一种基于GIS的改扩建公路模型优化方法

技术领域

本申请涉及计算机辅助建模技术领域，特别涉及一种基于GIS的改扩建公路模型优化方法。

背景技术

随着经济的快速增长，公路的需求量也与日俱增，通行量的增加极大地考验着公路通行能力的现状。交通流量日趋饱和，现有公路已越来越难以承受庞大的交通量。为满足经济增长的需求，提高公路通行能力及服务水平，公路的改扩建工程比例正逐年增加。

但由于改扩建工程面临节点立交规模大、匝道错综复杂、征拆难度大等问题，且保通设计方案从理论到实际应用也存在许多问题。为响应国家对智慧公路、绿色公路的建设理念，引入GIS技术来辅助改扩建保通方案的设计与验证，成为现有技术中一种有效解决问题的手段。

但是目前的技术存在以下问题，新建和既有公路模型存在交叉现象。由于新建公路模型与激光点云模型的几何尺寸会存在偏差，因此需要基于统一的坐标系对既有道路模型进行切割，以实现两者之间的衔接，而目前尚未有成熟的技术可以解决这个问题。

发明内容

本申请提供了一种基于GIS的改扩建公路模型优化方法，可用于解决新建和既有公路模型存在交叉且无法融合的技术问题。

本申请提供一种基于GIS的改扩建公路模型优化方法，方法包括：

S1，对原始GIS数据进行预处理；原始GIS数据包括设计路线数据和高程数据；

S2，对地理信息进行分类整理；

S3，进行数据格式转换以及类型转换处理；

S4，进行坐标系定义以及坐标数据转换；

S5，建立公路模型；公路模型包括新建公路模型以及既有公路模型；

S6，对新模型以及旧模型进行衔接处理。

可选的，对原始GIS数据进行预处理，包括：

将设计路线数据，按照桩号以及在平面坐标系内对应的X坐标值、Y坐标值汇入预定的Excel表格中，形成统一格式；

将高程数据，按照桩号以及对应的高程值汇总入预定的EICAD文件中，形成统一格式。

可选的，对地理信息进行分类整理，包括：

S21，从提供的原始数据中提取地理信息；地理信息包括道路的位置信息、起点桩号信息、路线方向以及坐标轴系；

S22，将提取的地理信息按照既定的格式标准，进行整理并存储；每类地理信息都以空间数据类型进行存储。

可选的，进行数据格式转换以及类型转换处理，包括：

将原有信息的格式转换为预设格式；

如果道路要素数据类型不满足需求，则将原有数据类型转换为预设类型；道路要素数据为道路沿线每个桩号对应的坐标点。

可选的，进行坐标系定义以及坐标数据转换，包括：

定义符合要求的自定义坐标系；

将项目坐标转换到自定义坐标系下。

可选的，新建公路模型通过以下方法创建：

S511，平面图预处理；基于一级骨架和一级控制参数，对道路位置和形状进行控制，并根据道路数据，确定二级骨架元素和二级控制参数；

S512，创建道路横断面；基于一级骨架水平道路中心线创建道路起始桩号点及其平面，确定道路范围，然后在同一基准下创建道路起始位置的道路横断面；

道路横断面包括：铺装层，上基层、下基层、上路床、下路床；

S513，道路模型实例化；基于骨架线的路边线、空间道路中心线作为实例化模板的引导元素，对起始横断面、标高按照实际需求进行实例化，得到具体的道路构件。

可选的，既有公路模型通过以下方法创建：

S521，架设基站及测量数据设备准备；

S522，在准备好测量数据设备后，获取测量数据；利用激光点云数据，经过去噪、滤波、插值、建立TIN后，生成数字高程模型；

进一步，所述激光点云数据主要包括惯导数据、影像数据和点云原始数据；激光点云数据的平面精度优于±5cm，高程精度优于±2cm；

S523，单体化处理；对采集到的激光点云数据进行去噪、滤波处理。

可选的，对新模型以及旧模型进行衔接处理，包括：

S611，已知有n-1个测量数据点(x

P

其中：xi为地面线的桩号，yi为桩号对应的高程，最小二乘法拟合多项式的项数为m，多项式拟合的最高次数为m-1，m≤n，且m≤30，a0，a1，a2，…，am-1为待定参数；

