gis可达性分析步骤_基于三维GIS技术的公路交通数字孪生系统

交通运输系统是四个现代化建设的重要保障，在“一带一路”倡议规划背景下，互联网+、智慧交通提升到国家新战略。智慧交通的基石是建立可映射物理世界的虚拟世界，因此大多数交通管理平台项目通过抽象建模构造二维电子地图，并在抽象模型上集成数据及分析工具，实现运营期信息化管理。随着设计、施工、运营全生命周期细化管理日益增长的需求，传统的交通地理信息(Geographic Informa-tion System-Transportation,GIS-T)系统的压力也随之增加。

    交通基础设施数字化映射为三维GIS信息世界的技术方案是突破二维GIS-T系统局限的有效途径，其已成为交通信息化研究的热点课题，目前研究主要集中于建模、数据库协同、可视化分析。

    (1)在建模方面，通过三维GIS平台场景中集成建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)软件创建的地物模型达到宏观和微观的信息表达是最直观的思路。实践发现，交通以线状工程为主，其结构复杂性远低于建筑工程，照搬建筑业BIM不可复用的手工建模方式具有高人力投人的特点，缺乏项目各生命周期出现的模型、选线变更高效应对手段。点云、倾斜摄影等基于机载激光雷达的标准数据(LIDAR Standard, LAS)雷达和图形学的建模方法十分先进但只适用于运营期，且模型单体化处理技术尚不成熟，难以将场景准确地划分为单体化模型对象集成的相应孪生数据。

    (2)在部署及数据协同方面，目前以WEB为中心的浏览器/服务器模式(Brower/Server, B/S)部署方案已较为成熟可行，开发者可将创造的资源和服务在云端进行托管，前端通过表述性状态传递(Representational State Transfer, REST)风格的应用程序接口(Application Programming Inter-face, API)进行调用，将内容服务于用户。现有研究集中于如何通过语义网组织多源数据，以及如何在满足需求的同时尽可能统一模型数据结构，以便模型与数据库能够协同应用。由于刚刚起步，语义编码采取拼音简写的原始方式，存在歧义的同时，编码包含的语义单薄且语义间关系未表达。

    (3)在可视化分析方面，由于只重视三维几何模型，不重视物理、运行、规则建模，且虚拟模型配套的标识解析编码原始，使得三维GIS功能停留在外观展示，制约了数据集成、三维灾害仿真、地理查询等实用服务的开发。

    基于公路交通系统特性和以上分析，笔者通过提出的五维模型，将基础设施虚拟模型建设问题标准化为数据孪生问题，着重阐述了针对不同生命周期三维几何模型对应的GIS+BIM的建模方案，并展示了实施效果，针对孪生数据与数据实时交互等应用准则。结合建模方法提出一套标识编码方案，继而在物理、规则模型建模及数据库协同，体现其应用价值。最后，以数据融合的视角探讨了交通数据孪生系统的应用并以实例进行了说明。

1交通基础设施几何模型建模流程

1. 1公路交通几何模型建模方案分析

    数字孪生(digital twin)是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，在交通运输行业，将道路平纵横设计绘制为计算机辅助设计(Computer Aided De-sign, CAD)图纸，将路网GIS矢量要素映射组织为电子地图都属于初级的数字孪生范畴。GIS数据结构的丰富使得三维映射物理世界成为可能，即可利用点、线、面、不规则三角网(Triangulated IrregularNetwork, TIN)、栅格、多面体、网络公用数据格式(Network Common data Form, NCF)等数据结构将交通构筑物映射到数字地球，这一映射方式即为建模过程。在该过程中，关键技术为几何建模数据的获取与处理、三维几何建模技术、虚拟模型的数据组织和管理。

    几何建模数据指客观反映现实的地物测量及设计数据，是建模的基础。因此，需首要解决建模数据来源问题，下表汇总分析了目前可作为建模数据的文件来源。道路设计图纸与卫星遥感数据应用广泛，属于既有数据，因此获取难度较小，地面遥感数据需要无人机搭载激光雷达专门采集，数据获取的成本大。另外，需考虑其数据存在的生命周期，如需将设计方案进行数据孪生继而进行评审，则只能使用设计图纸作为建模数据。综上所述，应选择道路设计图纸及卫星遥感数据作为三维几何建模数据来源，地面遥感数据作为运营期监控的主要数据源。

        

      三维几何模型作为连接虚拟模型与物理实体的门户，是数字孪生实现的基础。三维几何建模手段主要分为手工建模和规则建模，其中:手工建模指人利用Revit等BIM软件将CAD图纸翻模为三维模型并转化为三维GIS技术支持的数据格式，最后根据测量信息匹配至数字地球的某一坐标，完成共享;规则建模又被称为自动化批量建模，目前具有代表性的软件为臻图的ZTMAPGIS,旨在将地物的几何、纹理等信息利用计算机集成规则(Computer Genera-ted Architecture, CGA)语言进行描述，二次开发的CGA建模代码加载到交通地物抽象模型上即可完成批量化的三维模型建模。由于交通基础设施属于线状工程，其特点为规模大但连续重复且几何规律性强，同时线路方案变更可轻松利用抽象模型及代码形参输入实现虚拟模型变更，因此CGA极为适用于交通工程几何建模。

1. 2三维几何模型建模流程

1. 2. 1建模数据处理

    基于以上分析，提出如下图所示建模流程，建模数据处理是指从设计图纸资料和遥感影像提取以下4种信息:

   (1)地面地形测量数据，通过CAD图纸中的等高线图层进行提取。

   (2)卫星高程，与(1)融合用于创建场景数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM) 。

   (3)道路平纵横信息来源于CAD设计文件，用于抽象线路模型建立，及辅助修正DEM 。

   (4)纹理材质，采集水泥、沥青路面照片，用于ZTMAPGIS中的CGA建模贴图。

 

1.2.2建模地形及抽象模型生成

DEM的数据来源于地面地形测量及卫星遥感扫描，其中地形测量数据通常集成于道路平面设计图中的等高线图层(等高线间的疏密程度直观地表征地形精确程度)。在公路选线设计阶段，一般需要基础的地面测量高程作为基础进行前期选线评估等工作，此类测量数据需要工程测量团队进行实地勘测