黃一昕,楊全亮,蔣函珂,范登科

(1.中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中國國家鐵路集團有限公司科技信息化部,北京 100844； 3.中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

1 編制背景

隨著數(shù)字化時代的到來，3S技術(RS，GPS，GIS)在我國迅速發(fā)展[1]，在資源管理、規(guī)劃設計、環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、國防以及軍事等領域得到廣泛的應用[2-3]。在鐵路行業(yè)，為了順應時代信息化的發(fā)展趨勢，應用地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)技術構建鐵路地理信息系統(tǒng)已逐漸成為鐵路信息化建設與管理領域中極具前景的發(fā)展方向之一[4-5]，建設現(xiàn)代化的鐵路地理信息系統(tǒng)要求迫切[6]。

三維GIS技術憑借對客觀世界真實的表達與展示[7]，已廣泛應用于鐵路工程的規(guī)劃、設計、建設、運營維護各個階段，其形成的信息化服務平臺極大地提高了項目數(shù)字化和智能化水平，形成了以京張、京雄、川藏為代表的鐵路工程。此外，三維GIS技術可以與BIM(Building Information Modeling)技術結合，深化多領域的協(xié)同應用，共同建造鐵路工程信息模型，為鐵路工程建設的信息化、可視化管理提供技術手段[8]。

目前，鐵路工程三維地理信息數(shù)據(jù)在定義、處理、分析、傳遞和共享等方面存在數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、信息共享差、管理難度大等問題。因此，編制新的數(shù)據(jù)技術規(guī)范，以約束相關技術路線和方案，保證鐵路地理信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的采集、處理、交換、更新、組織、管理和使用的層面上達成統(tǒng)一。

2 現(xiàn)有標準研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的地理信息標準缺少一套完整的、詳細的、可用于鐵路工程要素表達、組織和管理的三維地理信息數(shù)據(jù)技術標準體系。各項獨立的地理信息標準無法科學有效地規(guī)范鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)。

例如，在GB/T 25529—2010《地理信息分類與編碼規(guī)則》[9]中，只將鐵路劃分為交通類地理要素。對鐵路工程要素的描述相對簡單，關注度和粒度還處于比較低的水平，缺少對鐵路相關基建設施、構筑物、四電系統(tǒng)等細節(jié)的全面定義和詳細組織。在GB/T 19710—2005《地理信息 元數(shù)據(jù)》[10]中，針對坐標系統(tǒng)進行描述的元數(shù)據(jù)元素非常全面，但缺少對鐵路工程要素模型元數(shù)據(jù)的定義。在CH/T 901616—2012《基礎地理信息 三維模型生產(chǎn)規(guī)范》[11]和CH/T 9017—2012《基礎地理信息 三維模型數(shù)據(jù)庫規(guī)范》[12]中，缺少對鐵路三維實體對象的關注程度和層次深度，其語義層次、邏輯關系表達不明確。

因此，亟需編制適用于鐵路工程的三維地理信息數(shù)據(jù)的技術規(guī)范。Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)技術規(guī)范》就是結合鐵路行業(yè)的自身特點，在總結既有經(jīng)驗的基礎上，科學性、系統(tǒng)性地對我國鐵路工程三維地理信息數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、更新、管理和應用做出規(guī)定，填補了我國在鐵路工程中規(guī)范化使用地理信息數(shù)據(jù)的空白，滿足當前提升地理信息服務能力和技術水平的迫切需要，為進一步推廣鐵路工程的數(shù)字化和信息化奠定良好的制度基礎。

3 標準編制原則

(1)應反映新技術發(fā)展和應用，統(tǒng)一數(shù)據(jù)要求，實現(xiàn)信息共享。

(2)實現(xiàn)鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新、管理與應用的標準化，體現(xiàn)技術運用的科學性、先進性和適用性。

(3)結合三維地理信息在鐵路行業(yè)中的應用特點及實際需要，吸納近年科研成果和建設經(jīng)驗，提高指導性和可操作性。

4 標準主要內(nèi)容

Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)技術規(guī)范》共分為8章，包括：總則，術語和符號，坐標系統(tǒng)及其轉換，要素分類與編碼規(guī)則，元數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新，數(shù)據(jù)組織與管理，數(shù)據(jù)交換與互操作，數(shù)據(jù)質量，另有5個附錄。本文主要對具有鐵路工程特色的章節(jié)進行闡述。

4.1 模型坐標轉換精度

本規(guī)范規(guī)定鐵路工程三維地理信息模型在進行坐標轉換時，宜采用頂點級坐標轉換或對象級坐標轉換。這是由于鐵路工程三維模型數(shù)據(jù)一般由多個獨立構件裝配而成，各構件都有獨立的定位定姿參數(shù)，因此坐標轉換是逐構件(對象級)進行的，一般使用平移、旋轉、縮放進行坐標轉換。在進行坐標轉換時通常存在兩類變形，一是由地圖投影參數(shù)不同而引起的變形，二是由地球曲率影響引起的變形。

