沪苏通长江大桥主航道三维建模与多源监测数据可视化研究_陈铮.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 1 月测绘与空间地理信息GEOMATICS&SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGYVol.46,No.1Jan.,2023收稿日期:2021-09-13基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金项目(SWJTU10ZT02)资助作者简介:陈 铮(1997-),女,湖南衡阳人,测绘工程专业硕士研究生,主要研究方向为精密工程测量与变形监测。沪苏通长江大桥主航道三维建模与多源监测数据可视化研究陈 铮1,焦雄风2,谭社会3,张献州1(1.西南交通大学 地球科学与环境工程学院,四川 成都 611756;2.中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070;3.中国铁路上海局集团有限公司,上海 200071)摘要:沪苏通长江大桥从建设至开通运营期间,积累了大量的监测数据、设计图纸等资料,如何利用 BIM 技术将这些数据信息与沪苏通长江大桥实体三维模型相关联,从而进行可视化展示及分析,是目前工程运营管理中亟须解决的问题。在监测数据可视化研究中,大多数都依赖于特定的三维软件,难以满足多用户、无插件、跨平台的使用需求,在铁路工程项目跨专业应用中的共享性较差。本文基于 Cesium 平台,采用 Echarts、WebGL 技术,针对沪苏通长江大桥主航道变形监测数据可视化需求分析,实现了沪苏通长江大桥主航道三维实体模型的搭建、监测点布设展示、交互式监测点变形信息查询等功能,为运营管理及工程人员提供了大桥实体监测点变形数据查询,能更加高效地对监测点变形规律进行分析,同时也能帮助决策者直观快速地了解大桥整体健康监测情况。关键词:沪苏通长江大桥;三维实体模型;多源变形监测数据;可视化表达;Cesium中图分类号:P258 文献标识码:A 文章编号:1672-5867(2023)01-0047-04Research on 3D Modeling and Visualization of Multi-source Monitoring Data of Main Channel of Shanghai-Suzhou-Nantong Yangtze River BridgeCHEN Zheng1,JIAO Xiongfeng2,TAN Shehui3,ZHANG Xianzhou1(1.School of Earth Science and Environmental Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China;2.China Railway Shanghai Design Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200070,China;3.China Railway Shanghai Bureau Group Co.,Ltd.,Shanghai 200071,China)Abstract:During the period from the construction to the opening and operation of Shanghai-Suzhou-Nantong Yangtze river bridge,a large number of monitoring data,design drawings and other materials have been accumulated.How to use BIM technology to associate these data with 3D entity model of Shanghai-Suzhou-Nantong Yangtze River Bridge,so as to carry out visual display and analysis is an urgent problem to be solved in the current project operation management.In the research of monitoring data visualization,most of them rely on specific 3D software,which is difficult to meet the requirements of multi-user,plug-in free,cross-platform use,and poor sharing in the cross-professional application of railway engineering projects.In this paper,based on the Cesium platform,using Echarts and WebGL technology,aiming at the visualization demand analysis of deformation monitoring data of the main channel of Shanghai-Suzhou-Nantong Yangtze river bridge,the functions of building 3D entity model of the main channel of Shanghai-Suzhou-Nantong Yangtze river bridge,arranging and displaying monitoring points,and querying deformation information of interactive monito-ring points are realized,which