劉霜辰 李升甫 賈洋 蒲慧龍
四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司
摘 要：為了有效解決既有高速公路資産管理困難，無法實作構件級别的實時管理養護，現采用雷射點雲方式對既有營運高速公路進行路面雷射掃描，結合點雲資訊對道路構件進行單體化模組化，建立統一标準體系下的資産管理系統。本次試驗以都汶高速公路都江堰至映秀段18 km為示範段，疊加實景模型還原道路場景資訊，對單體化模型進行規範的分類編碼，對多源異構資料進行分級分類統一組織管理，同時利用空間動态渲染機制，建構資産管理資訊平台，為四川交通一張圖計劃進行探索分析。
關鍵詞：公路資産;地理資訊系統;雷射點雲;資訊化;
基金：交通運輸行業重點科技項目面上項目,項目編号2020-MS5-147;四川省交通運輸科技項目,項目編号2020-A-06;
四川省既有高速公路營運裡程已經突破8 000 km, 既有營運高速公路大部分由于采用傳統的台賬管理方式，不同養護部門分管不同高速公路資産，加之高速公路建成傳遞後由于不同原因導緻諸多資産明細欠缺，造成目前既有高速公路難以高效運維、統一組織以及規範管理。面對道路養護等問題，早在20世紀中期開始，不同學者、行業人員在道路資産的管理養護上已經開始相關的探索應用。早在20世紀70年代，加拿大首次提出并研發出“路面管理系統”,後來在資清單性能預測、決策支援等方面形成手冊，能夠宏觀對道路資産進行評估分析[1]。
2003年Petri Jusi等在研究中提到，巴巴新幾內亞的政府工程部門在亞洲開發銀行的資金支援以及Finnroad咨詢公司的協同幫忙下，面向國内的國省不同等級道路，建立了公路資産管理系統，使得路網的投資經濟得到最大化彙報[2]。在國内，随着國内高等級公路的跨越式發展，在公路的設施管理方面也進行了相關的探索研究。交通運輸部與同濟大學聯合研發了大陸第一個公路資産管理系統，即幹線公路路面評價養護系統(CPMS);上海先後建立了城市基礎設施管理系統(SHCIMS),能夠針對市域道路橋梁以及附屬設施進行長時間生命周期管理[3]。現有研究成果在公路資産管理方面邁出了實質性的探索與應用，但面對既有高速公路構件級别進行長生命周期管理養護仍存在一定差距，難以形成全要素的實時監測運維養護管理，是以建構既有高速公路數字化資産管理系統成為新的業務發展驅動[4]。
随着測繪技術的不斷更新發展，三維雷射點雲資料采集裝置具備非接觸性以及高精度高密度的特點，利用雷射點雲還原道路真實資訊讓既有營運高速公路的三維可視資訊化成為了可能。本次試點選取都汶高速公路中都江堰至映秀段的18 km路段，利用車載雷射掃描器、站式雷射掃描器針對高速公路路面、橋涵資訊進行點雲資料資訊采集，同時利用無人機裝置對18 km道路沿線進行傾斜攝影，在此資料基礎上進行輕量化模組化、屬性編碼以及實景模型建構，真實還原道路本身、路域周邊真實三維場景，讓高速公路資産管理從以往的靜态管理逐漸轉變為數字化動态管理，監管人員可以實時、線上地對高速公路資産的事前、事中、事後進行全面一體管理[5,6,7,8,9]。
1 點雲單體化及編碼
車載雷射掃描器以汽車為載體，是目前在道路掃描中最有效、最快捷的測繪手段之一。車載雷射擷取的點雲密度大、精度高，能夠真實還原道路場景，雷射點雲經過導航解算以及控制點糾正之後得到三維雷射點雲資料[10],本次實驗路段得到的部分彩色點雲資料見圖1所示。
圖1 高速公路點雲示例 下載下傳原圖
在本次試驗段擷取的點雲資料進行輕量化模組化，對高速公路路面上所有建構進行類别分類，對所有單體化的建構進行分别屬性編碼，對建構身份進行唯一辨別。對于高速公路主要資産，主要分為路基路面、橋涵、隧道、互通、交安設施、沿線設施、環保綠化、機電工程等8類。針對不同特征、不同類别的構造物，這裡列舉部分類型道路資産分類如表1。
表1 部分資産分類 導出到EXCEL
| 大類編碼 | 大類類别 | 亞類編碼 | 亞類類别 | 細類編碼 | 細類類别 |
| 05 | 交安設施 | 0501 | 中央分隔 帶護欄 | 050101 | 波形梁 |
| 050102 | 混凝土 | ||||
| 0502 | 路側護欄 | 050201 | 波形梁 | ||
| 050202 | 混凝土 | ||||
| 0503 | 标線 | 050301 | 車道劃分線 | ||
| 050302 | 導流線 | ||||
| 0504 | 視線誘導 設施 | 050400 | — | ||
| 0505 | 辨別标牌 | 050501 | 導向标牌 | ||
| 050502 | 限速标牌 | ||||
| … |
對以上不同類别資産進行單體化模組化，得到高速公路全線輕量化模型，每一個單體化建構都有單獨的身份編碼，是以每一個建構具有唯一性，可與作為主鍵身份ID進行查詢識别。以K1040000102010002舉例來說，ModelName代表建構的唯一ID,LayerName代表建構所在圖層，K104000代表具體的百米樁号，010201代表該樁号區間的所在的構件類别為路面墊層，0002代表該區間該類别的第2個路面墊層。這樣高速公路上所有的建構的身份得到了辨別和認證，友善資産的實時定位、報檢、維修，能夠追蹤到每一個資産的及時情況，精準探測每一個資産的生命周期，及時降低路面可能存在的風險水準，最大程度地延長建構的營運壽命，支撐建構數字化資産管理系統。如圖2。