其中，地圖投影參數(shù)引起的變形主要是由高斯投影的子午線收斂角造成，即距離投影子午線越遠，偏角越大，緯度越高偏角越大。通過數(shù)學計算驗證，在同一個位置不同長度的模型計算得出的子午線收斂角十分接近，因此，對于不同長度的模型使用同一個收斂角改正值即可達到十分高的幾何精度，為保證轉換精度無需對模型進行拆分。由地球曲率造成的變形主要表現(xiàn)在長度方向和橫向。通常，由于徑向偏差值較小，可忽略不計，最終指標取橫向最大值。

4.2 要素分類與編碼

要素分類與編碼原則參照國家標準GB/T 25529—2010《地理信息分類與編碼規(guī)則》[9]的分類內(nèi)容，在“專業(yè)要素”(門類)→“基礎設施要素”(亞門類)→“交通基礎設施”(大類)下，存在名為“鐵路基礎設施及運營與管理要素”的中類項目(編碼為2510100000)，應用該節(jié)點下預留的低5位，從GIS應用的視角對鐵路工程要素進行細分和編碼，補充完善更詳細的語義信息。

分類依據(jù)來源于兩個方面：一是根據(jù)鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的《鐵路工程信息模型分類與編碼標準》[13]中對鐵路工程勘察設計階段各專業(yè)涉及內(nèi)容的劃分視角和方法，使BIM和GIS在語義層上的交換和融合更為順暢。二是根據(jù)國鐵集團工管中心對鐵路工程建設管理信息平臺表達內(nèi)容提出的要求，重點劃分了鐵路工程周邊受關注的地理要素，以便于數(shù)據(jù)的分類組織管理和運算分析。例如，鐵路工程要素模型的劃分是按照設計專業(yè)的不同分為場站段所、軌道、路基、橋涵、隧道及明洞等16大類，每一大類又根據(jù)其不同作用劃分為若干小類。例如，橋涵可分為人行橋、鐵路橋、公路橋、公鐵兩用橋等。

此外，針對鐵路運營維護階段涉及的要素，為保證鐵路地理信息數(shù)據(jù)在運營維護中的應用延續(xù)性，經(jīng)與相關部門協(xié)商一致，本規(guī)范建立了與Q/CR520—2016《鐵路地理信息分類與編碼》[14]的映射關系，以確保兩項標準的協(xié)調(diào)使用。

4.3 模型分類與層次

本規(guī)范將鐵路工程三維地理信息模型按照模型類型劃分為地形模型、鐵路工程要素模型、建筑模型、其他模型四類。每個模型分別對應四個細節(jié)層次(LOD，Level of details)，即LOD1、LOD2、LOD3、LOD4，如表1所示。

表1 Q/CR9157—2020模型分類與細節(jié)層次

其中，地形模型、建筑模型以及其他模型的類型劃分主要依據(jù)CJJT 157—2010《城市三維建筑技術規(guī)范》[15]，見表2。值得注意的是，鐵路工程要素模型指標確定在參照交通設施模型基礎上，主要根據(jù)鐵路工程要素特點，將其層次劃分為線路中心線、概略模型、簡化模型和精細模型。

表2 CJJT 157—2010模型分類與細節(jié)層次

本規(guī)范中對LOD細節(jié)層次的劃分，主要參考CRBIM 1004—2007《鐵路工程信息模型交付精度標準1.0版》[16]規(guī)范，模型精度基本等級規(guī)定如表3所示。其中，鐵路工程信息模型交付精度的LOD1.0、LOD2.0、LOD3.0、LOD3.5分別與本規(guī)范的LOD1、LOD2、LOD3、LOD4相對應，為鐵路工程不同階段的模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供依據(jù)。需要注意的是在LOD4.0和LOD5.0為BIM精細等級，在鐵路工程三維地理信息中暫不涉及，這是由于GIS更加偏重模型宏觀場景的制作，對微觀的精細模型關注較少。

表3 CRBIM 1004—2007模型精度基本等級

4.4 模型數(shù)據(jù)組織

模型數(shù)據(jù)組織主要對地形模型、工程要素模型、建筑模型和其他模型的組織方式及采用各類組織方式的條件進行了規(guī)定。例如，在對地形模型的數(shù)據(jù)組織中，鐵路大場景模型數(shù)據(jù)宜采用混合分辨率數(shù)據(jù)，帶狀的鐵路線路及沿鐵路線路一定范圍內(nèi)的地形模型與影像應采用高分辨率數(shù)據(jù)，距鐵路線較遠處應采用低分辨率數(shù)據(jù)。