provides engineers with the bridge entity monitoring point deformation data query,which can more effi-ciently analyze the deformation law of the monitoring point,and also help decision-makers to intuitively and quickly understand the o-verall health monitoring situation of the bridge.Key words:Shanghai-Suzhou-Nantong Yangtze river bridge;3D entity model;multi-source deformation monitoring data;visual ex-pression;Cesium0 引 言大型铁路桥梁变形监测数据有着多元、动态、海量的特点,长期监测得到的监测点监测数据及空间位置信息以不同的类别分开存储在表格或折线图中,无法直观、完整地对铁路桥梁整体监测与变形状况进行分析。随着人们对真实铁路桥梁变形的认知需求加大,图表逐渐不能满足人们的需求。三维可视化场景相较于二维图表有着更优越的可视化效果1,并且可以展示铁路桥梁实体模型、监测点空间位置、监测点变形信息、属性信息等,是变形监测信息集成和表达的重要手段2。乐世华等基于倾斜摄影技术、BIM 模型、Web GL 可视化等技术,利用地图引擎 Cesium 搭建流域虚拟可视化场景环境,实现跨平台三维流域信息 Web 端流畅加载3;Wang.S 将 BIM 技术运用在桥梁健康监测上,指出了 BIM技术在此方面的优势,并基于工程实例实现了应用框架的构建4;袁凌等在风电场地形三维可视化实际需求的基础上,研究了基于 Cesium 引擎的风电场地形三维可视化系统5;李成涛等提出了一种基于 BIM 技术的桥梁病害三维可视化方案6;Clevenger,Caroline Atadero 等利用BIM 软件对桥梁进行检查和分析,并评估管理相关的监测数据,利用开发的插件对桥梁的结构性能和荷载进行检测,并在实际案例工程中进行了应用7。本文采用 Web GL 绘图标准下 Cesium 地图引擎8-9,基于沪苏通长江大桥主航道变形监测数据,实现了沪苏通长江大桥主航道三维模型的搭建、监测点布设展示、交互式监测点变形信息查询,为工程人员和决策者提供虚拟可视化大桥健康监测场景,更直观地分析判断监测点变形规律与大桥的相对关系。1 数据来源与三维可视化平台1.1 数据来源1.1.1 工程概况沪苏通长江大桥是沪苏通铁路的控制性工程,大桥位位于锡通公路过江通道处,上距江阴长江公路大桥约45 km,下距苏通长江公路大桥约 40 km。沪苏通长江大桥与公路采用共通道建设。沪苏通长江大桥主航道桥采用双塔三索面箱桁组合梁斜拉桥方案,主跨跨度 1 092 m,具体孔跨布置为:(140+462+1092+462+140)=2 296 m,是世界上最大跨径的公铁两用斜拉桥。1.1.2 多源监测数据沪苏通长江大桥主航道桥梁、轨道变形监测是以梁体自动化监测为主,辅以定期的人工监测,用于检核和修正自动化监测数据。北斗监测是在大桥南北两岸各布设2 个基准站,主跨公路桥面上按 70 m 间距共布设 13 个监测断面,南通方向边跨跨中布设 1 个监测断面,张家港方向边跨布设三个监测断面,每个断面 2 个北斗监测站,共计 34 个北斗监测站,并在 1、2、7、8、23、24、31、32 号北斗监测点处布设风速、温度计。主航道斜拉桥范围轨道控制网(CPIII)定期采用全站仪人工监测,每个月利用天窗点上线对 CPIII 进行两次修复。沪苏通长江大桥主航道监测点位布设如图 1 所示。图 1 沪苏通长江大桥主航道桥及监测点布设位置示意图Fig.1 Schematic diagram of main channel bridge and monitoring points of Shanghai-Suzhou-Nantong Yangtze River Bridge1.2 Cesium 三维可视化开发平台Cesium 是一个开源的 JavaScript 地图引擎,为多种地理数据提供可视化服务,提供 3D 图形绘制 API、动态可视化展示等功能10-12,不需要安装额外的浏览器扩展插件,只需在浏览器支持 Web GL 的前提下就可以实现无插件跨浏览器跨平台展示。Cesium 地图引擎对铁路桥梁工程地理数据表达的优势在于:1)具有轻量级、开发简单、支持多种数据可视化方法、跨平台、无需插件等,可以满足大规模跨专业铁路桥梁工程应用中不同用户群共享的要求;2)Cesium 可以支持大范围内的工程监测数据的快速加载,也可以负载海量监测点空间数据和属性数据。同时 Cesium 支持不同的地图数据源,如国外的 Google Maps、国内的天地图以及开源的 OpenStreetMap 等,也可以使用简单的图片作为地图源13-14。2 功能需求分析沪苏通长江大桥主航道变形监测数据的可视化研究,需要以直观且简洁的页面进行展示,将数据更加便捷、更加直观地展现出来,突出三维可视化在数据获取和数据显示上的优势12,从而使决策者能迅速准确地做出相应的判断。2.1 主航道实体三维模型可视化需求沪苏通长江大桥主航道、监测点位、变形监测数据一直以二维图表的形式进行展示说明,这种展示不利于决策者搜索信息、理解信息,同时也无法直观地将变形监测信息与大桥的空间地理情况相结合。运用可视化技术对沪苏通长江大桥主航道的监测数据进行加工,可展示监测点与主航道之间的地理空间关联,在一定程度上能展现更多的信息量13。2.2 既有数据可视化查询需求在沪苏通长江大桥运营监测过程中,设计方案、设计图都以图纸的形式进行保存,大量的纸质资料很难和桥84 测绘与空间地理信息 2023 年梁进行关联,同时纸质资料的堆积难以快速展示需要的内容,难以进行相关查阅。对监测数据来说,风速、温度传感器包含时间属性,为时态数据,需