郝 蕊，王輝麟，盧文龍，徐曉磊

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路工程項(xiàng)目線狀分布、地域廣泛、施工復(fù)雜，傳統(tǒng)管理模式下難以實(shí)現(xiàn)多維信息的準(zhǔn)確高效傳遞與集成管理，需要利用信息模型對(duì)鐵路工程在其全生命周期內(nèi)所涉及的資源、活動(dòng)和產(chǎn)品等進(jìn)行有效地組織和管理，一般的模型信息只是描述客觀現(xiàn)實(shí)，并不具備信息承載的能力，所以利用地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）技術(shù)–建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）為施工管理提供可視化、信息化的手段，提高各階段信息共享水平，節(jié)約成本，避免浪費(fèi)。

以空間分析和三維可視化為核心技術(shù)的GIS提供了研究地理實(shí)體要素的手段和方案，以GIS為技術(shù)基礎(chǔ)的平臺(tái)可以滿足用戶對(duì)鐵路工程全局性表達(dá)的需求。而高精度的BIM模型不僅為GIS提供重要的數(shù)據(jù)源，其本身整合了建筑的圖形、非圖形信息，將信息參數(shù)化集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，滿足用戶對(duì)工程的精細(xì)化管理要求。因此，BIM和GIS的融合可以深化多領(lǐng)域的協(xié)同應(yīng)用，為鐵路工程建設(shè)的信息化、可視化管理提供技術(shù)手段。

1 鐵路工程建設(shè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享

1.1 鐵路工程建設(shè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

地理信息系統(tǒng)具有完整的空間和屬性數(shù)據(jù)的管理特性，鐵路信息資源與地理信息存在緊密的關(guān)聯(lián)性和依附性，可以將其空間和屬性信息有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從空間和屬性兩個(gè)方面對(duì)要素進(jìn)行查詢、定位和分析。因此，鐵路工程建設(shè)的空間、非空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和集成共享十分重要。

GIS存儲(chǔ)管理的數(shù)據(jù)不僅具有一般屬性數(shù)據(jù)，而且還包括與位置有關(guān)的空間特征數(shù)據(jù)，例如空間位置、投影方式、地理要素間的關(guān)系等；空間數(shù)據(jù)可以采用文件的形式存儲(chǔ)，但是這種方式數(shù)據(jù)易丟失，而且也不能滿足用戶對(duì)空間數(shù)據(jù)并發(fā)訪問(wèn)的需求，因此，可以采用統(tǒng)一的DBMS存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)上增加一個(gè)空間數(shù)據(jù)管理層，利用特殊的表結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成等[1]。

本文研究了一種Oracle+ArcSDE的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)。將鐵路工程建設(shè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為shp格式，利用空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE將數(shù)據(jù)批量加載到空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，并創(chuàng)建相關(guān)的屬性表，在這些屬性表與ArcSDE業(yè)務(wù)表具有一列相同的屬性字段，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)可以通過(guò)這個(gè)字段關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)在空間數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)。

1.2 鐵路工程建設(shè)數(shù)據(jù)集成與共享

以SOA作為基礎(chǔ)架構(gòu)，該架構(gòu)以Web服務(wù)作為信息共享的主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段，搭建一個(gè)可復(fù)用的資源環(huán)境[2]。將既有的鐵路工程業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，使用標(biāo)準(zhǔn)的接口封裝成Web服務(wù)，通過(guò)發(fā)布與調(diào)用完成使用過(guò)程?；赟OA架構(gòu)的數(shù)據(jù)集成，整合了業(yè)務(wù)系統(tǒng)積累的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有機(jī)融合，通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)級(jí)的共享，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)與共享。其數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

2 基于GIS-BIM技術(shù)的可視化模型構(gòu)建

圖1 數(shù)據(jù)流程圖

BIM 模型是建筑信息參數(shù)化的集成，模型中所集成的信息都可以通過(guò)參數(shù)化的手段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，一旦模型中某個(gè)參數(shù)發(fā)生改變，模型實(shí)體能自動(dòng)地進(jìn)行更改，這就為鐵路工程建設(shè)的精細(xì)化、可視化管理提供一種新的管理思路。但是鐵路工程是具備地理屬性的，因此還需要借助地理信息的空間分析，將GIS-BIM兩者有效融合，構(gòu)建一個(gè)具備空間場(chǎng)景的三維工程建設(shè)模型，對(duì)施工環(huán)境和施工現(xiàn)場(chǎng)有效的監(jiān)督與管理，為用戶提供一個(gè)既可以全局把控又可以精細(xì)管理的技術(shù)手段。