模型數(shù)據(jù)組織的編制依據(jù)包括兩個方面：一是在參照GBT37120—2018《軌道交通地理信息數(shù)據(jù)規(guī)范》[17]的內(nèi)容，采用GIS行業(yè)常用的分區(qū)、分塊組織方式。二是結合既有生產(chǎn)項目經(jīng)驗對鐵路模型數(shù)據(jù)進行擴展或精簡，具體表現(xiàn)為根據(jù)模型在規(guī)劃、預可研、可研、施工圖四個階段的精度要求，用不同粒度對模型進行分級組織和展示。以地形模型為例，按照分級組織方式，不同細節(jié)層次地形模型在三維場景中的表現(xiàn)形式示意如圖1～圖4所示，即規(guī)劃階段采用低精度DEM和TM衛(wèi)星影像制作三維地形模型；預可研階段采用低精度DEM和Google衛(wèi)星影像制作三維地形模型；可研階段可采用航拍獲取的高精度DEM和DOM制作三維地形模型；施工圖采用無人機傾斜攝影獲取的高精度制作三維地形模型。

圖1 規(guī)劃階段三維地形模型

圖2 預可研階段三維地形模型

圖3 可研階段三維地形模型

圖4 施工圖階段三維地形模型

4.5 數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換中規(guī)定了以CityGML作為模型數(shù)據(jù)的交換格式，該項指標的確定依據(jù)主要來源于兩個方面：一是CityGML是由國際地理信息標準發(fā)布組織OGC提出的、可用地理標記語言描述、易于解譯和交換的文本格式數(shù)據(jù)文件，起初用于城市三維地理信息的存儲，由于其具有可擴展性，許多行業(yè)和領域基于CityGML的規(guī)則擴展定義了滿足自身需要的模型格式，受到地理信息技術應用者的廣泛關注和認可。鐵路工程和城市兩者又在組成單元上存在很多交叉和重疊，無論從有標準可參照的角度，還是從專題相近性的角度看，CityGML都是最合適的選擇。

二是CityGML采用了面向對象的方式描述和存儲三維地理信息數(shù)據(jù)，層次結構清晰，被大多數(shù)軟件廠商支持。選擇它作為模型數(shù)據(jù)的交換格式，有利于銜接來自BIM的語義信息，使BIM和GIS間的數(shù)據(jù)交換更易于實現(xiàn)。

4.6 數(shù)據(jù)質量檢查

目前現(xiàn)有標準和規(guī)范對鐵路工程三維地理信息數(shù)據(jù)質量檢查評定沒有明確的要求，本規(guī)范參考GB/T18316—2008《數(shù)字測繪成果質量檢查與驗收》[18]，將二級檢查一級驗收方法應用于鐵路工程模型數(shù)據(jù)質量檢查，制定了定性質量檢查內(nèi)容及其評價方法，針對不同類型模型分別制定了質量評價表的示例。

具體為：在對鐵路工程單元建模的過程中，要素模型是用來描述可被辨別的、獨立的地理實體，如橋梁、路基、站場等等，這些地理實體可以抽象為點、線、面、體來描述。由于每個實體都有其空間分布特征，因此，要素模型的數(shù)據(jù)質量檢查項要包含位置精度，即平面精度和高程精度。此外，還需要對最終抽象建模的結果進行檢查，即表達質量。在表達質量中，主要把握過程處理合理性和結果表達一致性兩個方面，兩者均從幾何結構和紋理貼圖兩方面對質量進行約束和檢查。

5 結語

Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)技術規(guī)范》通過對鐵路工程涉及的地理信息數(shù)據(jù)進行組織管理，明確了各階段、不同類型、不同層次的模型的建模精度，便于設計專業(yè)根據(jù)技術規(guī)范要求進行建模，可合理避免各階段因過度建模所造成的浪費。不論從數(shù)據(jù)獲取還是數(shù)據(jù)建模上都能有效降低生產(chǎn)成本。在數(shù)據(jù)交換方面，使用規(guī)范規(guī)定的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換方式進行數(shù)據(jù)交換，有利于逐步統(tǒng)一行業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換方式，可以節(jié)省不同用戶軟件重復開發(fā)數(shù)據(jù)接口的開發(fā)成本。

綜上所述，Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)技術規(guī)范》體現(xiàn)了三維地理信息技術運用的先進性、前瞻性，有力地推動了我國鐵路工程三維地理信息數(shù)據(jù)相關技術的進步，提高了我國鐵路工程全壽命周期信息管理的水平，滿足了我國鐵路工程信息化建設的需求。對完善貫穿鐵路設計、建設、運營、管理和維護全生命周期的“數(shù)字鐵路”，加快提高我國鐵路的信息化水平起到重大作用。