根据待定参数，确定各点到拟合的道路纵断线距离的平方和：

Q为关于a

得到：

进行化简并将用矩阵表达，得到下式：

将范德蒙得矩阵化简后可得到:

再令：

上式矩阵可以写成，XA＝Y；

根据最小二乘原理，A＝(X'X)

根据待定参数，当实地高程差较大时，最小二乘曲线拟合次数取较大值，当实地高程差较小时，地面线形较为平顺，最小二乘曲线拟合次数应取较小值；

S612，对道路线形直线段拟合：

假定初始坡线方程为：

y＝ax+b

其中，x、y为初始边坡点的桩号和高程，a、b为待定系数，a为坡率；

依据最小二乘法曲线拟合原理：

根据待定参数，取极小值，得出系数a、b值；

根据路线曲线的反弯点，确定出一条回归线：

y＝aix+bi，i＝1,2,3,4,…,n

根据相邻两直线相交而产生交点，其坐标依次为：

根据坐标点，得到一元线形回归图形；

S613，对道路线形竖曲线段拟合：

确定路线曲线边坡点两端相邻直线段纵坡分别为i1、i2；

计算坡度差Δi＝(i2-i1)；当Δi为“+”时为凹形竖曲线，当Δi为“-”时为凸形竖曲线；

由曲率的定义可知曲率：

其中，k(k≠0)是竖曲线上任意一点(x，y)处的曲率；

竖曲线在此点处的曲率半径与曲率k之间有如下关系：

R＝1/k

根据曲线拟合方程：

P

得到：

一阶导数：

y'＝a

二阶导数：

y"＝a

根据所述待定参数，确定出变坡点(ZHi，Hi)处的竖曲线半径：

根据竖曲线半径进行道路线形竖曲线段拟合。

可选的，对新模型以及旧模型进行衔接处理，包括以下约束条件：

高程控制点约束：测量控制点设置在相对固定且容易识别的构造物上，使线位贴近控制点，然后根据实际情况优化调整；

最小坡长的指标约束：当坡长小于规范要求的最小坡长或者存在变坡频繁的路段，删除掉不合理的变坡点，或者通过减少变坡点的拟合次数以降低拟合；

最大纵坡的指标约束：如果纵坡坡度值不在规范要求的最大纵坡与最小纵坡坡度值所规定的范围内，为了达到规范要求就必须调整纵坡值；

竖曲线半径的指标约束：检验竖曲线半径数值，确定是否达到规范要求的道路等级中最小竖曲线半径要求值。

本申请提出的一种基于GIS的改扩建公路模型优化方法，首先，对项目现场采集的原始GIS数据进行预处理，其中，所述原始GIS数据包括设计路线数据和高程值；其次，根据建设方案的影响因素将建设条件按照地理信息的分类编码规则进行分类、整理和组织；再对数据的格式和类型进行转换；根据项目坐标系通过坐标转换工具对数据定义坐标系统；基于“骨架+模板”的建模原理建立新建公路模型，基于激光点云技术对既有道路纵断面线形采用最小二算法拟合道路纵断面线形，经过优化处理后，即可完成新建与既有公路模型的衔接优化方案。通过该方法可以解决纵断面线型拟合问题，避免了反复修改调整，大大提高了设计效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于GIS的改扩建公路模型优化方法的方法流程图；

图2为本发明提供的新建公路模型创建的方法流程图；

图3为本发明提供的既有公路模型创建的方法流程图；

图4为本发明提供的道路线形直线段拟合的示意图；

图5为本发明提供的道路线形竖曲线段拟合的示意图；

图6为本发明提供的道路纵断面线形拟合的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

下面结合附图对本申请实施例进行介绍。

本申请提供一种基于GIS的改扩建公路模型优化方法，方法包括：

S1，对原始GIS数据进行预处理；原始GIS数据包括设计路线数据和高程数据。

原始GIS数据预处理。由于项目现场的原始GIS数据是由不同单位和专业人员提供的，数据之间的兼容性存在差异，无法直接使用，需要对其格式进行预处理，使其处理成预定的格式。

