CN117874898B - 基于bim与gis的公路三维边坡相交设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法及系统，属于公路工程边坡设计及建模技术领域。该方法包括令待相交处理的两个边坡实体对象一个为主坡，另一个为副坡；获取两个边坡的单个边坡对象设计结果，从而获取副坡边坡坡面边缘三维轮廓线，计算该坡面边缘三维轮廓线在水平面上的投影曲线，该投影曲线曲线围成一个闭合区域R；从主坡起始桩号到主坡终止桩号，以桩号步长为A进行遍历计算，寻找各条边坡交线，从而实现公路工程三维边坡相交设计。本发明充分考虑了边坡等公路工程构造物的特征、空间位置及相交关系，能满足各种场景下的边坡相交设计需要，计算结果准确且算法高效，易于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于公路工程边坡设计及建模技术领域，具体涉及一种基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法及系统。
背景技术
目前现有的公路工程边坡设计主要是基于路基横断面的二维断面设计方法。二维断面设计方法具体是基于路线横断面、横断面地面线以及放坡参数，快速分析并计算出路基横断面坡面线；该方法对于发生坡面线相交的两两路基横断面，可以快速通过平面相交算法计算出交点，进而确定各路基横断面的放坡范围，但是这种方法仅仅只能处理路基横断面上的边坡相交问题，无法解决边坡空间相交的问题。
实际边坡相交多数情况下都属于空间相交，现有二维断面设计方法仅仅通过有限数量的离散横断面相交来近似解决边坡相交问题是比较粗糙、模糊的，更不足以用来建立精确的边坡BIM模型。边坡相交是公路工程立交区等边坡设计中大量遇到的问题，采用现有这种设计方法还需要结合大量重复的手工数据提取工作，来满足断面相交前的信息准备需要，设计效率低、不精细且不直观。因此如何克服现有技术的不足是目前公路工程边坡设计及建模技术领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法及系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法，包括如下步骤：
令待相交处理的两个边坡实体对象其中任意一个为主坡，另一个为副坡；
两个边坡分别独立进行三维参数化放坡设计，获取每个边坡对象设计结果；提取副坡坡面几何造型的边界曲线，即副坡坡面边缘三维轮廓线；然后计算得到该坡面边缘三维轮廓线在水平面上的投影曲线，该投影曲线围成一个闭合区域R；
从主坡起始桩号到主坡终止桩号，以桩号步长为A进行遍历计算，寻找各条边坡交线；令当前交线编号L的初值为0，当前计算所得交点编号J的初值为0，当前主坡计算断面桩号M为主坡起始桩号；遍历步骤如下：
步骤a：根据获取的主坡边坡对象设计结果，计算当前主坡计算断面桩号M断面上的放坡线Z，然后将放坡线Z投影在水平面上，计算得到放坡线Z的投影线S；
步骤b：判断投影线S的起止点是否均在投影区域R中；
如果都不在，则说明主坡该断面坡面不会与副坡发生相交，然后将当前交线编号L增加1，并将当前主坡计算断面桩号M增加桩号步长A，重复步骤a~步骤b；反之，则说明主坡该断面坡面可能与副坡发生相交，继续进行步骤c；
步骤c：计算副坡上与投影线S发生相交的具体桩号断面及交点，迭代步骤如下：
步骤c1：沿着投影线S的起点到止点的方向从起点偏移距离D，每次偏移将得到一个水平面上的点P，设初次当前偏移距离为0；
步骤c2：计算点P相对于副坡所在路线范围内的边线上最近点Pn以及Pn对应的桩号N，从而获取点P所在的副坡断面，进而计算得到该副坡断面的放坡线F；
步骤c3：判断放坡线Z与放坡线F是否发生了三维空间相交；
如果放坡线Z与放坡线F未相交，将当前偏移距离D增加步长B，重复步骤c1~c3；若当前偏移距离D增加步长B超过S的长度，则说明当前主坡断面未与副坡发生相交，则将当前交线编号L增加1，并转到步骤a；
