公路外业调查的数字化转型—基于3D-GIS的外业调查系统

徐益飞,赵 飞，杨啸宇,董建辉

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017；2.交通运输部BIM技术应用行业研发中心，四川 成都 610017；3.成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610106)

0 引 言

2019年7月，交通运输部正式印发《数字交通发展规划纲要》，明确指出数字交通是数字经济发展的重要领域，是以数据为关键要素和核心驱动，以促进物理和虚拟空间的交通运输活动不断融合、交互作用的现代交通运输体系[1].

公路行业传统的外业调查主要采用人工调查和手动记录的方式，其在数据采集过程中，数据记录、存储和导出的数字化程度均不高，外业调查工作的具体准备资料详见表1.从表1可以看出，传统外业调查方式需要携带大量工具及资料等，借助信息化手段不足，调查效率低，调查质量不高.

表1 外业调查准备资料表

传统外业调查主要包括野外调查和内业整理资料两部分内容,具体如图1所示[2-4].

图1 外业调查工序流程图

按照上述步骤开展外业工作，高速公路一天的外业调查任务以3 km为宜.项目组逐桩调查结束后，进行工地核对，申请外业验收.其中，重大项目在外业期间须设置中间检查.

1 研究现状

1.1 历史沿革

公路行业的设计阶段中，外业调查工作十分重要，逐桩调查是采集数据的基础，也是进行内业设计的关键一环.随着智能手机性能的升级，一些技术手段被逐步引入外业调查，如借用测绘、地灾、水利等行业的一些软件，使用移动端辅助开展记录起、终点和重要工点的经纬度等工作[5].2015年，大部分公路设计院开始使用奥维互动地图辅助外业调查，在桌面端和移动端具有进行定位、记录轨迹、导入dxf数据等功能.从2015年至今，应用于公路工程外业调查领域的各种辅助调查软件层出不穷，诸多户外登山、野营类软件的部分功能也被用于外业调查，例如“两步路”用于户外记录轨迹和照片，“工程相机”用于施工单位制作影音资料添加水印.由于鲜有专门服务于公路行业外业调查工作的软件，这类软件的定位、拍照、录入数据的功能就被用于外业调查工作中.但是,因为最初开发的目的不同，这类软件并不能满足外业调查的全部需要.

1.2 行业问题

对照交通运输部印发的《数字交通发展规划纲要》和当前工作实际，公路行业外业调查还存在信息化程度不够高，难以满足数字交通要求等问题.对既有软件的分析梳理发现，仍存在很大的改进空间，具体如下.

1)野外拍摄照片与桩号关联性差.在公路设计中，局部路段路线方案往往会进行多次调线，外业调查照片与设计路线不匹配，成果导出难度较大.

2)针对项目组外业调查进度的监管和重点难点路段技术方案的制定，部门负责人和公司总工办往往通过电话询问或视频会议，或是在举行中间检查、外业验收时到达现场进行指导，管理形式较为单一，沟通协作效果不佳.

3)调查人员对现场的认知，局限于二维地形图，而地形图的时效性和可视性相对不足.

4)无法精确定位中桩，导致调查人员花大量时间进行寻找.

5)不同专业的调查人员在野外的调查速度不一致，难以及时沟通、协商.

2 需求分析

本团队针对所有生产部门进行了外业调查的需求调研，采用调查问卷的形式，调查内容包括：外业调查(野外)工作中亟待解决的问题，外业调查(内业)工作中最亟待解决的问题，目前正在使用的外业辅助软件，本系统对外业工作效率的影响等内容.

收集到了来自13个专业的130份有效问卷，其中，认为本系统将提高外业工作效率的问卷占94.62%，表示愿意使用本系统约占83.08%.

定位中桩和快速查看横断面是外业调查(野外)工作亟待解决的问题,具体如图2所示.

