Analyse und Planung von Straßenreparaturen

Die Abteilungen für Verkehr und öffentliche Arbeiten sind dafür verantwortlich, die Straßen zu überwachen, zu warten und bei Bedarf zu reparieren. Daher müssen diese Abteilungen Daten über den Straßenzustand sammeln, die aktuelle Situation analysieren, um den Instandhaltungsbedarf zu ermitteln und Straßenreparaturen zu planen. Die in Global Mapper Pro verfügbaren Werkzeuge und Funktionen unterstützen Bauteams bei der Analyse und Planung von Straßenreparaturen.

Die Möglichkeit, 3D-Daten zu erfassen, wird immer alltäglicher, da ihre Verwendung in GIS und anderen Branchen immer mehr an Bedeutung gewinnt. Verkehrsinfrastrukturingenieure sind nun in der Lage, aktuelle Informationen zu erfassen und ein Gebiet von Interesse in 3D zu modellieren, um die Situation methodisch zu bewerten und die erforderlichen Änderungen zu simulieren.

Lidar-Daten, eine aktive Form der Datenerfassung unter Verwendung von Laserimpulsen, erzeugen eine hochdichte 3D-Punktwolke, die dann zur weiteren Analyse in Global Mapper geladen wird. Lidar-Scanner können an Starrflüglern, Drehflüglern, Drohnen und Landfahrzeugen angebracht werden, aber auch in der Hand gehalten werden. Dank der jüngsten Entwicklungen sind einige neuere Smartphones sogar in der Lage, 3D-Daten zu erstellen.

In diesem Beispiel wird eine terrestrische Lidar-Punktwolke für ein kleines Stadtgebiet in Global Mapper Pro geladen, um sie zu erkunden und zu analysieren. Die Standarddatenansicht in Global Mapper ist eine 2D-Ansicht von oben nach unten, aber der 3D-Viewer, der über die Viewer-Symbolleiste geöffnet wird, und das Pfadprofil-Querschnitt-Werkzeug, das über die Analyse-Symbolleiste aktiviert wird, können zur besseren Visualisierung der Daten in drei Dimensionen verwendet werden.

Bei den hochauflösenden Daten für einen Teil der Straße handelt es sich um terrestrisch gesammelte Lidar-Daten, d.h. der Lidar-Scanner wurde an einem statischen Ort auf dem Boden aufgestellt. Diese Methode der Datenerfassung eignet sich gut für die Erfassung eines höheren Detailgrads für den Boden und bodennahe Merkmale, aber Daten für hohe Vegetationsdächer und Gebäudedächer werden nicht erfasst.

Zur weiteren Erkundung der Merkmale dieser Daten werden die Metadaten für die Ebene angezeigt und die Attribute für einzelne Punkte mit dem Werkzeug Feature Information angezeigt. Die Anzeige der Attribute für diese Punktwolke gibt Aufschluss darüber, welche Werte für die Visualisierung und Analyse zur Verfügung stehen. In diesem Beispiel enthält der Datensatz Echtfarbwerte (RGB) und Intensität.

Um die Punktwolke besser zu verstehen und mit der Analyse der Fahrbahn zu beginnen, müssen die Daten klassifiziert werden. Bei der Klassifizierung wird für jeden Punkt eine Klasse festgelegt, um die in den Daten enthaltenen Informationen besser zu beschreiben. Übliche Klassifizierungen sind Boden, Gebäude und Vegetation. Bei einem Straßenszenario wie diesem ist die wichtigste Klassifizierung der Boden. Durch die genaue Klassifizierung von Punkten, die Boden darstellen, kann der Boden in den Daten von den anderen, nicht klassifizierten Rückgaben getrennt werden.

Global Mapper bietet manuelle Klassifizierungsoptionen, aber eine weitaus effizientere Methode sind die automatischen Klassifizierungstools. Mithilfe des Werkzeugs "Automatische Bodenklassifizierung" mit benutzerdefinierten Eingabeparametern zur Steuerung der Algorithmen wendet Global Mapper die Bodenklassifizierung auf die entsprechenden Punkte an.

In Global Mapper ist die Umwandlung einer Punktwolke in eine anfängliche Geländeoberfläche ein einfacher Prozess. Bei der Arbeit mit Punktwolkendaten umfasst das Werkzeug "Create Elevation Grid" (Höhenraster erstellen) mehrere Binning-Methoden, um ein geglättetes Raster zu erstellen, bei dem das Minimum, das Maximum oder ein anderer Wert aus jedem benutzerdefinierten Probenbereich verwendet wird. Die Verwendung der Binning-Minimum-Methode zusammen mit einem Bodenklassifizierungsfilter erzeugt ein genaues Digitales Geländemodell (DGM), das die Form der Straße am besten wiedergibt.