如果放坡线Z与放坡线F相交，则计算交点，标记该交点编号为J，标记该交点所属的当前交线编号L，且将当前计算所得交点编号J增加1；
步骤d：获得步骤c3得到的所有交点，并将属于相同交线编号的交点以交点编号从小到大的顺序按照多段直线的方式构造得到每条边坡交线。
进一步，步骤c2中，获取点P所在的副坡断面的具体方法为：计算点P在副坡所在路线的侧边线上的最近点Pn，通过Pn计算副坡所在路线平曲线上的最近点Pz，通过Pz得到对应副坡所在路线的断面桩号N，进而计算得到点P所在的副坡断面。
进一步，步骤d中，计算得到每根交线的具体方法为：所有计算出来的交点都有两个编号，一个是交点编号，一个是交点所在交线的编号，其中所在交线编号相同的交点将作为一组来构造该条边坡交线，每组交点将按照交点编号从小到大的顺序以多段直线的方式构造形成边坡交线。
本发明同时提供基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计系统，采用上述基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法，包括：
路线数据提取模块，用于在BIM模型中提取任意位置处的路线基本信息和数据，进而确定单个边坡对象的放坡起点位置和放坡方向，以及任意平面位置点相对于指定路线的横断面桩号；
地面高程提取模块，用于在BIM模型中获取任意平面位置处对应的高程以及任意平面投影路径下的地面高程曲线，进而用于确定单个边坡放坡的止点位置；
边坡三维参数化设计模块，分别与路线数据提取模块、地面高程提取模块相连，用于控制在既有路线数据和地面高程数据的情况下的单个边坡对象的三维建模参数，并根据这些参数和数据进行单个边坡实体对象的创建、放坡计算和坡面几何造型建模；
三维模型显示及交互模块，与边坡三维参数化设计模块相连，用于显示当前状态下边坡对象的三维造型及其渲染状态，还用于对三维模型进行图形编辑，以及对三维模型所在的三维场景进行观察操作；
边坡相交计算模块，分别与边坡三维参数化设计模块、三维模型显示及交互模块相连，用于采用上述的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法计算交线，并通过相交控制参数进行计算精度的控制，同时对相交后的边坡进行边坡裁剪，并更新显示相交后的边坡模型至三维模型显示及交互模块中进行显示。采用本发明的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计系统进行三维边坡相交设计流程图如图2所示。
进一步，边坡对象的三维建模参数包括逐级边坡的坡高、坡率、平台宽度、平台坡率、最大坡高、防护类型以及护坡道及坡脚修正参数。
进一步，三维模型显示及交互模块中，所述的图形编辑包括拾取、拖拽，观察操作包括旋转、缩放、跳转。
进一步，相交控制参数包括：主坡归属路线、桩号遍历步长、相交断面偏距步长、相交精度阈值、是否设置中间排水沟、中间排水沟模板、主坡护坡道宽度和副坡护坡道宽度。
进一步，还包括交线编辑及更新模块，交线编辑及更新模块与边坡相交计算模块相连，用于对相交多段直线进行局部编辑调整至现场所需的位置，再由产生新的交线去更新裁剪边坡。
需要说明的是：当前主坡计算断面桩号M增加桩号步长A进行迭代时，当前主坡计算断面桩号M增加桩号步长A后应在本主坡桩号范围内，若超出，则停止迭代。
本发明步骤c3中，判断放坡线Z与放坡线F是否发生了三维空间相交的具体方法为：放坡线Z与F均为空间三维多段直线，通过现有调三维空间多段线几何相交算法即可做相交判定并计算得到交点。
本发明中，地面高程提取模块提供数字高程数据，并提供所需的高程查询及地面线获取功能；
路线数据提取模块提供路线数据，并提供所需的路线数据提取功能；