图2 需求功能问卷调查结果统计图

外业调查资料快速整理(调查图片编号、整理)是外业调查(内业)工作最亟待解决的问题，具体如图3所示.从图中看出，对外业资料的快捷整理需求最大，超过50%.

图3 优先实现功能问卷调查结果统计图

另外，提供协同工作，加强技术沟通，进一步提高外业调查质量是急需完成的工作.

3 数字化转型发展方向

3.1 解决方案

需求调研收集到的问题具有普遍性的特点，也是开展数字化转型的发展方向，结合行业问题，采用3D-GIS技术，外业调查系统将实现以下功能.

1)将调查数据(照片、视频或语音录入)与桩号关联，相关信息存储于文件名，调线后数据也将与最新路线桩号进行关联，无需反复修改，采集数据可以直接导出.

2)系统提供桌面端、网页端和移动端，设置在线协同办公(IM)功能，结合“标记点”的共享功能，加强与各层级负责人和总工的联系，实现“现场办公”以及时解决技术问题，推动协同工作.

3)采用DEM数字高程模型、DOM数字正射影像和Las点云数据，快速建立高精度的三维地形，并将路线数据加载到地形.

4)基于GIS技术，调查人员在野外可以精确定位中桩，节省比对地面物体的时间；快速查看横断面，避免野外调查期间携带大量图纸；将前面负责布设中桩测量人员的移动轨迹，上传至服务器共享给后面进行调查的人员，节省地形复杂项目中相关人员进出调查区域的时间.

5)在不改变调查人员工作习惯的前提下，可共享项目组采集的所有数据，加上“标记点”的提醒功能，促进各专业间沟通.

3.2 基于3D-GIS的外业调查系统架构

本系统采用B/S和C/S混合架构设计,从上至下分为4层：应用层、中间件层、服务层、数据层[6].

其中，应用层属于客户端的位置，后3层属于服务端的位置，其系统架构如图4所示.

图4 基于3D-GIS的外业调查系统架构示意图

应用层是整个系统的核心部分，该层建立在中心库数据的标准存储数据、模型之上，此层的数据结构完全按照业务应用需求来设计，根据公路工程外业调查的层级和模式，实现公路工程外业调查的信息化应用计算和管理，通过信息化系统构建公路工程外业调查的协同化、自动化、数字化服务系统，最终提高外业调查质量、降低成本.

中间件层提供通信支持、应用支持.中间件为其所支持的应用软件提供平台化的运行环境，该环境屏蔽底层通信之间的接口差异，实现互操作.为上层应用开发提供统一的平台和运行环境，并封装不同操作系统提供API接口，向应用提供统一的标准接口，使应用的开发和运行与操作系统无关，实现其独立性.

服务层基于云原生服务架构，以架构的四大设计原则为标准，建立可复用的统一结构化服务平台，建立统一的BIM模型标准、GIS标准、数据标准、工作流标准以及服务标准，实现服务的高效扩展以及自由组合.

数据层是业务运行的基础，包括静态数据和动态业务数据两部分，其中，静态数据包括规划数据、设计数据、建设数据、GIS数据以及系统配置相关数据等,动态数据包括标记点数据、调查数据、现场快照数据等.

3.3 外业调查系统数字化设计体系组成

基于3D-GIS的外业调查系统具体包括三维地形、定位中桩、快速查看横断面、轨迹记录、标记点、数据关联、成果导出以及工作协同等功能.其中，数据关联和成果导出是本系统的最大亮点，将大大提高外业工作效率，解决公路行业由来已久的内业、外业工作脱节的问题，也是数字化转型的重要基础.

3.3.1 数据关联与成果导出

通过设计路线、路线文件管理解析、GIS技术、GPS定位等多种技术集成，在新增调查信息时，系统自动补全多种数据信息，包括定位对应桩号、与中线距离及左右侧信息、位置所在行政归属信息等，有效地提高外业调查工作效率.

