CN113160403B - 一种高精度公路信息模型的建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高精度公路信息模型的建模方法，包括明确地形图采用的空间坐标系及其参数，确认是否为逆向建模，空间分区，投影转换和三维建模。根据测区跨度和地形动态选择合适的投影变形改正方法，对平面测量数据进行矫正，并在此基础之上建立高精度BIM三维设计模型，弥补公路工程BIM高精度设计模型相关研究这个空缺，更好的为项目建设、政府决策和公众出行服务。

Description

一种高精度公路信息模型的建模方法
技术领域
本发明涉及土木工程领域，尤其涉及一种高精度公路信息模型的建模方法。
背景技术
随着BIM(建筑信息模型)应用的深入，对信息模型质量和精度要求越来越高。由于公路、铁路、水利等大型基础设施空间跨度大，需要考虑实际地球的形状，其实际形状是在曲面上分布，而不是平面上分布。
在工程建设领域，大多是采用的空间坐标系是投影坐标系，其中高斯-克吕格投影和统一墨卡托投影最为常见。各类三维设计软件基础平台(如AutoCAD、Microstation、Catia等)都采用笛卡尔坐标系进行图形绘制与存储。IFC(工业基础类)中的路线坐标，采用的也是投影坐标系或局部笛卡尔坐标系。因此，投影坐标系的图形变形在路线工程中体现十分明显。
基础设施的三维模型数据的主要来源是采用投影坐标系的测量数据和三维建模的成果。因此，长距离大型线性工程不可避免的存在跨度广，平均海拔高和高程起伏大等特征，常规建模方法得到的三维模型，发生了较大的投影变形，导致工程三维模型不满足现实需要。现阶段，行业缺乏公路工程高精度三维设计模型的重视程度、系统性研究和普遍的解决方法。为了提高BIM精度，更好地集成利用，改变建模方法、开发相关工具是提高三维模型精度，建立更加相符真实形状的几何外形成为了关键问题。
投影变形主要分为三种：长度变形、角度变形和面积变形。工程项目在中国主要采用高斯正形投影，理论上该投影方式没有角度变形，但是会产生方向变形。所以长度变形、方向变形和面积变形直接关系到实际工程三维模型的精度。长度变形会使线性工程的长度与实际产生偏差，在公路项目中尤为显著；方向或角度变形则使公路走向发生偏移，离中央经线越远偏移越明显；公路工程中的大型构造物如隧道、桥梁和服务区等受面积变形影响较大，距离中央经线越远面积变形越大。
根据高斯绝妙定理可知，地球表面不可在平面展开。因此，使用投影坐标系绘制的地形图上，其地物的形状与实际图形存在变形情况。此外，投影面高程与实际的区域高程也存在较大的差距，造成了信息模型的创建，一般使用笛卡尔坐标系下的三维CAD软件完成。在进行公路路线的设计时，三维CAD软件是以采用投影坐标系的地形图为基础开展平纵设计，从而导致建立的三维道路模型存在平面误差和高程误差。这些误差体现在路线走向、长度、角度、面积等方面，带来了里程桩号变化、量算误差和工程量的不精准等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种高精度公路信息模型的建模方法。
本发明采用如下技术方案：
一种高精度公路信息模型的建模方法，包括以下步骤：
步骤1，工程坐标系信息，明确地形图采用的空间坐标系及其参数，提取纬度、中央经线、道路结构物、海拔和高程差；
步骤2，确认是否为逆向建模，如是，开展逆向建模，空间分区的对象是工程构造物分布、数字地面模型(dtm)、特征点、线及标志；如否，开展三维设计，空间分区的对象是地形图；
步骤3，空间分区，根据路线占据的空间进行分区，分区需要结合道路结构物、地形起伏划定；
步骤4，投影转换，查询各个分区的几何中心经度值、平均高程值；在地球椭球参数不变的基础上，重设中央经度值和投影高程面值，对各个分区的图形和坐标值进行重新投影换算，得到新的图形和数值；
步骤5，三维建模，根据转换过后的特征线确定各类设施实际的里程桩号数值。
本发明的进一步技术:
优选的，在三维建模后进行结果检核，检核分区的完整性、投影转换的正确性、分区接边的连接性、平面位置的最大误差值。
优选的，三维设计和逆向建模都在分区内完成，不能跨区。
优选的，空间分区中，在纬度20-40度之间，距离中央经线0.01度处的坐标偏差在3-5cm之间，各个区域的基本宽度设定为1.6-2.0千米之间，每个区域的最大高差不大于160米，若超过160米，进行进一步分区。
有益效果
在实际公路BIM工程项目中，根据测区跨度和地形动态选择合适的投影变形改正方法，对平面测量数据进行矫正，并在此基础之上建立高精度BIM三维设计模型，弥补公路工程BIM高精度设计模型相关研究这个空缺，更好的为项目建设、政府决策和公众出行服务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的技术路线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种高精度公路信息模型的建模方法，包括以下步骤：(1)资料准备
明确地形图采用的空间坐标系及其参数，主要参数包括地球椭球、水准面、中央经线、投影面高程、高程分布等。
(2)空间分区
根据路线占据的空间进行分区，分区需要结合道路结构物、地形起伏等划定。
经计算，在纬度20-40度之间，距离中央经线0.01度处的坐标偏差在3-5cm之间。因此，各个区域的基本宽度设定为1.6-2.0千米之间。每个区域的最大高差一般不大于160米，若超过160米，进行进一步分区。
根据三维建模的需求，如果是开展三维设计，空间分区的对象是地形图及其相关测量数据；如果是开展已有方案或道路的三维逆向建模，空间分区的对象是设计路线总平面图(工程构造物分布)、数字地面模型(dtm)、特征点线及标志。
空间分区兼顾效率与精度，保证公路工程区域全部覆盖。在开发的辅助工具中，可以根据项目地理位置(经纬度)进行定位、投影高程设定和分区范围设置，同时自动进行分区编号、计算分区中央经线、获取分区范围坐标。
(3)各分区投影变换
查询各个分区的几何中心经度值、平均高程值。在地球椭球参数不变的基础上，修改投影中央经度值和投影高程面值，对各个分区的图形和坐标值进行重新投影换算，得到新的图形和数值。
投影变换使用GIS类软件，如ArcGIS、SuperMap等，因此CAD数据首先要导入GIS软件中，然后赋予坐标系，投影转换，最后导出为CAD数据，开展后续三维建模工作。辅助工具负责表格形式的投影坐标向大地坐标的换算。
(4)三维建模
由于投影转换过后会引起里程桩号的变化，所以不能再使用原来的桩基坐标表、路线表等坐标成果，需要根据转换过后的特征线确定各类设施实际的里程桩号数值。
已有设计方案三维逆向建模中，桥梁的尺寸保持与设计图一致，不考虑其投影变形影响；隧道保持出入洞口设施的尺寸保持与设计图一致，洞身根据投影进行变化；道路相关的房屋建筑保持与设计图一致。
(5)结果检核
检核分区的完整性、投影转换的正确性、分区接边的连接性、平面位置的最大误差值。
辅助工具负责建立的三维模型的格式转换和可视化加载、与地图进行叠加对比、距离的量算等。
技术指标：投影转换使用商业GIS软件ArcGIS 10.1以上或SuperMap 9D以上，CAD数据格式为dwg 2007。
功能指标：空间分区结合使用CAD软件和开发的分区辅助工具，CAD软件负责图形要素的分割与导出，GIS软件负责地理坐标的读取、投影转换和格式转换。投影转换算法精度优于1mm，每个分区的长度变形不高于5cm，点位误差不高于5cm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (2)

