吳宏正，李杰衛(wèi)，張武軍，郭云飛，胡小明，張良

（浙江省第一地質(zhì)大隊(duì)，浙江杭州 310000）

0 引言

當(dāng)前，信息化已成為經(jīng)濟(jì)增長的新動(dòng)能，城市軌道交通項(xiàng)目是一個(gè)體量龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、多專業(yè)、多門類、多參與方的系統(tǒng)工程[1]。作為工程數(shù)字化的核心技術(shù)，BIM近年來在國內(nèi)城市軌道交通工程領(lǐng)域得到了大力推廣和應(yīng)用[6]。3DGIS 可以將大場景地理信息進(jìn)行數(shù)字化，能彌補(bǔ)BIM技術(shù)對宏觀世界描述的薄弱之處[2]。BIM與3DGIS的集成可以實(shí)現(xiàn)城市軌道交通工程數(shù)據(jù)信息化管理，為深化項(xiàng)目管理和BIM應(yīng)用提供有效的支持[3，12]。

3DGIS與BIM融合技術(shù)的研究主要為數(shù)據(jù)融合的研究，關(guān)于如何解決3DGIS與BIM模型融合問題[7～8]，將3DGIS 與BIM 進(jìn)行集成并應(yīng)用到城市軌道交通工程的建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期的實(shí)時(shí)把控和管理的研究較少。為此，本文依托杭州至富陽城際鐵路工程實(shí)踐，集成并融合三維地質(zhì)數(shù)據(jù)、BIM、傾斜攝影測量數(shù)據(jù)，搭建基于3DGIS+BIM 的城市軌道交通工程建設(shè)管理智慧平臺，利用三維建模技術(shù)實(shí)時(shí)模擬工程進(jìn)度，實(shí)時(shí)指導(dǎo)監(jiān)督地鐵工程施工，為項(xiàng)目的施工技術(shù)（成本控制）、質(zhì)量管控、施工安全和施工進(jìn)度等提供更精準(zhǔn)的支持，為綠色安全施工提供保障。

1 工程背景及技術(shù)路線

1.1 工程背景

杭州至富陽城際鐵路工程位于浙江省杭州市富陽區(qū)銀湖街道，長1.9km，西起浙江省杭州純一美術(shù)學(xué)校，東至銀湖花苑。項(xiàng)目工程內(nèi)容多、工程量大、工程情況復(fù)雜多變，是典型的地下空間開發(fā)利用案例。

1.2 技術(shù)路線

本文的主要技術(shù)路線是通過既有工勘數(shù)據(jù)資料、項(xiàng)目周邊地質(zhì)信息采集并校檢，整理杭富8標(biāo)及周邊地質(zhì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建地質(zhì)數(shù)字化信息模型。再通過研發(fā)信息兼容平臺，將BIM 建筑信息模型、三維傾斜測量模型整合起來，并進(jìn)行修正，達(dá)到任務(wù)目標(biāo)。與此同時(shí)，開發(fā)配套的施工信息化智慧管理平臺為項(xiàng)目施工技術(shù)、質(zhì)量管控、項(xiàng)目安全與進(jìn)度提供精準(zhǔn)的支持與保障。主要技術(shù)路線見圖1。

2 模型構(gòu)建

2.1 三維地層模型構(gòu)建

根據(jù)杭州至富陽城際鐵路工程資料情況和模型精度要求，本文采用基于剖面的復(fù)雜地質(zhì)體半自動(dòng)交互建模。其建?；舅悸窞椋菏紫仁占^(qū)域內(nèi)的工勘資料，對鉆孔數(shù)據(jù)和剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后將鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入MAPGIS三維地質(zhì)建模軟件中，生成多條交叉剖面，交叉剖面將整個(gè)建模區(qū)分割成22個(gè)單元格，利用每個(gè)單元格內(nèi)一系列閉合線構(gòu)建面，再由面構(gòu)建體，并給每個(gè)體附屬性，最終形成一個(gè)單元格地質(zhì)塊，最后將每個(gè)單元格的地質(zhì)塊進(jìn)行合并形成完整的地質(zhì)體模型[4～5]。

圖1 技術(shù)路線圖Figure 1. Technology roadmap

2.2 傾斜攝影測量建模

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。首先，對相機(jī)拍攝的原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，然后放入不同的照片組中進(jìn)行篩選，以消除不合格的照片；如果圖像質(zhì)量不符合要求，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳侍幚聿僮鳌?/p>

