曹 方，李聰旭，年秋慧

（1.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100081）

隨著計算機圖形處理能力的高速發(fā)展，三維模型憑借其良好的展示效果在鐵路三維展示領(lǐng)域中備受關(guān)注，三維車站既能應(yīng)用在車站設(shè)備的管理和運維，也能運用在車站綜合展示與旅客導(dǎo)航等領(lǐng)域。車站三維建?？梢詾檐囌竟芾砗吐每头?wù)打下良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)三維模型創(chuàng)建主要有基于CAD數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)建模、數(shù)字攝影測量三維建模，以及基于激光掃描或雷達掃描的三維建模方式。通過運用數(shù)字攝影測量技術(shù)進行三維建模的數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程，實現(xiàn)了三維地理信息系統(tǒng)的建設(shè)[1]。但是，不管采用何種方式的三維模型創(chuàng)建，成果數(shù)據(jù)大都是3D MAX模型數(shù)據(jù)。隨著BIM技術(shù)的迅速發(fā)展，很多高鐵車站在施工建設(shè)時期均采用了BIM技術(shù)進行施工指導(dǎo)，采用Revit軟件搭建建筑結(jié)構(gòu)、雨棚鋼結(jié)構(gòu)、幕墻及房建附屬設(shè)備的模型，形成了大量的BIM交付成果。

為了集成展示不同建模方式的車站模型，需將不同格式的模型成果進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。本文分析了幾種不同三維建模和轉(zhuǎn)換軟件的特點，針對不同軟件生成三維模型的特性設(shè)計了不同的模型轉(zhuǎn)換流程，保留了原始模型所含有的信息并將其發(fā)布為W ebGIS服務(wù)，現(xiàn)場的應(yīng)用測試表明，其真正實現(xiàn)了模型的互通和互操作。

1 三維建模、轉(zhuǎn)換軟件介紹及模型特點分析

1.1 3D MAX 軟件介紹及模型特點

3D Studio MAX，簡稱為3D MAX或3DS MAX，是基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。

3D M AX模型具有良好的互通性，現(xiàn)有的全部三維軟件均能對其導(dǎo)出的公共格式模型進行操作和展示。用戶可以根據(jù)自己的需求使用不同的原數(shù)據(jù)進行三維模型的制作，不但可以根據(jù)設(shè)計圖紙按尺寸及材質(zhì)進行制作，也可以使用激光點云數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實景照片建模。極大地擴展了數(shù)據(jù)采集的方式，即使沒有目標(biāo)對象的詳細設(shè)計圖也可以進行建模。

目前，不是所有高鐵車站均能提供詳細的設(shè)計文件。全部通過Revit建模并不現(xiàn)實，需要采取例如激光掃描、雷達掃描或現(xiàn)場拍攝等方法來獲取車站的設(shè)備信息，這時，就需要使用3D M AX手動對數(shù)據(jù)進行建模，得到車站的三維模型。

1.2 Revit軟件介紹及模型特點

Revit軟件是最先進的建筑設(shè)計和文檔系統(tǒng)，是專門為BIM而開發(fā)的一套可以實現(xiàn)建筑設(shè)計的整個生命周期的相互銜接和信息傳遞的軟件[2]。在建筑行業(yè)，Revit在一定程度上實現(xiàn)了建筑信息系統(tǒng)的集成，它通過應(yīng)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來創(chuàng)建三維建筑模型，可以生成二維圖形并管理大量相關(guān)的非圖形工程項目數(shù)據(jù)。

Revit模型中，所有的圖紙、平面視圖、三維視圖和明細表都是建立在同一個建筑信息模型的數(shù)據(jù)庫中，它可以收集到建立在建筑信息模型中的所有數(shù)據(jù)，并在項目的其它表現(xiàn)形式中協(xié)調(diào)信息，以便于實現(xiàn)模型中的參數(shù)化（參數(shù)化是指模型中可以通過設(shè)置參數(shù)的形式建立各個建筑結(jié)構(gòu)圖元之間的關(guān)系）。此外，模型和圖紙之間的緊密關(guān)聯(lián)性使得生成建筑三維模型的同時還可以同時生成建筑的平面視圖。

