基于3DGIS+BIM技术的轨道交通方案比选方法与流程

本发明属于轨道交通设计领域，尤其涉及一种基于3dgis+bim技术的轨道交通方案比选方法。

背景技术：

城市轨道交通工程的方案比选和方案设计是一项综合性工作，具有牵涉面广、复杂性强、责任重大等特点，通常受城市规划、地形地貌、工程地质及水文地质条件、地面与地下建筑物和地面交通状况等多因素影响。传统的基于二维平面的方案比选和设计方法通常难以整合城市三维建筑物、地质、道路、管网等重要信息，导致方案比选出现失误、设计出现偏差的情况频频发生。例如出现新建工程与城市既有地下管网、建筑物交通设施等发生冲突，进而发生设计变更，可能导致大量拆迁、改造和改移工作，对工程建设及沿线区域的环境产生重大影响。

近年来随着城市轨道交通快速发展，方案比选和设计也逐步由二维平面向三维实体转变。特别是地理信息系统(gis)技术为轨道交通设计和方案比选提供了良好的技术支撑。gis系统基于空间数据库，展示大场景方面具有很好的优势，但是细节显示却存在较大的不足，难以给线路比选提供更有力的指导。

目前常用的方案比选工作，设计方案决策者需要综合考虑众多因素的影响，定义不同影响因素的权重以建立决策模型，评估各备选方案，并通过各备选方案的优劣排序找出最佳方案。目前常用的决策选择方法，如层次分析法(ahp)、模糊ahp(fuzzyahp)、德尔菲法(delphi)、网络分析法(anp)等，都是根据专家对于各属性的重视程度进行赋权，皆属于主观权重设定法。主观赋权的权数不可避免地会因人而异，而不同权重所得的综合评价结果可能是不同的。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于3dgis+bim技术的轨道交通方案比选方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于3dgis+bim技术的轨道交通方案比选方法，具体包括以下步骤：

(1)基于地理信息系统技术，建立三维地上环境模型；

(2)基于地理信息系统技术，建立三维地下环境模型；

(3)基于建筑信息模型技术，建立轨道交通模型；

(4)整合三维地上环境模型、三维地下环境模型和轨道交通模型；

(5)提出多个比选方案；

(6)构建多属性决策模型并进行评价；

(7)确定最优推荐方案。

步骤1具体包括：

(1.1)基于地理信息系统技术获取地形数据，绘制三维地形模型；

(1.2)基于地理信息系统技术获取城市景观数据，绘制三维城市模型；

(1.3)采用uav倾斜摄影技术辅助建模；

(1.4)整合建立三维地上环境模型。

步骤2具体包括：

(2.1)基于地理信息系统技术获取地质钻探等数据资料，绘制三维地下水模型；

(2.2)基于地理信息系统技术获取地质钻探等数据资料，绘制三维地质模型；

(2.3)基于地理信息系统技术获取管线数据，绘制三维地下管线模型；

(2.4)整合建立三维地下环境模型。

步骤6具体包括：

(6.1)建立决策矩阵；

(6.2)定义不确定信息；

(6.3)数据前处理；

(6.4)权重设定；

(6.5)关联分析；

(6.6)优先次序排列。

有益效果：本发明将bim技术和3dgis技术融合，bim技术具有显示精细、信息丰富的特点，弥补了gis细节不足缺陷，为gis技术更加深入的应用提供了有益的补充；构建了多属性决策模型，该决策模型基于客观权重设计法则，通过一定的数学方法来确定权重，相比于主观赋权方法得到的权数偏差更小，更能反映众多评价指标实际的重要程度。

附图说明

图1是本发明所述的基于3dgis+bim技术的轨道交通方案比选方法流程图；

图2是城市轨道交通可视化设计的流程图；

图3是构建多属性决策模型的具体流程图；

图4是广义灰关联前处理技术模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示是本发明所述的基于3dgis+bim技术的轨道交通方案比选方法，主要工作包括采用3dgis+bim技术进行可视化设计以及构建多属性决策模型，最终评选最优方案。具体包括以下步骤：

(1)基于3d地理信息系统(gis)技术，建立三维地上环境模型；

(2)基于3d地理信息系统(gis)技术，建立三维地下环境模型；

(3)基于建筑信息模型(bim)技术，建立轨道交通模型；

(4)整合3dgis和bim模型，bim技术具有显示精细、信息丰富的特点，弥补了gis细节不足的缺陷，为gis技术更加深入的应用提供了有益的补充；

(5)在综合3dgis和bim模型的基础上，提出多个比选方案；

(6)构建多属性决策模型并评价，该决策模型基于客观权重设计法则，通过一定的数学方法来确定权重，相比于主观赋权方法得到的权数偏差更小，更能反映众多评价指标实际的重要程度；