Die in Global Mapper generierte Höhenoberfläche kann mit verschiedenen Shadern eingefärbt werden, um Höhe, Neigung und Aspekt besser zu visualisieren. Die klare Visualisierung von Höhen- und Neigungsänderungen hilft dabei, den aktuellen Zustand der Straße, des Bordsteins und des Bürgersteigs besser zu verstehen.

Straßen müssen relativ flach sein und ein leichtes Gefälle aufweisen, um das Abfließen von Regenwasser zu erleichtern und Überschwemmungen zu vermeiden. Auf diesem speziellen Straßenabschnitt gibt es Bürgersteige mit einer erhöhten Bordsteinkante, die quadratisch und konsistent entlang der Straßenkante sein sollte. Die Neigungsrichtung oder der Aspekt-Shader kann auf die gerasterten Daten angewendet werden, um die Konsistenz von Neigung und Neigungsrichtung auf beiden Seiten der Straße zu zeigen.

Wenn man das digitale Höhenmodell nach Neigung schattiert betrachtet, kann man allgemeine Trends über die Fahrbahn erkennen. Um jedoch die Neigung und Richtung diskreter darzustellen, können Vektormerkmale hinzugefügt und als Köcherdiagramm-Pfeile angezeigt werden. Durch die Erstellung eines regelmäßigen Gitters von Punktmerkmalen, die das Höhenmodell abdecken, und die Abtastung der Neigung und der Höhe an jedem Punkt werden lokale Messungen erzeugt. Um die Neigung und Richtung mit den erzeugten Punkten besser zu visualisieren, ändern Sie die Symbolik in einen Köcherplot-Stil, wobei die Neigung und die Richtung der Neigung für jeden Ort die Richtung und die Größe der Pfeile bestimmen.

In einem städtischen Gebiet wie dieser Innenstadtumgebung ist der Wasserabfluss von großer Bedeutung. Mit dem DGM und dem Werkzeug zur Erstellung von Wassereinzugsgebieten in Global Mapper werden simulierte Abflusskanäle erstellt, um den voraussichtlichen Wasserfluss auf der Grundlage des verfügbaren Höhenmodells darzustellen. Im Idealfall fließt das Wasser zu den Regenwasserkanälen entlang der Straße, um Überschwemmungen zu vermeiden.

Die Untersuchung der erzeugten Ströme zeigt, dass ein gut definiertes Einzugsgebiet der Mittellinie der Straße zu folgen scheint und sich der Abfluss wie erwartet entlang der Bordsteine sammelt. Es ist zwar gut, dass die Bordsteine den Abfluss auffangen, wenn er sich den Gebäuden und Geschäften in der Innenstadt nähert, aber der Abfluss auf der Westseite der Straße wird nicht in eine ausreichende Anzahl von Abläufen geleitet, was wahrscheinlich zu unerwünschten Ansammlungen führen wird. Dieses aktuelle Entwässerungsproblem sollte bei der Ausarbeitung eines Plans für die Reparatur dieses Straßenabschnitts berücksichtigt werden.

Zu Beginn der Planung der Straßenreparatur müssen Vektormerkmale erstellt werden, die alle harten Kanten, wie z. B. Bordsteine, darstellen. Sobald diese Merkmale im Vektorformat vorliegen, können sie zur Erstellung eines neuen Geländemodells verwendet werden, das den Reparaturplan für die Straße darstellt.

Die Randsteine dieser Straße können in Global Mapper Pro als Bruchkanten extrahiert werden. 3D-Linienfeatures können manuell oder mit dem Werkzeug Automatische Bruchliniengenerierung aus dem Menü Analyse erstellt werden. Die automatische Bruchliniengenerierung wendet benutzerdefinierte Eingabeparameter an, um Linien entlang von Kanten zu erstellen, bei denen ein signifikanter Unterschied in der Höhe oder Neigung besteht. Mit diesem Werkzeug werden Linien am Scheitelpunkt des Bordsteins auf beiden Seiten der Straße erstellt. Einige dieser Linien sind in kleinere Abschnitte unterteilt, aber als Vektorfeatures lassen sie sich leicht kombinieren und bereinigen, um einen Satz von 3D-Breaklines zu erstellen, die die aktuelle Bordsteinstruktur definieren.

Die manuelle Methode zur 3D-Linienextraktion erfordert zusätzliche Benutzereingaben und wird mit einer Reihe von senkrechten Pfadprofilansichten durchgeführt. In jeder Querschnittsansicht wird ein einzelner Scheitelpunkt platziert und angepasst, um die Form der 3D-Linie zu bilden. Diese Methode wird verwendet, um den aktuellen Hochpunkt bzw. die Kronenlinie für diese Fahrbahn genauer zu extrahieren.