2.1 基于參數(shù)化規(guī)則快速建模技術(shù)的GIS模型構(gòu)建

在建筑物高度集群化的時(shí)代，絕大多數(shù)的建筑物層與層的結(jié)構(gòu)基本都是重復(fù)排列的，在獲取建筑物某層的局部特征便可獲取這一層的全部特征，甚至可以獲取整棟建筑物的特征，正是基于這種特征才為參數(shù)化規(guī)則建模提供了可能[3]。鐵路工程的工程結(jié)構(gòu)是有規(guī)律的按照一定地理空間重復(fù)排列，其構(gòu)件參數(shù)可以定義各種幾何特性，按照一定的公式或者數(shù)學(xué)法則相互關(guān)聯(lián)，從而通過(guò)設(shè)定構(gòu)件參數(shù)建立模型，因此可以選擇應(yīng)用參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型的手段建立三維場(chǎng)景。

這種技術(shù)思想是在一個(gè)GIS環(huán)境下，制作二維矢量數(shù)據(jù)（含高程信息），調(diào)用GIS屬性數(shù)據(jù)，利用參數(shù)化規(guī)則文件驅(qū)動(dòng)生成模型。選用CityEngine軟件，通過(guò)編寫CGA（Computer Generated Architecture）規(guī)則，提取二維數(shù)據(jù)屬性，激活二維數(shù)據(jù)對(duì)象，參數(shù)化驅(qū)動(dòng)生成三維模型，同時(shí)能夠產(chǎn)生大范圍的模型及多種建筑物樣式。這樣生成的三維模型具備地理屬性，便于編輯與操作。參數(shù)化規(guī)則建模示意圖如圖2所示。

圖2 參數(shù)化規(guī)則建模示意圖

CGA規(guī)則建模的基本思想是定義規(guī)則，并反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)更多的模型細(xì)節(jié)[4]，CGA是一種內(nèi)嵌Cityengine中的編程語(yǔ)言，通過(guò)編程的思想描述對(duì)二維平面的參數(shù)化設(shè)置，并將結(jié)果賦予一個(gè)或者多個(gè)對(duì)象。CGA規(guī)則可對(duì)模型進(jìn)行平移、拉伸、旋轉(zhuǎn)、切割、貼紋理、模型替換等操作，常見(jiàn)的命令如下，構(gòu)建的模型如圖3所示。

t(tx,ty,tz) 平移 ；

r(rx,ry,rz) 旋轉(zhuǎn) ；

s(sx,sy,sz) 形狀調(diào)整；

center(axes-selector) 設(shè)置為平面中心；

i(“**.obj”) 替代為別的模型；

extrude(Height)拉伸；

split(z) 切分。

圖3 參數(shù)化規(guī)則建模構(gòu)建模型

2.2 基于數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的GIS-BIM數(shù)據(jù)融合

BIM是基于工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC，Industrial Foundation Classes）擴(kuò)展語(yǔ)義要素，形成存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，3D GIS是應(yīng)用CityGML三維模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)框架，因?yàn)榇鎯?chǔ)和表達(dá)的差異，導(dǎo)致二者不能各自在軟件平臺(tái)上互相友好支持，目前，關(guān)于IFC與CityGML整合主要在轉(zhuǎn)換框架的設(shè)計(jì)、基于標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展機(jī)制的整合、基于數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。本文研究了信息模型在BIM和GIS領(lǐng)域及其軟件平臺(tái)間無(wú)損轉(zhuǎn)換和無(wú)縫銜接的方法，提出一種基于FME格式轉(zhuǎn)換軟件平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行處理分析和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)模型的跨地域展示，其流程如圖4所示。

圖4 BIM與GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

研究思路是應(yīng)用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件FEM將BIM模型放入GIS環(huán)境中。BIM模型來(lái)自Revit軟件的RVT格式，利用FME在Revit軟件里的插件，將RVT格式轉(zhuǎn)換為一種中間格式RVZ，然后將RVZ文件導(dǎo)入FME軟件平臺(tái)中，按照要素特征，調(diào)整配置合理的參數(shù)，最終轉(zhuǎn)換為shp格式文件，利用ESRI軟件功能處理所有文件，這種方式導(dǎo)出模型的姿態(tài)與原始Revit模型相一致。