数据采集时，在传统表单填写的基础上，还可采用多种多媒体形式进行信息记录，包括照片及照片编辑(如水印、涂鸦、裁剪)、视频、语音、绘画板等，极大地丰富了外业调查人员的记录方式.除此以外，用户可在地图上绘制点、线、面等图形，更加直观地展示各类数据，如图5所示为快速拍照数据采集界面，用户直接拍照即可，柱号、偏移距离、位置等信息系统均可自动计算，提高了外业数据采集的效率.

图5 快照移动端采集界面图

公路项目具有典型的带状特征，其路线布设受生态红线、重大杆管线、地面重大构筑物、不良地质和特殊土等边界条件影响较大，因此，随着路线方案的调整，公路外业调查工作也会产生较大变动.

以某山区高速公路为例，最终确定的路线方案全长为36 km，共有9处断链，这就意味着外业调查也存在多个路线方案的过程版本.在外业调查和内业设计的衔接过程中，数据采集时对应的桩号与最终开放内业设计的桩号往往不一致，设计人员不得不投入大量精力整理数据.

通常，设计人员通过手工或半手工的方式完成多次外业调查数据的整理.首先，开展路线方案版本管理，这一工作主要由路线专业人员负责，其他专业人员则是根据野外记录中外业调查的时间查找对应路线方案的过程版本.其次，路线专业人员给出过程版本和最终版本的对应关系，项目组成员由此推算出采集数据的对应桩.最后，填写野外记录本，将外业成果导出，作为内业设计的依据.这一过程难以保证调查数据的精确性，将直接影响内业设计的质量.

实际上，采集数据和对应路线方案的关联一直以来都是外业调查工作中的难点，其使成果导出的准确性难以保证.鉴于此，外业调查系统在采集数据库和路线方案库的基础上，建立二者关联关系整理系统，联动更新调查数据以确保成果导出的准确性.具体流程如图6所示.

图6 数字化采集数据流程图

将新增调查数据以经纬度坐标作为位置唯一标识，记录上传时所关联路基及路线版本作为原始数据.通过设置调查数据的关联路线版本并自动计算新的位置信息，使路线处于持续的更新过程中，历史调查数据能够被筛选继承到最新到路线版本中，达到数据整理的目的，便于最终成果的导出.

通过外业调查系统的数据关联可以及时更新调查数据，直接减少了人工整理的环节，确保了外业调查数据的准确性和数据导出的高效性.

另一方面，统一的数据采集模板进一步提高了外业调查的规范性.在内业设计时，设计人员常常需要翻看记录本、影音资料和原始调查记录，由于纸质文件不易保存、无法实时查询和记录内容不规范等原因，导致资料查找费时费力.本系统通过实时输入调查数据，将所有采集数据与路线关联，支持按桩号查询、分类统计，并且对数据记录的格式进行了规范，保证了采集数据的规范性和有效性.

3.3.2 跨专业工作协同

按照《公路工程基本建设项目设计文件编制办法》的要求，内业设计的提交成果一般可以分为14个专业：总体、路线、路基、桥梁和涵洞、隧道、路线交叉、交通工程及沿线设施、环境保护与景观设计、其他工程、筑路材料、施工组织设计(初设为施工方案)、设计预算(初设为概算)和地质勘察[6].外业调查工作开展时，除了概预算专业，其余专业均需要安排人员进行调查，项目组各专业间的沟通协调直接影响调查成果乃至设计文件的质量.在外业调查中，跨专业沟通讨论具有非常重要的作用，尤其是在互通三角区排水涵设置点位、分离式交叉点位布设、“三改”(改路、改沟和改河)等路段方案的合理性、可行性分析论证中，有效地沟通协作有助于减少内业设计时对外业方案的调整，从而提升设计效率.在外业调查中提供协同IM功能，可以实现项目组内部的信息共享，开展协同调查，提高调查效率与质量.

当前内业设计中不同专业之间的沟通协作并不便捷.例如，重难点路段的技术方案通常由项目组初步拟定后，组织项目部门技术负责人、总工办或审查专家进行方案会审，依托电话、中间检查、外业验收及方案会审会议等方式的沟通一般具有滞后性，极易造成工期延后.