針對高鐵車站建模而言，Revit軟件生成的三維模型都具有每一個組件的基本信息，包括名稱、尺寸、材質(zhì)等，這些信息將對車站日后的運維工作提供較大的幫助。同時，由于Revit模型均需要從建筑圖紙生成，所以其三維模型與圖紙完全一致，幾乎沒有誤差。

但Revit模型的缺點也由此而來，由于在施工時實際的建筑、管線、設(shè)備等均可能與設(shè)計圖紙有些許不同，而通過設(shè)計圖紙創(chuàng)建的模型無法反應(yīng)這些信息。所以，使用Revit創(chuàng)建的三維高鐵站模型可能會與已經(jīng)投入運營的高鐵站有些許出入，需要去現(xiàn)場調(diào)研并修改模型才能準(zhǔn)確表現(xiàn)現(xiàn)有車站的狀態(tài)。另外，Rev it還存在模型不夠美觀、導(dǎo)出公共格式以后貼圖丟失等問題。

1.3 A rcGIS Pro軟件介紹及模型特點

A rcGIS Pro是新一代W eb GIS平臺，面向GIS專業(yè)人士全新打造的一款高效、具有強大生產(chǎn)力的桌面應(yīng)用程序。A rcGIS Pro完全集成了智能制圖和A rcGIS A rcade兩大技術(shù)，這兩種技術(shù)都可以輕松制作出卓越的地圖[3]。

在A rcGIS Pro中，二維地圖和三維場景可以在同一應(yīng)用內(nèi)無縫移動，讓二維和三維不再割裂。A rcGIS Pro在M ap或Scene中可以加載和顯示二維或三維數(shù)據(jù)，可以創(chuàng)建多個二維或三維地圖并同時打開及關(guān)聯(lián)同步。

多面體 （Multipatch）文件作為ArcGIS Pro中可存儲面集合的 GIS 對象，能夠在數(shù)據(jù)庫中將 3D 對象的邊界表示為單個行。面可存儲表示要素組成部分的紋理、顏色、透明度和幾何信息。面中存儲的幾何信息可以是三角形、三角扇、三角條帶或環(huán)，如圖1所示[4]。所有多面體都將 z 值用于構(gòu)建面的坐標(biāo)系的一部分而存儲。盡管可以使用數(shù)字要素屬性建立多面體的基礎(chǔ) z 值模型，但此選項可能不支持使用嵌入式 z 值時可用的相同分析和交互選項。

圖1 多面體介紹

多面體文件以要素的形式存放在.gdb.mdb及數(shù)據(jù)庫中，具有良好的互通性、可編輯性，可隨意對其含有的屬性字段進行添加、刪除、編輯及各種SQL語句支持操作。多面體要素可以顯示包含紋理的三維模型，具有良好的可視化效果。

上述的2種車站三維模型均可用不同的操作轉(zhuǎn)換為多面體文件。通過A rcGIS PRO軟件對其添加任何信息，還可以經(jīng)過配準(zhǔn)與遙感數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)疊加展示，加強了三維車站的展示效果和高鐵車站信息化的完整度。

2 不同格式三維模型轉(zhuǎn)換流程

2.1 3D MAX模型的格式轉(zhuǎn)換流程

高鐵車站的3D M AX文件一般包括一個或多個.max文件及大量的圖片文件，其中，.max文件的主要作用是對模型及貼圖的位置進行描述，記錄每一個圖片文件在模型中的位置。而.m ax文件中對貼圖圖片的位置描述一般是絕對路徑，在進行模式轉(zhuǎn)換之前需要對.max文件重新指定貼圖位置。

使用3D M AX的倒出工具將模型導(dǎo)出為OBJ格式，與貼圖一起放入一個文件夾。使用A rcGIS工具將其拆分成多個精確到每個組件為單位的復(fù)數(shù)OBJ文件，轉(zhuǎn)換成多面體文件存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，并按需求合并。轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。

圖2 3D MAX模型轉(zhuǎn)換為多面體的邏輯圖

2.2 Revit模型的格式轉(zhuǎn)換流程

確定軟件版本（文中所有操作均需要使用revit2017或以上版本進行），并安裝轉(zhuǎn)換過程中所需要使用的插件（fme-revit-2017-b17280-w in-x64插件）方可進行模型格式的轉(zhuǎn)換。