Bei der Betrachtung weiterer Pfadprofile der generierten Straßenoberfläche und der extrahierten Features wird deutlich, dass die Straße nicht eben ist. Nicht nur sind die Neigungen der Fahrbahn auf beiden Seiten des Hochpunkts uneinheitlich, sondern auch der linke und der rechte Bordstein liegen nicht auf der gleichen Höhe. Dieses Neigungsmuster ist für den gesamten Straßenverlauf konsistent, da es senkrecht zur Hangneigung eines Hügels verläuft.

Bei der Prüfung von Optionen zur Reparatur dieser Straße ist die Schaffung einer neuen Oberfläche mit der Kronenlinie in der Mitte keine ideale Lösung. Da die Ränder der Straße auf unterschiedlichen Höhen liegen, wäre das Gefälle auf beiden Seiten der Kronenlinie unterschiedlich. Die hangaufwärts gelegene Seite würde innerhalb eines akzeptablen Neigungsbereichs liegen, aber die hangabwärts gelegene Seite würde die akzeptable Querneigung für ein Stadtgebiet überschreiten.

In Anbetracht der Lage dieser Straße und der bereits vorhandenen Entwässerungsinfrastruktur besteht die beste Lösung darin, eine Straße mit geradem Gefälle anzulegen. Um das erforderliche Gefälle besser zu bewältigen, wird auch die Höhe der Bordsteine versetzt. Durch die Verwendung eines kürzeren Bordsteins auf der hangaufwärts gelegenen Seite und eines höheren Bordsteins auf der hangabwärts gelegenen Seite wird das Gesamtgefälle der Fahrbahn verringert.

Vor der Modellierung der Fahrbahn mit gerader Neigung werden die extrahierten Bruchkanten verwendet, um den Gehweg auf beiden Seiten der gepflasterten Straße auf die Bordsteinhöhe abzuflachen. Durch die Kombination der Bordsteinbruchlinien zu längeren Features für jede Straßenseite und die Erstellung einseitiger Pufferbereiche aus jeder Linie werden Polygone erzeugt, die die Gehwege darstellen. Da die erstellten Pufferbereiche von den 3D-Haltelinien abgeleitet sind, übernehmen diese Polygone die Höhen der ursprünglichen Haltelinien.

Aus den 3D-Gehwegflächen kann nun der erste Abschnitt eines neuen Höhenrasters erzeugt werden. Die Verwendung dieser 3D-Polygone zur Erzeugung einer neuen Höhenrasterschicht ergibt Abschnitte einer digitalen Höhenschicht, die die abgeflachten Bürgersteige modelliert.

Um ein Modell zu erstellen, das die gesamte Fahrbahn repräsentiert, sollte ein Vektormerkmal erstellt werden, das den Bereich beschreibt. Um 3D-Linien für die Fahrbahnränder zu erzeugen, werden die extrahierten Bruchlinien, die die Oberseiten der Bordsteine darstellen, in Z-Richtung (Höhe) verschoben, um die horizontale Position der Linien beizubehalten, aber die vertikale Änderung von der Gehweghöhe zur Fahrbahnoberfläche anzuwenden. Da die westliche, hangaufwärts gelegene Seite der Straße einen kürzeren Bordstein und die hangabwärts gelegene Seite einen höheren Bordstein benötigt, werden die Bruchkanten für jede Seite der Straße einzeln ausgewählt und verschoben.

Das Erstellen eines Bereichs aus den verschobenen 3D-Linien ergibt ein einzelnes Feature, das die Fahrbahn abdeckt. Die Erhöhungen pro Scheitelpunkt der verschobenen Linien werden beibehalten, so dass das Fahrbahnpolygon schräg verläuft, um die Unterseite der Bordsteine bzw. die Straßenoberfläche auf beiden Seiten zu verbinden. Durch die Erstellung eines digitalen Höhenmodells aus diesem 3D-Polygon wird ein Modell der idealen Straßenoberfläche mit gerader Neigung erstellt.

Als abschließende Bewertung wird eine Wasserflussanalyse für das geplante Straßenoberflächenmodell durchgeführt, um zu prüfen, ob der Abfluss auf der Straße durch die Lösung mit gerader Neigung verbessert wird. Wenn man das Werkzeug zur Erstellung von Wassereinzugsgebieten erneut verwendet und die von der modellierten Straßenoberfläche abgeleiteten Bäche mit denen vergleicht, die von der ursprünglichen Straßenoberfläche abgeleitet wurden, wird der Unterschied im vorhergesagten Abfluss zu den Regenwasserkanälen deutlich. Da sich auf der östlichen oder hangabwärts gelegenen Seite der Straße mehr Regenwasserkanäle befinden, zeigt das reparierte Straßenmodell einen verbesserten Wasserfluss zu diesen Stellen.