首先，根据边坡设计控制参数（逐级边坡的坡高、坡率、平台宽度、平台坡率、最大坡高、防护类型以及护坡道及坡脚修正参数）对指定路线桩号范围内的边坡进行分析和建模，并在三维视口内生成可视化的边坡模型；
然后，在三维视口中选中任意两个不同的边坡，启动边坡相交功能；
配置本次边坡相交控制参数，包括主坡归属路线、桩号遍历步长、相交断面偏距步长、相交精度阈值、是否设置中间排水沟、中间排水沟模板、主坡护坡道宽度、副坡护坡道宽度；
运行基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法，计算所有边坡相交交线；
以边坡相交交线为边界对每个原始边坡进行裁剪，得到相交后的边坡结果。
本发明中，渲染状态包括贴图、颜色和光照。
本发明中，交线编辑及更新模块用于对相交多段直线的指定控制点选中、增删、拖拽、延伸及缩短，可通过对相交多段线进行拖拽、延伸及缩短操作，将边坡相交算法计算得到的交线进行局部编辑调整到现场所需的位置，再由产生新的交线去更新裁剪边坡。
本发明中，桩号遍历步长、相交断面偏距步长、相交精度阈值宜根据实际边坡相交规模以及计算精度的需要来试算取值，其中步长和阈值的取值越小，计算结果越精细，但计算量越大。
（1）本发明以边坡实体为建模、编辑和分析对象，更加符合客观自然特征。
（2）相比于现有抽象的离散断面表示方式，本发明建立了参数化的精细三维边坡模型，并做了可视化的模型展示，信息表达更加丰富，也更加形象直观。
（3）本发明提供了三维图形化的交互编辑方式，操作简单便捷。
（4）本发明结合GIS及BIM的技术，将地形资料、路线、边坡工程业务数据和编辑功能模块进行了系统集成，便于计算分析、数据提取和编辑管理。
（5）本发明充分考虑了边坡等公路工程构造物的业务特征、空间位置及相交关系，通过简单的参数控制即可满足各种场景下的边坡相交设计需要，计算结果准确且算法高效。
（6）采用本发明的方法和系统进行公路工程边坡相交设计，相比于现有技术，设计效率和精细度均至少提升5倍以上，且设计过程轻松友好。
附图说明
图1为本发明的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法流程图；
图2为采用本发明的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计系统进行三维边坡相交设计流程图；
图3为本发明的公路三维边坡空间相交关系示意图；
图4为本发明的基于BIM与GIS的公路三维边坡实体对象的参数化设计的参数编辑界面图；
图5为应用实例1的边坡相交前的三维模型图；
图6为应用实例1的边坡相交后的三维模型图；
图7为应用实例1的相交边坡段落中的相交断面图；
图8为应用实例2的边坡相交前的三维模型图；
图9为应用实例2的边坡相交后的三维模型图；
图10为应用实例2的相交边坡段落中的相交断面图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
如图1和图3所示，基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法，包括如下步骤：
令待相交处理的两个边坡实体对象其中任意一个为主坡，另一个为副坡；
两个边坡分别独立进行三维参数化放坡设计，获取每个边坡对象设计结果；提取副坡坡面几何造型的边界曲线，即副坡坡面边缘三维轮廓线；然后计算得到该坡面边缘三维轮廓线在水平面上的投影曲线，该投影曲线围成一个闭合区域R；
从主坡起始桩号到主坡终止桩号，以桩号步长为A进行遍历计算，寻找各条边坡交线；令当前交线编号L的初值为0，当前计算所得交点编号J的初值为0，当前主坡计算断面桩号M为主坡起始桩号；遍历步骤如下：
步骤a：根据获取的主坡边坡对象设计结果，计算当前主坡计算断面桩号M断面上的放坡线Z，然后将放坡线Z投影在水平面上，计算得到放坡线Z的投影线S；