具体的，将设计路线数据，按照桩号以及在平面坐标系内对应的X坐标值、Y坐标值汇入预定的Excel表格中，形成统一格式；

将高程数据，按照桩号以及对应的高程值汇总入预定的EICAD文件中，形成统一格式。

S2，对地理信息进行分类整理，根据建设方案的影响因素将建设条件按照地理信息的分类编码规则进行分类、整理和组织。

S21，从提供的原始数据中提取地理信息；地理信息包括道路的位置信息、起点桩号信息、路线方向以及坐标轴系；

S22，将提取的地理信息按照既定的格式标准，进行整理并存储；每类地理信息都以空间数据类型进行存储。

S3，进行数据格式转换以及类型转换处理。

将原有信息的格式转换为预设格式；由于收集到的地理信息数据大多数是CAD格式的，不能满足GIS集成要求，因此需要在保证信息不丢失、不错乱的基础上，将CAD信息转换成GIS平台能够识别并接受的格式，利于后续的处理和对接工作。

如果道路要素数据类型不满足需求，则将原有数据类型转换为预设类型；道路要素数据为道路沿线每个桩号对应的坐标点。道路要素数据类型是沿线每个桩号对应的坐标点，为了在GIS平台中进行展示必须是一条闭合的道路路线。

S4，进行坐标系定义以及坐标数据转换。

具体的，定义符合要求的自定义坐标系；

将项目坐标转换到自定义坐标系下。

由于无法根据地理信息数据的坐标准确地确定其在工程上实际使用的项目坐标系统，在处理数据的时候需要根据从测绘单位得到的项目坐标系通过坐标转换工具对数据定义坐标系统。

所述坐标转换工具是一款超图软件，可实现多种坐标系的转换，无论是从建模软件到GIS平台，还是GIS平台到Web平台，都能实现快速且准确的坐标系转换。该项不在本专利要求保护范围内。

S5，建立公路模型。新建公路模型的创建是采用基于“骨架+模板”的建模原理，并以开发的快速实例化工具作为辅助，完成公路模型的创建。既有公路模型的创建是通过激光点云技术获取老路点云模型，通过提取道路特征信息、分类单体化后形成能够承载数据信息的结构化模型。

公路模型包括新建公路模型以及既有公路模型

新建公路模型通过以下方法创建：

S511，平面图预处理；基于一级骨架和一级控制参数，对道路位置和形状进行控制，并根据道路数据，确定二级骨架元素和二级控制参数；

根据项目平面图，基于一级和二级骨架元素线形进行模型创建前的准备，需要保证骨架线形的连续性以及完整性，如果线形不连续或者不完整，则需要重新修复，之后将道路设计线导入专业设计软件。

一级骨架元素和一级控制参数主要是对道路的位置或形状的控制，路线模型创建的一级骨架元素和一级控制参数见下表：

表1：一级骨架元素与一级控制参数表

二级骨架元素和二级控制参数主要是对道路自身数据进行分析，得出二级骨架元素和二级控制参数，二级骨架元素和控制参数见下表：

表2:二级骨架元素与二级控制参数表

S512，创建道路横断面；基于一级骨架水平道路中心线创建道路起始桩号点及其平面，确定道路范围，然后在同一基准下创建道路起始位置的道路横断面；

道路横断面包括：铺装层，上基层、下基层、上路床、下路床.

S513，道路模型实例化；基于骨架线的路边线、空间道路中心线作为实例化模板的引导元素，对起始横断面、标高按照实际需求进行实例化，得到具体的道路构件。

既有公路模型通过以下方法创建：

S521，架设基站及测量数据设备准备；

测区踏勘并选取控制点；三脚架对中整平；安置GPS；量测仪器斜高后；开机、待接收到信号；安装无人机设备及连接电源；打开翼桨、无人机开关；连接笔记本、登录设备中的远程系统；启动激光仪和相机；遥控器连接iPad(地面控制站)。

采用控制软件设定飞行航线，设置飞行参数，在飞行过程中，对飞机的飞行姿态和设备的采取状况进行监控，以及必要的人工干预，减少突发性事件。

飞行参数主要包括航高、航速、旁向重叠度、航向重叠度等。

利用准备好的地图数据，进行实地踏勘，确认采集范围内的道路交通状况，采集线路之间的关联性，并在地图上做好标记。

S522，在准备好测量数据设备后，获取测量数据；利用高精度的激光点云数据，经过去噪、滤波、插值、建立TIN后，生成高精度的数字高程模型；

进一步，所述激光点云数据主要包括惯导数据、影像数据和点云原始数据；激光点云数据的平面精度优于±5cm，高程精度优于±2cm；

S523，单体化处理；对采集到的激光点云数据进行去噪、滤波处理。可避免单体化提取时存在的边缘锯齿化、纹理不可裁、矢量面叠加过程繁琐等问题，提高了数据处理的效率。

S6，对新模型以及旧模型进行衔接处理。

具体的，S611，已知有n-1个测量数据点(x

P

其中：xi为地面线的桩号，yi为桩号对应的高程，最小二乘法拟合多项式的项数为m，多项式拟合的最高次数为m-1，m≤n，且m≤30，a0，a1，a2，…，am-1为待定参数；