由于直接使用Revit導(dǎo)出的模型屬性信息有可能會缺失，故分成兩條線路分別導(dǎo)出三維模型信息與三維模型的屬性信息。最后將三維模型信息與屬性信息合并，得到含有全部屬性信息的三維模型。

三維模型導(dǎo)出路線：使用Revit導(dǎo)出FBX格式的三維模型，并使用3D MAX或其他工具將FBX模型導(dǎo)出為OBJ文件。使用A rcGIS將其轉(zhuǎn)換為多面體文件。亦可使用Revit軟件導(dǎo)出IFC（Industry Foundation Classes）[5]文檔完成此步驟。

屬性文件導(dǎo)出路線：使用fme for revit 2017插件導(dǎo)出rvz格式的模型，然后使用A rcGIS中的“Revit文件導(dǎo)出為FeatureClass”工具將其轉(zhuǎn)換為主要提供屬性信息存儲的FeatureClass。

使用Join Field工具導(dǎo)入三維模型導(dǎo)出的OBJ文件與屬性文件進行關(guān)聯(lián)，生成含有屬性信息的多面體文件并儲存在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中。模型導(dǎo)出路線的邏輯如圖3所示。

3 基于WebGIS的車站三維集成展示

3.1 車站周邊地形數(shù)據(jù)的調(diào)整

結(jié)合地圖展示車站的實際位置，車站周邊的地形數(shù)據(jù)必不可少。但一般采集的車站周邊的數(shù)字高程模型（簡稱：DEM）[6]，均為未施工前的地形數(shù)據(jù)，所以需要對原始的DEM數(shù)據(jù)進行調(diào)整，制作出以車站一層為底面的DEM數(shù)據(jù)，地形與車站三維模型可以完美疊加。

制作一個與車站大小相同的面要素數(shù)據(jù)和一個高程值為車站底面高度的不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)（TIN），以TIN為基準(zhǔn)使用A rcG IS工具對面要素數(shù)據(jù)進行差值操作，其差值為車站底面高度，得到一個含有車站底面高度的三維面要素數(shù)據(jù)。將這個三維面要素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM數(shù)據(jù)。

圖3 Revit模型轉(zhuǎn)換為多面體的邏輯圖

使用A rcGIS中的鑲嵌工具對原始DEM數(shù)據(jù)與車站DEM數(shù)據(jù)進行鑲嵌。若車站含有多個不同的底面數(shù)據(jù)，則需要使用腳本工具對其進行批量操作。操作方法及注意事項如下：

（1）目標(biāo)DEM必須是一個現(xiàn)有的DEM數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集可以是空DEM數(shù)據(jù)集，也可以是已包含數(shù)據(jù)的DEM數(shù)據(jù)集。鑲嵌操作在2個或多個相鄰DEM數(shù)據(jù)集，需要合并為一個實體，目標(biāo)DEM被視為輸入DEM列表中的第一個DEM。

（2）對于不同分辨率的浮點型輸入DEM數(shù)據(jù)集或像元不對齊的情況，建議在運行鑲嵌之前，使用雙線性插值法或3次卷積插值法對所有數(shù)據(jù)進行重采樣；否則，鑲嵌將會使用最鄰近重采樣法自動對DEM數(shù)據(jù)集進行重采樣（該方法不適用于連續(xù)數(shù)據(jù)類型）。

（3）鑲嵌工具不使用輸出范圍環(huán)境設(shè)置，因為該工具往往用于創(chuàng)建超大型DEM數(shù)據(jù)集，而輸出范圍設(shè)置可能會意外裁剪數(shù)據(jù)。如果的確需要調(diào)整輸出范圍，則處理后可使用裁剪工具來裁剪目標(biāo)DEM。剪裁后效果如圖4所示。

3.2 三維車站的空間位置校準(zhǔn)

由于Revit、3D MAX等三維圖形制作軟件一般使用自定義的坐標(biāo)系，所以，制作出來的三維數(shù)據(jù)需要經(jīng)過空間位置校準(zhǔn)才能與周邊的地形數(shù)據(jù)或遙感影像數(shù)據(jù)結(jié)合。

通過現(xiàn)場采集或者遙感圖描繪的方法獲得站房和雨棚的陽角坐標(biāo)，之后只用A rcM AP軟件將車站模型根據(jù)獲取的陽角坐標(biāo)進行空間位置校準(zhǔn)。操作方法及注意事項如下：