圖2 路面建構編碼示例 下載下傳原圖
針對高速公路不同類别不同地理空間位置的資産進行單體化模組化，圖3展示不同類别完成單體化後的輕量化模型。
圖3 高速公路單體化模型示例 下載下傳原圖
2 關鍵技術
為了有效支撐三維場景，需要解決不同來源、多種結構的基礎資料分别進行存儲、管理、分析處理以及呈現，是以涉及資料的有效存儲機制、渲染模式、處理手段等不同問題。
2.1多源異構三維資料融合
不同來源資料格式不同，在統一平台進行加載呈現需要解決傾斜攝影模型與單體化模型融合、三維地形與單體化模型融合、不同分辨率三維地形資料融合等主要問題。通過三維GIS資料進行統一管理，提供不同層級、不同尺度下的運維管理。
為了更好呈現高速公路周邊三維空間真實情況，采用多源資料形成多源異構資料集[11,12,13,14]。在道路兩側500 m範圍内用實景模型、三維地形、正射影像以及單體化模型在三維場景中進行融合疊加，建構滿足不同層級場景下的三維服務，設定不同視角高度顯示不同分辨率資料，形成宏觀、中觀、微觀三種不同場景的業務需求。
(1)宏觀場景。
能夠展現全線範圍的大緻場景，采用公網影像、地形資料建構大範圍三維可視化電子沙盤，主要反映區域周邊的地形地貌特征，道路沿線的大緻風貌特征以及整體線位走向。
(2)中觀場景。
能夠準确還原某一路段道路周邊真實場景，詳細表達周圍地物、地形地貌特征，有利于重要監測路段的動态仿真模拟，準确描述路域節點的具體的三維特征。
(3)微觀場景。
能夠反映不同構件的資産現狀，快速定位到某個存在隐患構件以及反映相對應形象進度，基本達到車路協同級别的精細程度，特别是路橋隧中存在的交安、管理設施進行正确表達。
2.2單體化模型與GIS資料的存儲管理
建立統一的資料存儲管理，對多源資料在統一的平台上進行管理。對于傾斜攝影模型、正射影像、地形資料進行切片，采用瓦片檔案進行存儲以及資料服務釋出；對于單體化模型進行瓦片化處理存儲[15]。模型挂載的相關屬性通過數模分離的方式，存儲到關系型資料庫存儲。
2.3空間資料可視化動态渲染方式
單體模型在長距離大範圍業務場景下，資料體量大，根據模型所在的準确地理坐标動态加載，模型切片成不同顆粒度下的切片，利用四叉樹、八叉樹等索引方式按照視點距離進行動态加載[16]。利用LOD及執行個體化技術解決高精度模型的浏覽瓶頸，LOD技術按照距離遠近選擇性加載不同精度的單體模型，避免顯示卡渲染卡頓現象；執行個體化技術依據模型複用思想，加速渲染能力。
2.4單體化模型多中繼資料關聯技術
參照BIM應用現狀以及相關技術應用标準，對模型進行資料關聯，通過EBS和WBS分類編碼體系為關聯，對單體建構進行資料關聯，完成資料編碼以及資料映射，形成單體模型的多源資料的關聯分析，對道路各類資産的相關資訊進行綁定整合，實作資料融合的綜合應用。
3 數字化資産管理系統實作
為了實作各類資産資料、GIS資料的有效融合，建構真實三維GIS場景，為相關部門提供基礎資料服務支援，是以需要建構四川省高速公路資産管理雲平台。為了針對大資料量的GIS資料能夠在浏覽器中進行高效渲染以及快速響應，管理系統采用WebGL的資料架構形式，WebGL是一種3D繪圖協定，在Web端進行三維GIS呈現時可以借助系統顯示卡進行流暢展示，保證三維GIS場景的高效渲染[17,18,19,20]。系統通過對已營運高速公路進行的逆向三維模組化，實作對既有高速公路全線的三維可視化服務。通過運用BIM與GIS資料轉換、存儲、服務等關鍵技術，實作對已營運項目資産概況、品質、安全、養護、管理等資訊的內建管理。如圖4。
圖4 高速公路三維場景示例 下載下傳原圖
該一張圖系統先期選擇都汶高速公路都映段進行先期資料應用。道路資産系統以單體模型為資料承載中心，能夠對所有實體構件查詢、定位、統計、分析，能夠對道路所有構件在養護過程中的控制資料、結構評定資料、電子檔案資料進行實時互動以及資訊實時回傳，建立起基于BS技術架構的道路養護決策分析系統，提供正确實時的基礎管養資料，確定在高速公路營運工程中全要素資訊的有效存儲以及資料的深度融合應用。如圖5、圖6。
圖5 道路資産資訊拾取示例 下載下傳原圖
圖6 道路資産統計界面示例 下載下傳原圖
4 結語
本文利用先進的測繪資料采集手段，根據車載雷射點雲資料進行單體化模組化，對單體化模型進行統一的分類編碼；融合多源資料還原真實的三維空間場景，同時為多源異構資料設定了統一的空間基準，利于資料的存儲、調用、分析、處理，為資産可視化管理提供了有力的資料服務支撐；建立全省高速公路統一的資産管理平台，能夠全面提高既有營運高速公路管理的準确性、及時性、舒适性，促進道路資産管理的改型更新，為數字交通的資訊化發展邁出了實質性的探索發展之路。
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