步骤b：判断投影线S的起止点是否均在投影区域R中；
如果都不在，则说明主坡该断面坡面不会与副坡发生相交，然后将当前交线编号L增加1，并将当前主坡计算断面桩号M增加桩号步长A，重复步骤a~步骤b；反之，则说明主坡该断面坡面可能与副坡发生相交，继续进行步骤c；
步骤c：计算副坡上与投影线S发生相交的具体桩号断面及交点，迭代步骤如下：
步骤c1：沿着投影线S的起点到止点的方向从起点偏移距离D，每次偏移将得到一个水平面上的点P，设初次当前偏移距离为0；
步骤c2：计算点P相对于副坡所在路线范围内的边线上最近点Pn以及Pn对应的桩号N，从而获取点P所在的副坡断面，进而计算得到该副坡断面的放坡线F；
步骤c3：判断放坡线Z与放坡线F是否发生了三维空间相交；
如果放坡线Z与放坡线F未相交，将当前偏移距离D增加步长B，重复步骤c1~c3；若当前偏移距离D增加步长B超过S的长度，则说明当前主坡断面未与副坡发生相交，则将当前交线编号L增加1，并转到步骤a；
如果放坡线Z与放坡线F相交，则计算交点，标记该交点编号为J，标记该交点所属的当前交线编号L，且将当前计算所得交点编号J增加1；
步骤d：获得步骤c3得到的所有交点，并将属于相同交线编号的交点以交点编号从小到大的顺序按照多段直线的方式构造得到每条边坡交线。
具体地，步骤c2中，获取点P所在的副坡断面的具体方法为：计算点P在副坡所在路线的侧边线上的最近点Pn，通过Pn计算副坡所在路线平曲线上的最近点Pz，通过Pz得到对应副坡所在路线的断面桩号N，进而计算得到点P所在的副坡断面。
具体地，步骤d中，计算得到每根交线的具体方法为：所有计算出来的交点都有两个编号，一个是交点编号，一个是交点所在交线的编号，其中所在交线编号相同的交点将作为一组来构造该条边坡交线，每组交点将按照交点编号从小到大的顺序以多段直线的方式构造形成边坡交线。
本发明同时提供基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计系统，采用上述基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法，包括：
路线数据提取模块，用于在BIM模型中提取任意位置处的路线基本信息和数据，进而确定单个边坡对象的放坡起点位置和放坡方向，以及任意平面位置点相对于指定路线的横断面桩号；
地面高程提取模块，用于在BIM模型中获取任意平面位置处对应的高程以及任意平面投影路径下的地面高程曲线，进而用于确定单个边坡放坡的止点位置；
边坡三维参数化设计模块，分别与路线数据提取模块、地面高程提取模块相连，用于控制在既有路线数据和地面高程数据的情况下的单个边坡对象的三维建模参数，并根据这些参数和数据进行单个边坡实体对象的创建、放坡计算和坡面几何造型建模；
三维模型显示及交互模块，与边坡三维参数化设计模块相连，用于显示当前状态下边坡对象的三维造型及其渲染状态，还用于对三维模型进行图形编辑，以及对三维模型所在的三维场景进行观察操作；
边坡相交计算模块，分别与边坡三维参数化设计模块、三维模型显示及交互模块相连，用于采用上述的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法计算交线，并通过相交控制参数进行计算精度的控制，同时对相交后的边坡进行边坡裁剪，并更新显示相交后的边坡模型至三维模型显示及交互模块中进行显示；
具体地，边坡对象的三维建模参数包括逐级边坡的坡高、坡率、平台宽度、平台坡率、最大坡高、防护类型以及护坡道及坡脚修正参数。
具体地，三维模型显示及交互模块中，所述的图形编辑包括拾取、拖拽，观察操作包括旋转、缩放、跳转。
具体地，相交控制参数包括：主坡归属路线、桩号遍历步长、相交断面偏距步长、相交精度阈值、是否设置中间排水沟、中间排水沟模板、主坡护坡道宽度和副坡护坡道宽度。
