摘 要：基于无人机、GIS和 BIM 技术，利用倾斜摄影与激光雷达形成 GIS数据、工程地质调绘数据、工 程钻 探数据等成果，快速建立地表真三维 GIS、地质体模型与道路模型的信息融合体。采用自主研发的“智绘 地质 建 模”软件，快速建立包含海量信息的地理地质模型;通过“智绘路基设计”软件将成果应用于道路辅助设计和 BIM 建模 工作中，为工程设计提供更为完整的地形、地物、地质模型信息;为路基支挡与防护、桥梁桩基础等工程设计提供更为有效的手段。
关键词：道路设计;倾斜摄影;激光点云;BIM
近年来随着无人机、GIS和 BIM 技术的快速发展和普及，为道路工程勘测设计提供了更多新技术手段[1]。如：倾斜摄影技术应用于道路周边 环 境 三维场景模型的建立[2];激光点云技术能够采集高精度测量数据;BIM+GIS技术支持道路设 计 在 可 视化、协调性、智能绘制设计图纸及自动计算工程数量等方面得到了长足的发展[3-5]。
然而，上述学科是在各自独立的领域内所构建和发展，不同领域之间在数据获取方法和应用目的等方面存在着较大差异，与道路工程设计的具体特点匹配性不 佳，还 存 在 信 息 融 合、数据接口标准统一、信息模型建立和设计应用等问题，亟待解决。
1 倾斜摄影与激光点云的数据融合
倾斜摄影技术是国际测绘领域于近年发展起来的一项新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载一个垂直、多个倾斜摄影设备，从不同角度采集影像，能够自动建立环境场景的三维模型，真实感强。但是，由于倾斜影像的局部几何变形大、网 平差控制点稀疏、地表附着物形状突变区域存在视野盲区等问题，使得倾斜影像成果精度难以直接应用于道路工程设计。激光点云与无人机摄影测量融合技术的研究，旨在解决数据融合过程中点云滤波参数简化、高精度多元特征提取、激光点云与无人机倾斜影像的稳健配准与融合等主要技术问题，提升模型坐标精度与图像质量，形成了一套完整、高效、实用的多源数据融合处理流程，见图1。
1.1 基于多尺度柱状邻域的IPTD点云滤波算法
目前大部分点云滤波算法需要调节多个参数以适应不同场景的点云数据，对用户的操作经验有一定要 求。研究提出一种基于多尺度柱状邻域的IPTD 滤 波 算法，对 于 三 维 激 光 点 云 与 无 人 机 倾 斜摄影点云数据，首先利用基于密度的粗差点检测算法识别与剔除粗差点，然后通过线性减小的柱状邻域渐进搜索并加密地面种子点，实现地面点与非地面点的分离。
1.2 典型地表附着物多元结构特征提取
具有典型特征的地表附着物(如楼房、桥梁、独立山体等)具 有 丰 富 明 显 的 点、线、面 等 结 构 特 征。然而，由于点云是离散不规则的采样数据，使得这些特征的精度往往受点间距、点云粗糙度等影响。为解决上述问题，研究提出一种顾及权重和典型特征地表附着物主方向的骨架线提取方法，从而改善点云粗糙度对轮廓线提取的影响;再对骨架线利用改进的 Douglas_Peucker算法分别提取无人机与激光点云特征点，为模型配准提供高精度的特征点。
通过国际摄影测量与遥感学会公开的数据对所采用算法的性能进行定量评估，结果表明：该算法相比较流行的分类强制正交算法，最大偏差平均减小了43.1%，均方根误差 平 均 降 低 了39.7%，建 筑 物占地面积相对误差平均降低了7.02%，点云贡献率平均提高了9.32%。
1.3 基于不确定度激光点云与无人机影像数据的配准与融合
针对传统无人机倾斜测量模型存在的问题，研究提出一种基于不确定度激光点云与无人机影像数据的配准及融合算法。首先利用 RANSAC 算法获取稳健的同名角点特征，然后基于两者的不确定度信息进行ICP配准，通过激光点云与无人机影像数据进行联合建模，实现激光点云与无人机摄影测量影像数据的融合。
利用上述算法，对某场地激光点云与无人机摄影测量影像数据的实际融合效果进行分析，见图2。融合点云倾斜模型误差在 X 方向中误差为0.04m，在Y 方 向 中 误 差 为 0.05 m，在 Z 方 向 中 误 差 为0.06m，平面中误差为0.06m。进而使平面精度提升14%，高程精度提升18.9%。
1.4 数据成果应用
在道路工程设计中，数据融合的成果可通过三维可视化方式真实还原工程环境。经过预处理后将其导出为 DEM/DTM/TIN 等 数 字模 型，可 以 直 接应用于道路选线和纵横断面剖切，能够满足设计精度的要求，且测设效率远高于传统测量手段[6]。
2 三维地质信息建模技术
2.1 三维地质信息建模技术原理
经典地质建模技术及算法的适用场景是在研究地域范围内，相对密集地通过钻孔采集地质资料，在一个近似凸多边形的范围内获得较多的钻孔点位。但是，对于道 路 工 程 这 样 的 带 状 空 间、线 性 工 程 来说，通常钻孔点间距较大、密度稀疏，使用经典算法难以得 到 满 意 的 结 果，也 不 能 与 数 字 地 面 模 型 相匹配。