根据待定参数，确定各点到拟合的道路纵断线距离的平方和：即偏差平方和为：

Q为关于a

得到：

进行化简并将用矩阵表达，得到下式：

将范德蒙得矩阵化简后可得到:

再令：

上式矩阵可以写成，XA＝Y；

根据最小二乘原理，A＝(X'X)

根据待定参数，采用最小二乘法拟合纵断面线形拟合次数较低时，拟合曲线较平顺，曲线的极值点较少，反之拟合次数越高，拟合曲线越不平顺，曲线的极值点越多；当实地高程差较大时，最小二乘曲线拟合次数取较大值，当实地高程差较小时，地面线形较为平顺，最小二乘曲线拟合次数应取较小值；

请参阅图4，

S612，对道路线形直线段拟合：

假定初始坡线方程为：

y＝ax+b

其中，x、y为初始边坡点的桩号和高程，a、b为待定系数，a为坡率；

依据最小二乘法曲线拟合原理：

根据待定参数，取极小值，得出系数a、b值；

根据路线曲线的反弯点，确定出一条回归线：

y＝aix+bi，i＝1,2,3,4,…,n

根据相邻两直线相交而产生交点，其坐标依次为：

根据坐标点，得到一元线形回归图形；

如附图5，

S613，对道路线形竖曲线段拟合：

确定路线曲线边坡点两端相邻直线段纵坡分别为i1、i2；

计算坡度差Δi＝(i2-i1)；当Δi为“+”时为凹形竖曲线，当Δi为“-”时为凸形竖曲线；

由于拟合曲线连续可导，由曲率的定义可知曲率：

其中，k(k≠0)是竖曲线上任意一点(x，y)处的曲率；

竖曲线在此点处的曲率半径与曲率k之间有如下关系：

R＝1/k

根据曲线拟合方程：

P

得到：

一阶导数：

y'＝a

二阶导数：

y"＝a

根据所述待定参数，确定出变坡点(ZHi，Hi)处的竖曲线半径：

根据竖曲线半径进行道路线形竖曲线段拟合。

对新模型以及旧模型进行衔接处理，包括以下约束条件：

高程控制点约束：为了获得更精确的外业采样点，测量控制点设置在相对固定且容易识别的构造物上，使线位贴近控制点，然后根据实际情况优化调整；

最小坡长的指标约束：在求解变坡点高程之前，必须要对坡长进行约束处理，当坡长小于规范要求的最小坡长或者存在变坡频繁的路段，则会导致坡长约束破坏，删除掉不合理的变坡点，或者通过减少变坡点的拟合次数以降低拟合；

最大纵坡的指标约束：如果纵坡坡度值不在规范要求的最大纵坡与最小纵坡坡度值所规定的范围内，为了达到规范要求就必须调整纵坡值；

竖曲线半径的指标约束：检验竖曲线半径数值，确定是否达到规范要求的道路等级中最小竖曲线半径要求值

本申请提出的一种基于GIS的改扩建公路模型优化方法，首先，对项目现场采集的原始GIS数据进行预处理，其中，所述原始GIS数据包括设计路线数据和高程值；其次，根据建设方案的影响因素将建设条件按照地理信息的分类编码规则进行分类、整理和组织；再对数据的格式和类型进行转换；根据项目坐标系通过坐标转换工具对数据定义坐标系统；基于“骨架+模板”的建模原理建立新建公路模型，基于激光点云技术对既有道路纵断面线形采用最小二算法拟合道路纵断面线形，经过优化处理后，即可完成新建与既有公路模型的衔接优化方案。通过该方法可以解决纵断面线型拟合问题，避免了反复修改调整，大大提高了设计效率。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。