文章来源：桥梁杂志

    目前，BIM技术已经成为各行业解决实际问题的重要生产力工具。在公路、铁路、市政道路、水运航道等带状交通工程项目中，融合BIM技术和GIS技术进行工程设计、施工建设、运营管养应用，是未来的发展方向。在基于BIM技术和GIS技术的交通工程信息化系统中，一个重要的需求就是根据指定里程桩号，计算其对应的平面直角坐标、大地经纬度坐标，以及通过平面直角坐标、大地经纬度坐标计算其对应的里程桩号。

    当前，常用的方法是通过提取公路路线上的构成点的相关信息，存储在Oracle空间数据库中，利用Oracle空间数据库的功能进行投影和临近计算，以及里程桩号和经纬度的相互换算。该方法以构成点为单位构建查询数据库，在里程桩号转坐标过程，其查找临近点的过程需要与数据库远程交互，查询距离接收到的里程最近的构成点；在坐标转里程桩号过程，其需要首先查找离点最近的投影点，再查找与最近的投影点最近的构成点。上述方案存在计算效率较低的不足，并且高度依赖特定数据库；同时，以构成点为单位存储空间位置信息，难以保存路线点之间的区间属性信息，进而难以实现不同的线型区间的高精度定位。

    针对现有定位方法计算效率较低、定位精度较低的不足，研究了一种新的基于BIM+GIS的路线点定位系统方法。

    本方法以路线的区间信息作为定位方法的数据来源基础，对于单条路线，其区间信息的集合构成该条路线信息，区间信息至少包括区间起点和终点的里程桩号信息以及坐标信息。其中，起点和终点分别表示区间的两个端点，在本方法中如无其他限定，起点和终点本身不具有包括顺序在内的限定作用，可以视为能够互换的同一概念。

    提取信息

    提取路线的区间信息，所述区间信息包括起点里程桩号、终点里程桩号、起点坐标和终点坐标。

    从设计阶段产生的路线设计文件中提取路线的区间信息。具体实施方式中，信息的来源包括AutoCAD、HintCAD、Civil3D、PowerCivil、OpenRoads等，常用设计软件产生的信息，可以通过在上述设计软件平台上，开发提取插件完成区间信息的提取，也可以直接提取从上述设计软件输出的路线区间信息。路线区间信息提取后存储到XML文件或其他开放数据文件或数据库，并将该文件或文件的内容存储到对象存储系统或数据库中。在此，路线区间信息的来源可以是任意的，其保存形式和保存地址也可以是任意的。

    由于交通工程中的坐标表示通常包括平面直角坐标系表示和地理坐标（即大地经纬度坐标）表示，根据实际应用需要，本方法中的坐标包括其中的任意一种表示或者同时包括两种表示方式。与之相适应的，本方法所述的里程桩号-坐标转换中的单向转换的坐标，可以包括平面直角坐标系表示和地理坐标任一种表示，也可以同时包括平面直角坐标表示和地理坐标表示两种方式。换言之，本方法能够实现里程桩号-平面直角坐标、里程桩号-地理坐标、平面直角坐标-里程桩号、地理坐标-里程桩号4种转换定位。

    进一步地，按照预定的空间间隔提取路线的区间信息，预定的空间间隔可以是均匀的，也可以是非均匀的。一方面，对于只包含直线、缓曲线、圆曲线线形的设计路线，可以灵活划分路线区间，避免区间数量过多或者过少，便于从所述查询数据库中查询目标区间。例如一段直线段区间长度为10km，则可以将所述直线段区间分割为10个1km的直线区间。另一方面，对于包含直线、缓和曲线、圆曲线线形以外的其他线形的设计路线，对路线提取区间信息时，可能需要对区间线形进行近似处理，越密集的区间划分能够提高区间线形的近似精度，从而提高定位精度。

    构建查询数据库

    可以选择构建里程桩号-区间信息查询数据库和坐标-区间信息查询数据库的其中一种，或者同时构建两者。构建其中一种，即实现里程桩号-坐标双向转换中的单向转换；同时构建两者，即能够实现里程桩号-坐标双向转换中的双向转换。在此，以里程桩号为查询条件，构建里程桩号-区间信息查询数据库，以及以点坐标为查询条件，构建点坐标-区间信息查询数据库。若坐标表示同时包括平面直角坐标和地理坐标，则可构建3个查询数据库——

