罗睿

摘要：公路选线在广泛收集与路线方案有关的规划、统计、地形、地质、气象等资料的基础上深入调查，运用遥感、航测、卫星定位、数字技术等前沿技术，可以大幅提升勘察设计工作的广度、深度和质量，取得良好技术经济效益。本文阐述了由航空测量、遥感技术、GPS定位、数字地面模型、公路选线组成的地理信息大数据技术架构，以昆倘高速为例进行了应用分析，为进一步通过大数据促进公路信息化技术和应用的发展提供探索。

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.

關键词：地理信息大数据;公路选线;GIS;BIM

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

中图分类号：TP18                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）24-0203-03

0  引言

在过去，设计师常说设计是一门遗憾的艺术，最好的作品永远在下一个。而在万物皆有联的大数据时代，运用航空测量、遥感技术、GPS定位、数字地面模型、公路选线组成的地理信息大数据技术架构，可以快速、准确、客观的展示公路选线与周边环境发生的规律变化，在很大程度上提高了设计的科学性和合理性，降低工程建设对生态与环境的影响[1]。

传统公路选线采用纸上定线或现场定线的方法，基于CAD的设计模式一定程度上减小了数据处理的工作量。但在CAD模式之下，即便是有经验的设计人员对于施工现场的地形地貌以及建筑物的外观都难以全面认知和感知，尤其是复杂项目和大长线工程，更是要求设计人员反复出入场地进行勘测与收集数据才能制定方案，二维设计缺乏必要的直观性与信息交流阻碍多等缺点，难免在设计中产生错漏碰缺等问题。而这些工作正日益广泛地由航空测量、遥感技术、GPS定位、数字地面模型结合计算机辅助设计技术来完成[2]。

1  地理信息大数据辅助公路选线方法研究

1.1 政策背景

落实总书记绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策。实现科学、合理、经济、生态、高效的公路路线选择需要高新技术的支撑。“少破坏、大保护”的设计理念对保护城市的珍贵的自然地貌环境具有重要意义。传统的设计模式和方法难以满足全新理念的设计需求。

目前BIM技术在建筑领域得到了广泛的应用，但在公路工程领域还处于起步阶段，开发研究和应用前景广阔。交通运输部于2017年9月发布了《关于开展公路BIM技术应用示范工程建设的的通知》，通知中明确提出了要提高公路的设计水平，鼓励设计人员采用BIM正向设计方法，以三维形式表达设计成果[3]。在初步设计阶段应用BIM和GIS技术进行方案的比选论证，提升方案的落地性、科学性、经济性。在BIM技术中融合GIS等地理信息大数据可进一步提升公路设计的信息化、现代化水平，有效发挥现代信息技术在工程管理中的作用[4]。

1.2 基本理论与方法

公路工程是典型的长距离线性工程，与自然环境、地质条件的基础数据关系密切。BIM技术主要应用于单个工程的设计、管理，主要的特点是单体精细化模型，目前传统的BIM设计对公路周边宏观的地理环境的影响考虑不足[5]。基于GIS和BIM的地理信息大数据辅助公路选线技术主要包括基础环境模型（三维地形模型、实景三维模型）和工程模型的两个部分[5]。

2  工程案例——昆倘高速立交节点方案优化研究

2.1 项目概况

昆倘高速是昆明北部片区和滇中城市圈的北部联络线，起于西三环普吉互通，向北沿轿子雪山旅游专线东侧布线，与西北绕城高速公路交叉，终点在东村镇西北部大团田附近接武倘寻高速公路东村枢纽互通。项目主线全长49.752km，等级为高速公路，其中小普吉枢纽至河外主线收费站段（起点-K2+800）采用双向六车道标准建设，设计速度为80km/h，整体式路基宽度33.0m，分离式路基宽度2×16.5m。

2.2 三维地形模型与实景三维模型建立

本次研究范围总体呈现北高南低的特点，现状高程位于1930～2040m间，线路位于山间槽谷地带。GIS的建立由以下两部分组成：

2.2.1 三维地形模型

数字地形三维模型制作包含：①航飞（利用倾斜摄影成果）;②相控点测量;③航片数字高程模型制作（DEM）;④航片数字正射影像图（DOM）;⑤数字地形三维模型集成。本项目共完成了24个航飞架次，获取了67067张真彩色影像，布设测量了143个像控点和108个检查点，制作了覆盖项目范围约9.22平方公里地形三维模型和实景三维模型。

2.2.2 实景三维模型

实景三维模型制作内容主要包含：①倾斜摄影;②相控点测量（利用数字地形三维相控点测量成果）;③实景三维模型制作与优化。对昆倘高速起点段（普吉-桃园段）周边区域开展现场踏勘、空域申请、外业航空摄影、野外像控点测量、航空遥感影像处理、三维模型制作等工作。

2.3 原方案分析

2.3.1 大普吉改建立交

如图1所示，与三环快速一并建成，但立交功能不全，缺少三环岗头山-小屯立交和小屯立交-三环海源寺两个方向的左转功能。工程计划需废除1条匝道，新建3条匝道。改建后构成完整十字枢纽，交通流向明确，通行效率高。