(6)确定最优推荐方案。

步骤1-4的具体流程如图2所示，步骤1具体实施方法如下：

(1.1)基于gis技术整合地形数据绘制三维地形模型；

(1.2)基于gis技术通过城市景观数据绘制三维城市模型；

(1.3)采用uav倾斜摄影技术辅助建模，提高模型真实度；

(1.4)整合建立三维地上环境模型。

步骤2的具体实施方法如下：

(2.1)基于gis技术整合地质、钻探等数据资料绘制三维地下水模型；

(2.2)基于gis技术整合地质、钻探等数据资料绘制三维地质模型；

(2.3)基于gis技术整合管线数据绘制三维地下管线模型；

(2.4)整合建立三维地下环境模型。

步骤6的具体流程如图3所示，具体实施方法如下：

(6.1)建立决策矩阵；

多属性决策矩阵由「属性」与「方案」来定义，本发明的决策模型使用不确定信息，因此决策矩阵中的评估值以灰数的方式呈现，即整个决策矩阵的呈现如公式(1)：

由公式1可知，决策矩阵是由n个方案以及m个属性所组成的矩阵，其中，表示第i个方案在第j个属性上的灰数评估值。

(6.2)定义不确定信息；

本例采用六大属性指标：运营效果及经济效益、工程造价、线路技术路线、可实施性、客流吸引效果与上位规划的符合性。

上述六大属性指标的影响评估值往往难以具体给定，但仍可凭借获得的信息以及认知，对评估值给定一个区间，此区间即为灰数。本发明采用灰数的概念来定义不确定信息，采用非定值，而是数值区间的形式进行评分，较符合人性感知的客观性。

(6.3)数据前处理；

在数据前处理方面，采用灰数的广义灰关联前处理技术模型，如图4所示。根据图4进行数据前处理探讨，使得生成的灰数评估值为

(1)当时，

由于位于生成函数的左方，没有顺序混淆的问题，此情形下的公式为：

其中，为生成后的灰数评估值。

(2)当时，

由于涵盖到的左方，因此必须考虑期望值为1的假设，此情形下的公式为：

(3)当时，

此时，涵盖整个考虑期望值生成为1的假设，此情形下的生成公式为：

(4)当时，

此时，涵盖到的右方，除考量到期望值生成为1的假设外，尚须考虑顺序混淆的问题，此情形下的生成公式为：

(5)当时，

此时，位于生成函数的右方，存在顺序混淆的问题，因此可将此情形下的生成公式汇整为：

(6.4)权重设定；

客观权重设定依据决策矩阵所提供的资讯来确定权重，主要是衡量属性内数据间的离差程度，当属性内的离差越大时，表示该属性越具有鉴别力，可给予较高的权重。据此概念，本发明先推导基于离差最大化的精确数权重设定模型。

某决策矩阵为x＝[xi(j)]n×m，经过正规化后可得正规化矩阵r，假设权重向量为：

w＝[w(1),w(2),...,w(m)]，w(j)≥0，

以属性u(j)而言，属性内方案ri与其他方案间的离差可定义为：

其中，ri为xi的生成序列。接着，令：

δ(j)表示在属性u(j)內，所有方案的加权总离差。根据离差最大化的概念，加权向量w的分配应使所有属性的加权总离差为最大。为此，其目标函数可设为：

于是，求解下列最佳化模型的w，即可得到离差最大化的权重向量：

若以lagrange函数求解此最佳化问题，则：

求其梯度，并令：

可得最佳解为：

此外，由于决策模型中一般采用单位化的权重，因此将w(j)再进行单位化处理，即：

由此可得：

公式16用以处理精确数的权重设定方式，若要拓展至灰数空间时，则必须进一步定义δi(k)的计算方式。根据灰数明考司基距离函数，可将δi(k)定义为：

此时，将此灰数距离代回公式16，即可得到客观的权重设定值。

(6.5)关联分析；

获得属性权重后，计算灰数序列间的关联分析。关联分析即分析参考序列与灰数决策矩阵间的关联性，其相近性程度判断是由距离函数为基础的。

设参考序列定义为：

采用参考序列与决策矩阵间的灰数加权明考斯基距离作为关联分析的基础，即：

其中，是指将以为参考序列进行前处理后的序列，w(j)为灰数权重设定技术所得第j个属性的权重，p为明考斯基距离参数，当p＝2时为最常见的欧基理德距离。

在此基础上，关联分析透过灰关联度的计算公式，即可将方案依大小排列优先次序。

其中，dmin与dmax分别为doi中的最小值与最大值。

通过决策矩阵、前处理技术、权重以及关联分析技术，可以进行城市轨道交通线站备选方案优先排序。属性指标、定义以及数据来源见表1所示。

表1

(6.6)优先次序排列。

步骤6中，通过对六大指标评分，可直接由决策矩阵中的评分计算出各个指标的辨别度加以赋权，一方面简化了备选方案评选的流程，同时降低主观权重对结果的影响。评分可为一个区间而非定值，较符合人性感知的客观性。