1.一种高精度公路信息模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，工程坐标系信息，明确地形图采用的空间坐标系及其参数，提取纬度、中央经线、道路结构物、海拔和高程差；
步骤2，确认是否为逆向建模，如是，开展逆向建模，空间分区的对象是工程构造物分布、数字地面模型、特征点、线及标志；如否，开展三维设计，空间分区的对象是地形图；
步骤3，空间分区，根据路线占据的空间进行分区，分区需要结合道路结构物、地形起伏划定;
空间分区中，在纬度20-40度之间，距离中央经线0.01度处的坐标偏差在3-5cm之间，各个区域的基本宽度设定为1.6-2.0千米之间，每个区域的最大高差不大于160米，若超过160米，进行进一步分区；
根据三维建模的需求，如果是开展三维设计，空间分区的对象是地形图及其相关测量数据；如果是开展已有方案或道路的三维逆向建模，空间分区的对象是设计路线总平面图、数字地面模型、特征点、线及标志；
在开发的辅助工具中，可以根据项目地理位置进行定位、投影高程设定和分区范围设置，同时自动进行分区编号、计算分区中央经线、获取分区范围坐标；
步骤4，投影转换，查询各个分区的几何中心经度值、平均高程值；在地球椭球参数不变的基础上，重设中央经度值和投影高程面值，对各个分区的图形和坐标值进行重新投影换算，得到新的图形和数值；
步骤5，三维建模，根据转换过后的特征线确定各类设施实际的里程桩号数值；
三维设计和逆向建模都在分区内完成，不能跨区。
2.根据权利要求1中所述的一种高精度公路信息模型的建模方法，其特征在于，在三维建模后进行结果检核，检核分区的完整性、投影转换的正确性、分区接边的连接性、平面位置的最大误差值。
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