因此，研究提出一种融合数字地面高程模型，按稀疏钻孔插值密度采样的地质模型构网的新方法，即“多参数置信权重分层三角网法”。初次建模时按原始钻孔数据得到不同阶次的分层拟合曲面，不同层次曲面的空间拟合参数不同，层次较深的拟合曲面偏于平滑，即采用二次抛物线拟合插值;反之，曲面采用高次抛物线拟合插值。从地形网格中分别取出各点，对多参数置信权重分层拟合曲面进行求交运算：表层地质曲面低于地形时，补足缺失的高度;地质曲面高于地形曲面时，剪切超出部分。采用有限分布的钻孔数据，来衡量地质特征的重要性，并将其应用于相似度插值计算中，以获取更加准确的计算结果。
三维地质信息模型的建立过程，简言之，是以地质调绘平面图和离散点的钻孔资料为基础，基于对一个离散化的自然模型建立相互联系的地下空间三维网格体[7];利用空间狄洛尼三角化将离散钻孔数据转化为空间线性的三角棱柱体;再应用 Bezier混合曲面来进行解译拟合三维结构面[8]。
2.2 地质信息建模(智绘地质)软件实现
三维地质地形信息模型软件包括：数据导入、钻孔数据预处理、标准层划分、地层插值与叠加分析、地质信息管理、体模型建立、空间模型显示、剖切与虚拟钻孔等功能模块。
软件对大量的地质数据进行预处理，根据钻孔的分布规律和分布密度，以及每个钻孔的地质分层信息，确定出研究区的地层分布，并按照土层性质划分地层，生成地层层面。由于在建模过程中对各个地层界面都是独立进行处理的，经过插值拟合的地层可能会因尖灭或缺失而导致层面相交的现象，需要进行地层 层 面 的 相 交 处 理，见 图3。在 地 质 建 模软件中通过布尔运算方法进行地层层面的相交运算处理。然后，通过软件实现 TIN 挤压方法，直 接 实现地层单元三维显示及模型切剖，最后在图形显示模块中进行三维观察和显示[9]。
3 地质信息模型在道路 BIM 设计中的应用
基于前述倾斜摄影与激光点云技术结合形成的三维地表高精度影像模型，融合地下地质体模型，形成三维空间信息融合体，其目的是为道路工程设计提供丰富、全面的基础数据，即在道路设计中能够实时提取地形和地质信息。
综合无人机、GIS、BIM 技术，自主研发了“智绘路基设计”软件1.0版，形成一套应用于公路路基防护、排水设计、桥梁桩基础承载力计算或验算的辅助设计技术和道路信息模型技术，并实现路基三维交互式设计、路基信息模型建立、图纸生成和工程数量统计等功能。软件主要由路基防护设计、道路排水设计、工程数量统计等模块组成。
3.1 智绘路基软件的防护设计模块
路基防护设计模块实现了高填深挖路基防护工程的辅助设计功能。该模块能够从道路模型中自动提取边坡三维模型数据，包括各桩号断面中所有边坡段的起终点空间坐标和类型属性，按照预设的控制和过滤条件，自动绘制坡面展开图，实现防护参数的智能标注，并同步记录和输出防护类型、区域范围 (桩号-标高坐标系)、边坡层级等信息，以填充的方式显示防护类型样式，并支持交互式拖动修改，能快速导出各分项工程数量，见图4。
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在路基防护设计工程数量统计和出图方面，程序自动在图形信息库中搜索所有的防护区域、边沟信息，按左右侧、上下层顺序及桩号大小进行分类和排序，自动生成工程数量电子表格，包含桩号范围、防护类型、坡高和材料用量表等信息，全过程无需人工干预。
3.2 智绘路基软件的排水设计模块
智绘路基软件程序从初始的道路 BIM 模型中，自动提取边沟、截水沟的初始模型数据，包括各桩号断面中边沟的空间坐标和类型属性。软件创建边沟平面和拉坡图实体，并将拉坡方案与道路模型关联，通过人机交互创建和编辑拉坡方案，绘制出边沟平面和拉坡图，刷新后道路模型同步发生改变，可实时编辑修改边沟变坡点的桩号和高程、添加编辑变坡点的桩号、上下平台高程，实现可视化交互式边沟动态设计。程序可自动导出《路基排水设计表》和《路基排水工程数量表》。
3.3 地质信息模型的应用
三维地理地质信息融合体，其内容丰富，数据规模庞大，除空间三维模型外还可将所有地层岩土属性信息导入信息模型，程序自动建立符合 BIM 通用标准的地质地形信息和统一的数据结构。这些信息能够在设计软件系统中进行访问和读取，消除数据传递、格式转换过程中的丢失、错漏现象，保证了信息模型的数据一致性，并可快速高效地实现三维地质体单元模型剖切、数值计算和模拟。
针对高填深挖路基防护设计难题，软件基于三维地质信息模型，能够剖切各设计断面的地质横断面模型，得到地质分层的二维多边形及其岩土类型编码，形成地质剖面图;叠加道路横断面设计图后，对锚杆、锚索的平面分布，以及钻孔入射角度、锚固长度进行可视化设计，根据岩土信息和参数，实时进行锚固力、边坡稳定性等计算和分析。
4 结语
本文提出了综合运用无人机倾斜摄影和激光点云技术的快速建模和数据平 差 方 法;GIS和地 勘资料建模的理论及其软件实现途径;快速生成三维地理、地质信息融合体，并 利 用 BIM 设计 技术 开 发 道路路基防护和排水工程的辅助设计软件。
综合应用新兴测设技术手段和 BIM 设计理念，可以打破传统的各专业信息孤岛、各阶段设计衔接难、路基专业设计不精确等瓶颈问题，实现道路设计的协同化、一 体 化 管 理，从而实现三维集成协同设计，促进我国道路设计技术手段的提升。——论文作者：林国涛1，孙增奎1，肖 斌2，张越峰1
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