对此，外业调查系统支持在线协同办公，确保各专业在信息对称的前提下，进行充分的沟通讨论，开展协同工作.具体而言，外业系统同时支持桌面端、网页端和移动端三端协同工作.以项目组为单位，根据工作人员角色分配不同权限，结合移动端IM的即时消息功能，项目组成员可以实现同步或异步协同工作.

同一项目组的成员，不仅可以访问使用项目的业务数据(包括调查数据、快照、标记点、轨迹、设计资料等)，而且能够发送给项目同伴直接查看，提高沟通及工作效率，具体如图7所示.

图7 移动端资料共享图

3.3.3 三维地形

外业调查和内业设计中使用的二维地图，因可视化程度不高，使得设计人员难以从整体上把握路线设计方案.数字化的外业调查系统利用DEM数字高程模型、DOM数字正射影像和Las点云数据[7]，快速建立高精度的三维地形.调查和设计人员可通过移动端、桌面端或网页端，查看加载于三维地形上的线路总体设计效果,如图8所示，在此基础上进行方案优化调整.

图8 路线数据加载至三维地形图(桌面端)

3.3.4 定位中桩、快速查看横断面和轨迹记录

基于3D-GIS的外业调查系统，可以帮助调查人员在野外工作时，使用移动端快速定位中桩、查看横断面等，具体如图9所示.

图9 移动端横断面显示图

此外，该系统还可以绘制用户外业调查过程中的移动轨迹路线，这一数据上传服务器后可作为项目数据资产进行二次挖掘利用[8].例如，用户通过轨迹数据分享，将自己的调查过程路线分享给项目组成员，项目组成员将需要的轨迹路线加载到手机上显示，进而选择该路线行进，在地形复杂路段将有效提高工作效率.

3.3.5 标记点

在外业调查系统中，调查人员可以通过网页端或移动端增加标记点，并在带有位置信息的标记点上传相关影音资料文件.使用标记点的提醒功能，关注该标记点的用户可以在设置的距离范围内获得消息提示.在外业复杂的工作场景下，这一功能有助于调查人员及时跟进标记点的现场情况，成为跨专业沟通及工作提示的重要载体，如图10所示.

图10 移动端标记点显示界面图

3.4 实际应用

自2019年3月德会高速项目采用外业调查系统开展外业工作以来，该系统在四川省交通勘察设计研究院有限公司得到广泛应用.截至2021年3月，该系统累计采集数据3 000余次，其中采集照片4 000余张，影音、轨迹和路线等文件3 000余个，覆盖公路项目的工可、初设和施设等各个阶段，涉及高速公路、国省干道和市政道路等.该系统有效地解决了具有普遍性的行业难点，有效提升了外业调查的工作效率.此外，通过进一步规范调查工作流程，加快了公路行业外业调查工作的数字化转型.

4 结 论

公路行业作为传统基础设施建设行业，目前数字化程度并不高.外业调查作为公路勘察设计数据采集的第一步，提高其数字化程度具有现实意义.

在大力推动数字化转型的时代背景下，本研究首先对既有的外业调查现状进行梳理，结合需求调研分析，厘清公路行业在外业调查领域的难点和稳待解决的问题，借助于3D-GIS等技术，设计开发了外业调查系统，并通过实际验证.从数据关联和成果导出、三维地形、定位中桩、快速查看横断面、轨迹记录、标记点和工作协同等几个方面进行了数字化改进.尤其是数据关联和成果导出的数字化改进，解决了长期以来内业和外业工作脱节、外业工作未能很好地服务于内业设计的问题.

在采集数据的记录、存储和导出工序中充分融合了智慧交通、数字交通的理念，大幅度地提高外业调查工作效率.外业调查系统在行业内的广泛使用，将有效地实现公路行业外业调查工作的数字化转型.