2.3.2 小普吉新建立交

如图2所示，原方案采用T型互通式立交，立交选型较为合理。经三维模拟，普吉新建立交A、B匝道规模较大，占地较多，存在优化空间;A匝道东侧挖方较大，对环境影响较大。建议优化平面线形，压缩A、B匝道规模，减少立交占地。

2.3.3 河外枢纽立交

如图3所示，河外枢纽互通设置昆明西北绕城高速公路交叉处，主要功能是本项目与西北绕城高速公路的交通转换。原方案采用双喇叭互通式立交，立交选型较为合理。对立交平纵线形指标进行技术分析后，E匝道与昆倘高速主线喇叭互通立交H、I、G、F匝道有效避开了昆明精神病院、春湖別墅区、加油站，该喇叭平纵合理。

E匝道与绕城高速喇叭互通立交占地面积较大，桥梁结构物体量较大（A、B、C、D、E匝道均布有大量桥梁），结合自然地形和现状绕城高速（利用现状桥跨和纵坡），本着节约用地的原则，可对立交匝道平纵指标进行优化，可将原喇叭互通立交优化为T型立交，减少桥梁构筑物体量，节约立交用地。

2.4 优化理念

2.4.1 集约设计理念

集约设计可以很大程度上规范和控制高速公路建设用地规模、提高用地效率，是实现高速公路集约用地的有效途径。应进行多方案的比选和优化设计，在设计过程中将技术与用地有机结合起来。

本次方案优化切实落实集约设计理念，充分分析现状条件，运用3D+技术对方案进行优化调整，尽量减少征地拆迁和占地，力求达到集约用地的目标。

2.4.2 生态设计理念

党的十九大报告指出，必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策。在工程建设中应加强对现状山体、水系的保护，避免大填大挖，严格遵循生态保护红线。本次优化方案采用生态设计理念，建立高精度三维地形模型，避免大填大挖，保护区域内现状水系和山体。

2.4.3 尊重现状，适应现状设计理念

本项目位于昆明市郊区，研究范围内有普吉、桃园两个人口聚集区，现状有北三环城市快速路、轿子雪山旅游专线公路、昆明绕城高速等现状道路，项目范围内周边厂房、住宅密集，还有昆明市精神病医院、春湖国际别墅区、寺庙等控制因素。

2.4.4 适用经济理念

通过三维模拟分析和渐进式调整优化，达到降低工程规模、减少土石方工程量、减少对大填大挖、节约工程投资的目的。

2.5 优化设计

2.5.1 小普吉新建立交

如图4所示，对小普吉新建立交A、B匝道平面进行优化，使布局更加紧凑，节约用地，减少工程规模;对普吉新建互通立交A、C匝道纵断面设计进行优化，减少挖方。A匝道减少长度约19m，B匝道减少长度约26m。

2.5.2 河外枢纽立交

如图5所示，将轿子雪山旅游专线往东侧（高速侧）偏移，优化轿子雪山旅游专线、H匝道纵坡，减少土石方开挖量21万方，减少E匝道桥梁长度30m（18m宽）。优化A匝道、B匝道、C匝道、D匝道，将喇叭型立交调整为T型立交，节约立交用地，减少桥梁构筑物。

2.6 结果分析与评价

本次方案优化切实落实集约设计理念，充分分析现状条件，运用3D+技术对方案进行优化调整，尽量减少征地拆迁和占地，力求达到集约用地的目标。在尊重自然地形地貌基础上，实现了道路与地形的整体协调和优化，最大程度保护了现状山体。

经过本次优化，两个节点立交共计减少土石方约21万方。通过整体优化设计，避免大面积开挖山体，保护生态环境。优化后技术指标基本与原方案一致。减少占地约57亩，减少拆迁面积约3万m2。缩减工程规模，减少土石方量，优化桥梁长度，节约工程建安投资5865万元，经济效益明显。

3  结语

随着公路工程BIM技术的推广，在BIM技术中融合GIS等地理信息大数据可进一步提升公路设计的信息化、现代化水平，开展地理信息大数据技术在公路选线阶段应用研究具有重要意义，有效提高设计成果的落地性、经济性。本文分析了地理信息大数据辅助公路选线方法研究的政策背景和基本理论方法。本文以昆倘高速公路为例，基于三维实景模型建立原设计方案的BIM模型，并对立交方案进行分析和优化设计。小普吉新建立交和河外枢纽立交经优化，有效提高方案的合理性，达到了降低土石方、保护现状山体、优化工程规模、节约工程投资的目标。

参考文献：

[1]陈光，薛梅，刘金榜，等.一种市政道路BIM设计模型与三维GIS数据集成方法[J].地理信息世界，2018，25（3）：82-90.

[2]何兴富，谢征海.基于地理设计的三维道路设计系统研究与实现[J].地理信息世界，2013，20（6）：72-76.

[3]王风春，王月忠，李锵，等.高速公路BIM技术应用与价值初探[J].中国交通信息化，2019，06（03）：28-29.

[4]王文虎，张易辰.公路设计BIM正向设计理念探讨[J].工程技术研究，2019，05：190-191.

[5]陈中治，望开潘.公路工程BIM应用的思考[J].中国公路，2017，23：20-21.

[6]张建平，余芳强，赵文忠，等.BIM技术在邢汾高速公路工程建设中的研究与应用[J].施工技术，2014（18）：92-96.