（1）啟動 A rcMap，創(chuàng)建新地圖或打開現(xiàn)有地圖，將要編輯的數(shù)據(jù)添加到地圖上，向A rcM ap 中添加“編輯器”工具條及 “空間校正”工具條后啟動編輯會話，選擇要用于校正的輸入數(shù)據(jù)，選擇空間校正方法，創(chuàng)建位移連接，執(zhí)行校正最后停止編輯會話并保存編輯內(nèi)容。

圖4 通過調(diào)整后的DEM數(shù)據(jù)

（2）在A rcM AP軟件環(huán)境中，空間校正工具可用于對齊和整合數(shù)據(jù)?？臻g校正支持多種校正方法，可校正所有可編輯的數(shù)據(jù)源。由于空間校正在編輯會話中執(zhí)行，因此可使用捕捉功能來增強校正效果。

（3）當(dāng)完成了A rcMAP軟件的空間校準(zhǔn)過程后，還需要對模型進行高程校準(zhǔn)，使用ArcGIS PRO軟件加載模型及DEM數(shù)據(jù)，并使用圖層編輯工具手動將模型地面與DEM數(shù)據(jù)對齊并保存修改。與地形的配準(zhǔn)如圖5所示。

3.3 WebGIS場景發(fā)布

若要實現(xiàn)在W ebGIS環(huán)境下的集成展示，我們要將需要展示的模型、地形及遙感圖分別發(fā)布成地圖服務(wù)或場景圖層，并在WebGIS場景中加載各組件，即可完成不同模型、地形及遙感圖的集成展示[7]。

圖5 配準(zhǔn)過后的三維車站模型

3.3.1 地圖服務(wù)發(fā)布

地圖服務(wù)均需要在 A rcM ap 中創(chuàng)建相應(yīng)的地圖[8]。將 A rcM ap 文檔發(fā)布為服務(wù)，需要執(zhí)行以下步驟：在 A rcMap 中打開地圖文檔，從主菜單中選擇文件 > 共享為 > 服務(wù)。選擇發(fā)布服務(wù)，單擊下一步，從列表中選擇要使用的 GIS Server 連接。如果要使用的連接未列出，可單擊添加 A rcGIS Server以創(chuàng)建新連接[9]。選擇要將服務(wù)發(fā)布到的文件夾或創(chuàng)建一個用于包含此服務(wù)的新文件夾，單擊繼續(xù)為地圖服務(wù)設(shè)置所需屬性，隨后單擊分析按鈕，該操作可用于對地圖文檔進行檢查，看其是否能夠發(fā)布到服務(wù)器，最后點擊按鈕以發(fā)布服務(wù)。

3.3.2 場景圖層發(fā)布

發(fā)布場景圖層時需要將三維模型加載到A rcGIS PRO中，創(chuàng)建場景圖層包并上傳到Portal for ArcGIS中，將場景圖層包作為場景圖層發(fā)布[10]。發(fā)布后的場景如圖6所示。

圖6 疊加了車站模型、地形及遙感圖的WebGIS場景

3.4 模型應(yīng)用

三維模型的相互轉(zhuǎn)換與W ebGIS集成展示已在實際工作中應(yīng)用，例如，基于本模型研發(fā)的房建設(shè)備運維監(jiān)管管理信息系統(tǒng)。原型車站三維場景預(yù)覽展示，如圖7所示。三維車站閘機定位信息預(yù)覽展示，如圖8所示。

圖7 三維車站預(yù)覽

圖8 三維車站閘機定位信息預(yù)覽

4 結(jié)束語

通過三維模型的相互轉(zhuǎn)換與W ebGIS集成展示方案，解決了不同來源的模型無法同時使用的問題，同時也解決了不同格式三維車站模型與地形和遙感影像無法集成展示的問題，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，相比以往通過CAD圖紙展示車站及站內(nèi)設(shè)備的方式，三維模型的應(yīng)用及展示顯著提高了高鐵車站可視化管理水平。同時，其他系統(tǒng)也可以通過調(diào)用服務(wù)的方式使用車站的三維模型，獲取車站及其附屬設(shè)備的空間信息，實現(xiàn)對車站的全方位可視化管理。