具体地，还包括交线编辑及更新模块，交线编辑及更新模块与边坡相交计算模块相连，用于对相交多段直线进行局部编辑调整至现场所需的位置，再由产生新的交线去更新裁剪边坡。
以景洪（绕城）至勐龙（240界碑）高速公路工程项目曼飞龙立交区边坡相交设计为例：
首先，我们根据基础地形设计资料建立了可视化三维数字地形模型，并且通过地面高程提取模块获取任意投影平面位置处对应的地面高程曲线。
其次，我们进行路线设计之后获得了路线的BIM模型，通过路线数据提取模块，可以从路线BIM模型中按需提取任意位置处的路线基本信息和数据、任意桩号断面的位置和方向以及任意平面位置点相对于指定路线的横断面桩号。
本项目匝道E与匝道C为曼飞龙立交区两条相邻道路，两条道路内侧均以路堑边坡进行放坡设计，其中，我们将从匝道E路边线起放的边坡称之为主坡（桩号范围EK0+226.649~EK0+372.083），从匝道C路边线起放的边坡称之为副坡（桩号范围CK0+520.008~CK0+716.735），根据现场地形、路线以及边坡三维建模控制参数，通过边坡三维参数化设计模块可以自动分析计算得到两个边坡实体的原始设计结果及可视化三维模型，边坡实体对象三维参数化设计如图4所示。
如图5所示，通过主坡及副坡三维模型，可以很清楚的看到两个边坡发生了边坡重叠相交的情况，选中两个边坡实体对象，接下来通过本发明方法来计算两段边坡实体对象的相交交线：
根据计算分析得到的单个边坡对象设计结果，我们可以获取副坡边坡坡面几何造型边缘三维轮廓线，进一步地，计算得到该坡面边缘三维轮廓线在水平面上的投影曲线，该投影曲线围成一个闭合区域R；
从主坡起始桩号到主坡终止桩号，以桩号步长为A（经过试算拟定步长取0.1m）进行遍历计算，寻找各条边坡交线；令当前交线编号L的初值为0，当前计算所得交点编号J的初值为0，当前主坡计算断面桩号M为主坡起始桩号；遍历步骤如下：
步骤a：根据获取的主坡边坡对象设计结果，计算当前主坡计算断面桩号M断面上的放坡线Z，然后将放坡线Z投影在水平面上，计算得到放坡线Z的投影线S；
步骤b：判断投影线S的起止点是否均在投影区域R中；
如果都不在，则说明主坡该断面坡面不会与副坡发生相交，然后将当前交线编号L增加1，并将当前主坡计算断面桩号M增加桩号步长A，重复步骤a~步骤b；反之，则说明主坡该断面坡面可能与副坡发生相交，继续进行步骤c；
步骤c：计算副坡上与投影线S发生相交的具体桩号断面及交点，迭代步骤如下：
步骤c1：沿着投影线S的起点到止点的方向从起点偏移距离D，每次偏移将得到一个水平面上的点P，设初次当前偏移距离为0；
步骤c2：计算点P相对于副坡所在路线范围内的边线上最近点Pn以及Pn对应的桩号N，从而获取点P所在的副坡断面，进而计算得到该副坡断面的放坡线F；
步骤c3：判断放坡线Z与放坡线F是否发生了三维空间相交（经过试算拟定相交判定阈值取0.1m）；
如果放坡线Z与放坡线F未相交，将当前偏移距离D增加步长B（经过试算拟定步长取0.1m），重复步骤c1~c3；若当前偏移距离D增加步长B超过了S的长度，则说明当前主坡断面未与副坡发生相交，则将当前交线编号L增加1，并转到步骤a；如果放坡线Z与放坡线F相交，则计算交点，标记该交点编号为J，标记该交点所属的当前交线编号L，且将当前计算所得交点编号J增加1；
步骤d：获得步骤c3得到的所有交点，并将属于相同交线编号的交点以交点编号从小到大的顺序按照多段直线的方式构造得到每条边坡交线。
将以上计算得到的交线作为裁剪准线对既有原始主坡和副坡实体进行边坡三维裁剪，得到如图6所示的相交后的边坡设计结果及三维模型，可以看到匝道E上的主坡与匝道C上的副坡已经发生相交并被交线裁剪后在交线处衔接起来，符合预期结果，同时，如图7所示，我们可以通过断面数据提取及其视图观察两段边坡实体相交后的任意断面情况，以精确验证和分析相交方案的合理性，进而指导和完善边坡相交设计，可以从断面上看到本实例相交后的两个边坡断面准确的对接在了交点处。