從外觀上來(lái)講，這種格式轉(zhuǎn)換方式不需要人工干預(yù)，顏色和透明度會(huì)保持比較完整；在屬性方面，RVZ的中間格式保留了大部分BIM信息；從模型體量來(lái)說(shuō)，RVZ格式的文件體量是原文件的1/7，因此轉(zhuǎn)換的GIS模型體量小，信息比較完整。對(duì)比如表1所示，效果圖如圖5所示。

表1 BIM格式與GIS格式比對(duì)表

圖5 BIM轉(zhuǎn)換為GIS模型對(duì)比圖

2.3 基于傾斜攝影的三維地形模型構(gòu)建

鐵路工程建設(shè)地理信息系統(tǒng)引入傾斜攝影技術(shù)，通過(guò)在飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器（目前常用的是五鏡頭相機(jī)），從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取完整準(zhǔn)確的地面物體。采集影像數(shù)據(jù)后，利用建模軟件將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，地物建模采用Smart 3D軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形計(jì)算，生成點(diǎn)云，點(diǎn)云構(gòu)成格網(wǎng)，格網(wǎng)結(jié)合照片生成賦有紋理的三維模型。區(qū)域整體三維建模方法生產(chǎn)路線如圖6所示。

圖6 區(qū)域整體三維建模方法生產(chǎn)路線圖

本文采用的場(chǎng)景數(shù)據(jù)由無(wú)人機(jī)采集，無(wú)人機(jī)航拍的影像經(jīng)過(guò)建模軟件處理可以產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)格式，因?yàn)殍F路工程建設(shè)地理信息系統(tǒng)基于ESRI軟件，因此生成適用于ESRI軟件的spk格式。這樣就實(shí)現(xiàn)了利用無(wú)人機(jī)+Smart 3D，構(gòu)建了施工的場(chǎng)景模型。

3 應(yīng)用案例

目前，基于GIS-BIM技術(shù)構(gòu)建的鐵路工程建設(shè)地理信息系統(tǒng)在鄭萬(wàn)（鄭州南站—萬(wàn)州北站）鐵路試點(diǎn)應(yīng)用，輔助高鐵建設(shè)管理。在鄭萬(wàn)河南線第2標(biāo)段40 km范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了傾斜攝影和三維建模及GISBIM的綜合展示功能。

通過(guò)無(wú)人機(jī)5個(gè)角度傾斜攝影，生成點(diǎn)云并貼圖，最終生成地表模型。飛行攝影范圍包括：線路兩側(cè)各100 m、梁場(chǎng)和拌合站等，采用WGS84（World Geodetic System 1984）坐標(biāo)系，飛行高度在150 m～200 m，比例尺精度設(shè)置為1:500，形成的場(chǎng)景圖如圖7所示。

圖7 基于傾斜攝影的場(chǎng)景模型

應(yīng)用參數(shù)化規(guī)則建模技術(shù)，為鄭萬(wàn)第2標(biāo)段40 km建立橋梁的三維模型?；A(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示，以鐵路工程橋梁為例，提取數(shù)據(jù)的屬性信息，形成二維數(shù)據(jù)面，如圖8所示，然后對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行拉伸，將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維模型。并對(duì)模型進(jìn)行細(xì)化、切割、替換、貼紋理，使模型更趨近現(xiàn)實(shí)，構(gòu)建完成的三維場(chǎng)景可以基于WebGIS技術(shù)發(fā)布服務(wù)，用戶可以在Web端查看，如圖9所示。該結(jié)構(gòu)模型的精度可以達(dá)到所需的顆粒度，生成局部場(chǎng)景的效果圖及關(guān)鍵施工工藝過(guò)程的展示動(dòng)畫(huà)。

表2 梁體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖8 具備屬性數(shù)據(jù)的面要素

圖9 三維鐵路橋梁服務(wù)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路工程建設(shè)地理信息系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，集成共享鐵路工程管理平臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以決策支持的可視化為目標(biāo)，以地理信息技術(shù)為支撐，服務(wù)與鐵路工程建設(shè)各參與方的二三維一體化支撐系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在一些鐵路工程建設(shè)單位進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，取得良好的效果。在未來(lái)的發(fā)展中，GIS與BIM將深度融合，在地理環(huán)境中有效支撐大范圍的BIM數(shù)據(jù)集，利用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行高效管理，從而支持對(duì)大規(guī)模工程的協(xié)同分析和共享應(yīng)用，提升鐵路行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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