    ①以里程桩号为查询条件，构建里程桩号——区间信息查询数据库；

    ②以平面直角点坐标为查询条件，构建平面直角点坐标-区间信息查询数据库；

    ③以地理点坐标为查询条件，构建地理点坐标-区间信息查询数据库。

    查询目标信息

    接收输入的里程桩号或点坐标，从所述查询条件-区间信息查询数据库中查询目标区间信息。

    采用临近搜索算法（KNN算法）从所述查询条件-区间信息查询数据库中查询目标区间信息。采用R树构建内存查询数据库，通过KNN算法从R树查询数据库中查询目标信息避免了遍历所有的区间信息，降低计算复杂度，提高计算效率。还可以构建多维线段树或R*树查询数据结构作为查询数据库，实现以里程桩号或点坐标为查询条件查询目标区间信息。

    R树是用来做空间数据存储的树状数据结构。“R”代表“Rectangle（矩形）”。因为所有节点都在它们的最小外接矩形中，所以跟某个矩形不相交的查询，就一定跟这个矩形中的所有节点都不相交。例如给地理位置，矩形和多边形这类多维数据建立索引。

    R*树是R树的一种变体，可用来建立索引空间信息（英语：Spatialdatabase）。R*树的构造花费比标准R树略高。例如数据可能需要被重新插入，但这通常能获得更好的查询性能。像标准R树一样，它能存储点和空间数据。

    几何函数计算

    根据所述目标区间信息返回的所述线段类型，采用线段类型对应的空间几何函数，计算所述里程桩号对应的坐标；或者采用线段类型对应的空间几何函数，计算所述点坐标对应的里程桩号。

    以下分别为直线段、圆曲线段和缓和曲线段的里程桩号-坐标、点坐标-里程桩号路线点定位算法，需要说明的是，各类线形的定位算法中的表达式相互独立，直线段、圆曲线段和缓和曲线段表示起点和终点之间的区间，直线和圆曲线表示起点、终点所在的直线或者圆曲线。

    以直线段为例：

    1.里程桩号-坐标

    里程桩号m对应的坐标(x,y)满足：

    当x1≠x2且y1≠y2时：

    当x1=x2且y1≠y2时：

    当x1≠x2且y1=y2时：

    （1）

    其中，m为输入的里程桩号，(x1,y1)、（x2,y2）为目标直线段的起点和终点坐标，m1、m2为起点里程桩号和终点里程桩号。由（1）式计算得到里程桩号m对应的坐标(x,y)。

    2.点坐标-里程桩号

    若输入的点坐标与直线共线，点坐标(x3,y3)对应的里程桩号m满足：

    （2）

    其中，(x3,y3)为输入的点坐标，(x1,y1)、（x2,y2）为目标直线段的起点和终点坐标，m1、m2为起点里程桩号和终点里程桩号。由（2）式求得点坐标(x3,y3)对应的里程桩号m，此种情况对应于坐标点位于路线上。

    对于大多数输入的点坐标位于路线两侧的情况，点坐标对应的里程桩号m满足：

    当x1≠x2且y1≠y2时：

    当x1=x2且y1≠y2时：

    当x1≠x2且y1=y2时：

    （3）

    其中，(x3,y3)为输入的点坐标，(x,y)为(x3,y3)在目标直线段的垂直投影点，(x1,y1)、（x2,y2）为目标直线段的起点和终点坐标，m1、m2为起点里程桩号和终点里程桩号,由(3)式计算得到点坐标(x3,y3)对应的里程桩号m。

    圆曲线段与缓和曲线段思路一致，几何关系如附图所示。

    根据输入的平面直角点坐标和查询得到的所述坐标系转换参数，利用高斯投影坐标反算计算得出对应的地理坐标；或者,根据输入的地理点坐标和查询得到的所述坐标系转换系数,利用高斯投影坐标正算计算得出对应的平面直角点坐标。

    与原有技术相比，本方法通过以路线区间为单位构建区间信息查询数据库，区间长短可灵活划分，根据输入的里程桩号或者点坐标直接查询目标区间信息，降低了里程桩号-坐标相互转换的计算复杂度，提高了计算效率。

    通过在区间信息中增添线段类型信息，区分直线段和曲线段，针对不同的线段类型分别采取与之适应的定位算法，显著提高了定位精度。

    通过构建内存查询数据库结合特定的搜索算法,进一步提高了用于定位算法的目标区间的查询效率。同时,本方法提供的定位算法不依赖内定的数据库系统,具有良好的移植性。

    以此方法为基础，可开展基于BIM+GIS技术的多项工作，为智慧交通的发展打下了基础，为公路建设管理由“智能”向“智慧”升级提供了可能。通过建设实时的动态的工程信息共享平台，深度挖掘从设计、施工、运维等工程相关数据，通过BIM平台，实现行业资源配置优化能力、公共决策能力、行业管理能力、公众服务能力的提升，推动交通运输更安全、更高效、更便捷、更经济、更环保、更舒适的运行和发展，带动交通运输相关产业转型、升级。

    本文刊载/《桥梁·BIM视界》杂志

    2020年第2期总第13期

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