同样地，以景洪（绕城）至勐龙（240界碑）高速公路工程项目曼景立交区边坡相交设计为例：
首先，我们根据基础地形设计资料建立了可视化三维数字地形模型，并且通过地面高程提取模块获取任意投影平面位置处对应的地面高程曲线。
其次，我们进行路线设计之后获得了路线的BIM模型，通过路线数据提取模块，可以从路线BIM模型中按需提取任意位置处的路线基本信息和数据、任意桩号断面的位置和方向以及任意平面位置点相对于指定路线的横断面桩号。
本项目匝道E与匝道C和匝道D相邻，三条道路内侧均以路堑边坡进行放坡设计，其中，我们将从匝道E路边线起放的两侧边坡称之为主坡（靠近匝道C侧主坡桩号范围EK0+233.04~EK0+340.715，靠近匝道D侧主坡桩号范围EK0+233.04~EK0+360），从匝道C（副坡桩号范围CK0+891.74~CK1+062.323）和匝道D（副坡桩号范围DK0+067.358~DK0+164.374）路边线起放的边坡称之为副坡，根据现场地形、路线以及边坡三维建模控制参数，通过边坡三维参数化设计模块可以自动分析计算得到所有边坡实体的原始设计结果及可视化三维模型。
如图8所示，通过主坡及副坡三维模型，可以很清楚的发现匝道E两侧主坡分别与匝道C和匝道D的两个副坡发生了边坡重叠相交的情况，分别选中两组边坡待相交边坡实体对象，接下来通过边坡相交算法来计算两组待相交边坡实体对象的边坡相交交线：
根据计算分析得到的单个边坡对象设计结果，我们可以获取副坡边坡坡面几何造型边缘三维轮廓线，进一步地，计算得到该坡面边缘三维轮廓线在水平面上的投影曲线，该投影曲线围成一个闭合区域R；
从主坡起始桩号到主坡终止桩号，以桩号步长为A（经过试算拟定步长取0.1m）进行遍历计算，寻找各条边坡交线；令当前交线编号L的初值为0，当前计算所得交点编号J的初值为0，当前主坡计算断面桩号M为主坡起始桩号；遍历步骤如下：
步骤a：根据获取的主坡边坡对象设计结果，计算当前主坡计算断面桩号M断面上的放坡线Z，然后将放坡线Z投影在水平面上，计算得到放坡线Z的投影线S；
步骤b：判断投影线S的起止点是否均在投影区域R中；
如果都不在，则说明主坡该断面坡面不会与副坡发生相交，然后将当前交线编号L增加1，并将当前主坡计算断面桩号M增加桩号步长A，重复步骤a~步骤b；反之，则说明主坡该断面坡面可能与副坡发生相交，继续进行步骤c；
步骤c：计算副坡上与投影线S发生相交的具体桩号断面及交点，迭代步骤如下：
步骤c1：沿着投影线S的起点到止点的方向从起点偏移距离D，每次偏移将得到一个水平面上的点P，设初次当前偏移距离为0；
步骤c2：计算点P相对于副坡所在路线范围内的边线上最近点Pn以及Pn对应的桩号N，从而获取点P所在的副坡断面，进而计算得到该副坡断面的放坡线F；
步骤c3：判断放坡线Z与放坡线F是否发生了三维空间相交（经过试算拟定相交判定阈值取0.1m）；
如果放坡线Z与放坡线F未相交，将当前偏移距离D增加步长B（经过试算拟定步长取0.1m），重复步骤c1~c3；若当前偏移距离D增加步长B超过S的长度，则说明当前主坡断面未与副坡发生相交，则将当前交线编号L增加1，并转到步骤a；如果放坡线Z与放坡线F相交，则计算交点，标记该交点编号为J，标记该交点所属的当前交线编号L，且将当前计算所得交点编号J增加1；
步骤d：获得步骤c3得到的所有交点，并将属于相同交线编号的交点以交点编号从小到大的顺序按照多段直线的方式构造得到每条边坡交线。
将以上边坡相交算法计算得到的交线作为裁剪准线对既有原始主坡和副坡实体进行边坡三维裁剪，得到如图9所示的相交后的边坡设计结果及三维模型，同时，可以看到匝道E上的主坡与匝道C上的副坡已经发生相交并被交线裁剪后在交线处衔接起来，匝道E上的主坡与匝道D上的副坡已经发生相交并被交线裁剪后在交线处衔接起来，符合预期结果，如图10所示，我们可以通过断面数据提取及其视图观察两段边坡实体相交后的任意断面情况，以精确验证和分析相交方案的合理性，进而指导和完善边坡相交设计，可以从断面上看到本实例的相交后的两组边坡断面准确的对接在了交点处。
