）;⑤數(shù)字地形三維模型集成。本項(xiàng)目共完成了24個(gè)航飛架次，獲取了67067張真彩色影像，布設(shè)測(cè)量了143個(gè)像控點(diǎn)和108個(gè)檢查點(diǎn)，制作了覆蓋項(xiàng)目范圍約9.22平方公里地形三維模型和實(shí)景三維模型。

2.2.2 實(shí)景三維模型

實(shí)景三維模型制作內(nèi)容主要包含：①傾斜攝影;②相控點(diǎn)測(cè)量（利用數(shù)字地形三維相控點(diǎn)測(cè)量成果）;③實(shí)景三維模型制作與優(yōu)化。對(duì)昆倘高速起點(diǎn)段（普吉-桃園段）周邊區(qū)域開展現(xiàn)場(chǎng)踏勘、空域申請(qǐng)、外業(yè)航空攝影、野外像控點(diǎn)測(cè)量、航空遙感影像處理、三維模型制作等工作。

2.3 原方案分析

2.3.1 大普吉改建立交

如圖1所示，與三環(huán)快速一并建成，但立交功能不全，缺少三環(huán)崗頭山-小屯立交和小屯立交-三環(huán)海源寺兩個(gè)方向的左轉(zhuǎn)功能。工程計(jì)劃需廢除1條匝道，新建3條匝道。改建后構(gòu)成完整十字樞紐，交通流向明確，通行效率高。

2.3.2 小普吉新建立交

如圖2所示，原方案采用T型互通式立交，立交選型較為合理。經(jīng)三維模擬，普吉新建立交A、B匝道規(guī)模較大，占地較多，存在優(yōu)化空間;A匝道東側(cè)挖方較大，對(duì)環(huán)境影響較大。建議優(yōu)化平面線形，壓縮A、B匝道規(guī)模，減少立交占地。

2.3.3 河外樞紐立交

如圖3所示，河外樞紐互通設(shè)置昆明西北繞城高速公路交叉處，主要功能是本項(xiàng)目與西北繞城高速公路的交通轉(zhuǎn)換。原方案采用雙喇叭互通式立交，立交選型較為合理。對(duì)立交平縱線形指標(biāo)進(jìn)行技術(shù)分析后，E匝道與昆倘高速主線喇叭互通立交H、I、G、F匝道有效避開了昆明精神病院、春湖別墅區(qū)、加油站，該喇叭平縱合理。

E匝道與繞城高速喇叭互通立交占地面積較大，橋梁結(jié)構(gòu)物體量較大（A、B、C、D、E匝道均布有大量橋梁），結(jié)合自然地形和現(xiàn)狀繞城高速（利用現(xiàn)狀橋跨和縱坡），本著節(jié)約用地的原則，可對(duì)立交匝道平縱指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，可將原喇叭互通立交優(yōu)化為T型立交，減少橋梁構(gòu)筑物體量，節(jié)約立交用地。

2.4 優(yōu)化理念

2.4.1 集約設(shè)計(jì)理念

集約設(shè)計(jì)可以很大程度上規(guī)范和控制高速公路建設(shè)用地規(guī)模、提高用地效率，是實(shí)現(xiàn)高速公路集約用地的有效途徑。應(yīng)進(jìn)行多方案的比選和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中將技術(shù)與用地有機(jī)結(jié)合起來。

本次方案優(yōu)化切實(shí)落實(shí)集約設(shè)計(jì)理念，充分分析現(xiàn)狀條件，運(yùn)用3D+技術(shù)對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，盡量減少征地拆遷和占地，力求達(dá)到集約用地的目標(biāo)。

2.4.2 生態(tài)設(shè)計(jì)理念

黨的十九大報(bào)告指出，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策。在工程建設(shè)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)狀山體、水系的保護(hù)，避免大填大挖，嚴(yán)格遵循生態(tài)保護(hù)紅線。本次優(yōu)化方案采用生態(tài)設(shè)計(jì)理念，建立高精度三維地形模型，避免大填大挖，保護(hù)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀水系和山體。

2.4.3 尊重現(xiàn)狀，適應(yīng)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)理念

本項(xiàng)目位于昆明市郊區(qū)，研究范圍內(nèi)有普吉、桃園兩個(gè)人口聚集區(qū)，現(xiàn)狀有北三環(huán)城市快速路、轎子雪山旅游專線公路、昆明繞城高速等現(xiàn)狀道路，項(xiàng)目范圍內(nèi)周邊廠房、住宅密集，還有昆明市精神病醫(yī)院、春湖國(guó)際別墅區(qū)、寺廟等控制因素。

2.4.4 適用經(jīng)濟(jì)理念

通過三維模擬分析和漸進(jìn)式調(diào)整優(yōu)化，達(dá)到降低工程規(guī)模、減少土石方工程量、減少對(duì)大填大挖、節(jié)約工程投資的目的。

2.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.5.1 小普吉新建立交

如圖4所示，對(duì)小普吉新建立交A、B匝道平面進(jìn)行優(yōu)化，使布局更加緊湊，節(jié)約用地，減少工程規(guī)模;對(duì)普吉新建互通立交A、C匝道縱斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，減少挖方。A匝道減少長(zhǎng)度約19m，B匝道減少長(zhǎng)度約26m。

2.5.2 河外樞紐立交

如圖5所示，將轎子雪山旅游專線往東側(cè)（高速側(cè)）偏移，優(yōu)化轎子雪山旅游專線、H匝道縱坡，減少土石方開挖量21萬方，減少E匝道橋梁長(zhǎng)度30m（18m寬）。優(yōu)化A匝道、B匝道、C匝道、D匝道，將喇叭型立交調(diào)整為T型立交，節(jié)約立交用地，減少橋梁構(gòu)筑物。

2.6 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

本次方案優(yōu)化切實(shí)落實(shí)集約設(shè)計(jì)理念，充分分析現(xiàn)狀條件，運(yùn)用3D+技術(shù)對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，盡量減少征地拆遷和占地，力求達(dá)到集約用地的目標(biāo)。在尊重自然地形地貌基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了道路與地形的整體協(xié)調(diào)和優(yōu)化，最大程度保護(hù)了現(xiàn)狀山體。

經(jīng)過本次優(yōu)化，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)立交共計(jì)減少土石方約21萬方。通過整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免大面積開挖山體，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。優(yōu)化后技術(shù)指標(biāo)基本與原方案一致。減少占地約57畝，減少拆遷面積約3萬m2?？s減工程規(guī)模，減少土石方量，優(yōu)化橋梁長(zhǎng)度，節(jié)約工程建安投資5865萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 ?結(jié)語(yǔ)

隨著公路工程BIM技術(shù)的推廣，在BIM技術(shù)中融合GIS等地理信息大數(shù)據(jù)可進(jìn)一步提升公路設(shè)計(jì)的信息化、現(xiàn)代化水平，開展地理信息大數(shù)據(jù)技術(shù)在公路選線階段應(yīng)用研究具有重要意義，有效提高設(shè)計(jì)成果的落地性、經(jīng)濟(jì)性。本文分析了地理信息大數(shù)據(jù)輔助公路選線方法研究的政策背景和基本理論方法。本文以昆倘高速公路為例，基于三維實(shí)景模型建立原設(shè)計(jì)方案的BIM模型，并對(duì)立交方案進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。小普吉新建立交和河外樞紐立交經(jīng)優(yōu)化，有效提高方案的合理性，達(dá)到了降低土石方、保護(hù)現(xiàn)狀山體、優(yōu)化工程規(guī)模、節(jié)約工程投資的目標(biāo)。

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