一直以来，传统公路工程路基边坡设计都是针对单条路线进行逐桩号断面的设计，设计过程面向的都是一个个路基横断面，得到的成果也主要是有限个离散的横断面，当碰到相邻两条路线的边坡发生相交的时候，很难进行有效处理。一种方式是通过平面图上的两个边坡投影区域大致确定边坡相交范围，然后将相交范围内的所有这些路基横断面进行两两相交判断，找出最接近相交的两组横断面来近似计算交点，进而修正路基横断面数据结果。这样的做法仅能粗略估算相交位置，计算结果与实际效果往往存在较大误差，并且，处理过程完全需要依靠手工，存在较大重复繁琐的工作量，设计效率相当低下，导致设计人员很难对边坡相交问题进行精确和深化设计，甚至有时候会选择通过调整设计方案来尽可能避免发生边坡相交问题，比如将边坡相交区域挖平或者填平的方式进行暴力处理，进而导致方案设计造成工程填挖量大、桥隧比高、造价高等设计缺陷。
本发明正好是对传统设计方式存在的这些问题进行了针对性的解决，主要体现在：以边坡实体为建模、编辑和分析对象，更加符合客观自然特征；相比于现有抽象的离散断面表示方式，本发明建立了参数化的精细三维边坡模型，并做了可视化的模型展示，信息表达更加丰富，也更加形象直观；本发明提供了三维图形化的交互编辑方式，操作简单便捷；本发明结合GIS及BIM的技术，将地形资料、路线、边坡工程业务数据和编辑功能模块进行了系统集成，便于计算分析、数据提取和编辑管理；本发明充分考虑了边坡等公路工程构造物的业务特征、空间位置及相交关系，通过简单的参数控制即可满足各种场景下的边坡相交设计需要，计算结果准确且算法高效；采用本发明的方法和系统进行公路工程边坡相交设计，相比于现有技术，设计效率和精细度均至少提升5倍以上，且设计过程轻松友好。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
令待相交处理的两个边坡实体对象其中任意一个为主坡，另一个为副坡；
两个边坡分别独立进行三维参数化放坡设计，获取每个边坡对象设计结果；提取副坡坡面几何造型的边界曲线，即副坡坡面边缘三维轮廓线；然后计算得到该坡面边缘三维轮廓线在水平面上的投影曲线，该投影曲线围成一个闭合区域R；
从主坡起始桩号到主坡终止桩号，以桩号步长为A进行遍历计算，寻找各条边坡交线；令当前交线编号L的初值为0，当前计算所得交点编号J的初值为0，当前主坡计算断面桩号M为主坡起始桩号；遍历步骤如下：
步骤a：根据获取的主坡边坡对象设计结果，计算当前主坡计算断面桩号M断面上的放坡线Z，然后将放坡线Z投影在水平面上，计算得到放坡线Z的投影线S；
步骤b：判断投影线S的起止点是否均在投影区域R中；
如果都不在，则说明主坡该断面坡面不会与副坡发生相交，然后将当前交线编号L增加1，并将当前主坡计算断面桩号M增加桩号步长A，重复步骤a~步骤b；反之，则说明主坡该断面坡面可能与副坡发生相交，继续进行步骤c；
步骤c：计算副坡上与投影线S发生相交的具体桩号断面及交点，迭代步骤如下：
步骤c1：沿着投影线S的起点到止点的方向从起点偏移距离D，每次偏移将得到一个水平面上的点P，设初次当前偏移距离为0；
步骤c2：计算点P相对于副坡所在路线范围内的边线上最近点Pn以及Pn对应的桩号N，从而获取点P所在的副坡断面，进而计算得到该副坡断面的放坡线F；
步骤c3：判断放坡线Z与放坡线F是否发生了三维空间相交；
如果放坡线Z与放坡线F未相交，将当前偏移距离D增加步长B，重复步骤c1~c3；若当前偏移距离D增加步长B超过S的长度，则说明当前主坡断面未与副坡发生相交，则将当前交线编号L增加1，并转到步骤a；
如果放坡线Z与放坡线F相交，则计算交点，标记该交点编号为J，标记该交点所属的当前交线编号L，且将当前计算所得交点编号J增加1；
步骤d：获得步骤c3得到的所有交点，并将属于相同交线编号的交点以交点编号从小到大的顺序按照多段直线的方式构造得到每条边坡交线。
2.根据权利要求1所述的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法，其特征在于，步骤c2中，获取点P所在的副坡断面的具体方法为：计算点P在副坡所在路线的侧边线上的最近点Pn，通过Pn计算副坡所在路线平曲线上的最近点Pz，通过Pz得到对应副坡所在路线的断面桩号N，进而计算得到点P所在的副坡断面。
3.根据权利要求1所述的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法，其特征在于，步骤d中，计算得到每根交线的具体方法为：所有计算出来的交点都有两个编号，一个是交点编号，一个是交点所在交线的编号，其中所在交线编号相同的交点将作为一组来构造该条边坡交线，每组交点将按照交点编号从小到大的顺序以多段直线的方式构造形成边坡交线。
4.基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计系统，采用权利要求1~3任意一项所述的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法，其特征在于，包括：
路线数据提取模块，用于在BIM模型中提取任意位置处的路线基本信息和数据，进而确定单个边坡对象的放坡起点位置和放坡方向，以及任意平面位置点相对于指定路线的横断面桩号；
地面高程提取模块，用于在BIM模型中获取任意平面位置处对应的高程以及任意平面投影路径下的地面高程曲线，进而用于确定单个边坡放坡的止点位置；
边坡三维参数化设计模块，分别与路线数据提取模块、地面高程提取模块相连，用于控制在既有路线数据和地面高程数据的情况下的单个边坡对象的三维建模参数，并根据这些参数和数据进行单个边坡实体对象的创建、放坡计算和坡面几何造型建模；
三维模型显示及交互模块，与边坡三维参数化设计模块相连，用于显示当前状态下边坡对象的三维造型及其渲染状态，还用于对三维模型进行图形编辑，以及对三维模型所在的三维场景进行观察操作；
边坡相交计算模块，分别与边坡三维参数化设计模块、三维模型显示及交互模块相连，用于采用权利要求1~3任意一项所述的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计方法计算交线，并通过相交控制参数进行计算精度的控制，同时对相交后的边坡进行边坡裁剪，并更新显示相交后的边坡模型至三维模型显示及交互模块中进行显示。
5.根据权利要求4所述的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计系统，其特征在于，边坡对象的三维建模参数包括逐级边坡的坡高、坡率、平台宽度、平台坡率、最大坡高、防护类型以及护坡道及坡脚修正参数。
6.根据权利要求4所述的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计系统，其特征在于，三维模型显示及交互模块中，所述的图形编辑包括拾取、拖拽，观察操作包括旋转、缩放、跳转。
7.根据权利要求4所述的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计系统，其特征在于，相交控制参数包括：主坡归属路线、桩号遍历步长、相交断面偏距步长、相交精度阈值、是否设置中间排水沟、中间排水沟模板、主坡护坡道宽度和副坡护坡道宽度。
8.根据权利要求4所述的基于BIM与GIS的公路三维边坡相交设计系统，其特征在于，还包括交线编辑及更新模块，交线编辑及更新模块与边坡相交计算模块相连，用于对相交多段直线进行局部编辑调整至现场所需的位置，再由产生新的交线去更新裁剪边坡。
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