（2）空三加密?？杖用苤饕刑卣鼽c(diǎn)提取、關(guān)鍵點(diǎn)匹配、像對選取、光束法平差、初始化定向以及絕對定向等階段[11]。

（3）加入控制點(diǎn)。完成空三加密后，我們需要手動(dòng)添加控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對建模區(qū)的控制點(diǎn)進(jìn)行絕對定位 [10]。

（4）模型構(gòu)建。在第二步和第三步后即可采用ContextCapture 軟件進(jìn)行模型構(gòu)建。首先，我們通過大量的點(diǎn)來構(gòu)建白膜，然后通過軟件里自帶的算法選出合適的照片作為貼圖紋理貼在白膜上，最后生成了實(shí)景真三維模型。

2.3 BIM建模

項(xiàng)目中使用Revit 軟件構(gòu)建BIM 模型，主要構(gòu)建了維護(hù)樁結(jié)構(gòu)模型、盾構(gòu)模型、橋梁模型、車站結(jié)構(gòu)模型和隧道模型等。Revit 軟件建模的過程：首先使用軟件的復(fù)制與監(jiān)視功能創(chuàng)建軸網(wǎng)，然后通過繪制和拾取線的方式創(chuàng)建標(biāo)高，緊接著創(chuàng)建各個(gè)設(shè)備構(gòu)件，并將構(gòu)件繪制到相應(yīng)的位置，最后得到BIM模型。

3 3DGIS與BIM模型融合技術(shù)

3.1 傾斜攝影數(shù)據(jù)與三維地層數(shù)據(jù)融合

本文在MAPGIS 軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)融合平臺，將傾斜攝影數(shù)據(jù)與三維地層數(shù)據(jù)融合，模型融合的前提是，模型必須在同一坐標(biāo)系統(tǒng)中[9]。若傾斜攝影數(shù)據(jù)與三維地層數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一，則將傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模生成OSGB 格式數(shù)據(jù)，使用MAPGIS 生成M3D 緩存后直接與三維地層數(shù)據(jù)融合，得到實(shí)景三維地上地下模型；若傾斜攝影數(shù)據(jù)與三維地層數(shù)據(jù)不是同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，則需將傾斜攝影數(shù)據(jù)與三維地層數(shù)據(jù)利用同名點(diǎn)拖拽到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中，然后進(jìn)行微調(diào)，最后順利構(gòu)建出融合傾斜攝影數(shù)據(jù)與三維地層數(shù)據(jù)的實(shí)景三維地上地下模型。

3.2 BIM數(shù)據(jù)與三維地層數(shù)據(jù)融合

MAPGIS 三維建模系統(tǒng)不僅支持傾斜攝影數(shù)據(jù)與三維地層數(shù)據(jù)融合，而且還支持BIM 數(shù)據(jù)融合[7]。然而，由于BIM模型數(shù)據(jù)量比較大，模型融合過程中，容易丟失BIM 模型的部分屬性及材質(zhì)信息，因此，本文基于MAPGIS 軟件平臺研發(fā)Revit 模型轉(zhuǎn)換插件，將模型進(jìn)行輕量化處理，然后導(dǎo)出成MAPGIS支持的HDF格式數(shù)據(jù)，導(dǎo)出模型保留了原有模型的材質(zhì)及屬性信息，最后通過MAPGIS 對BIM 模型進(jìn)行校正，繼而融合三維地下模型和BIM模型（如圖2所示）。

圖2 BIM數(shù)據(jù)與三維地層數(shù)據(jù)融合Figure 2. Integration of BIM data and 3D stratigraphic data

4 模型融合信息管理平臺

本文依托杭州至富陽城際鐵路工程項(xiàng)目，研發(fā)模型融合信息管理平臺，構(gòu)建五大模塊：包括數(shù)據(jù)瀏覽、盾構(gòu)模擬、進(jìn)度管理、隱患排查、視頻監(jiān)控等，提升地下工程項(xiàng)目信息化、科學(xué)化管理水平，為項(xiàng)目施工技術(shù)、質(zhì)量管控、項(xiàng)目安全與進(jìn)度提供精準(zhǔn)的支持與保障。

4.1 數(shù)據(jù)瀏覽

對構(gòu)建的BIM模型進(jìn)行模型輕量化處理后，通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器的連接實(shí)現(xiàn)模型在GIS系統(tǒng)中的三維可視化展示，可實(shí)現(xiàn)多角度模型展示、分層模型展示、模型初始化、模型透明展示等功能，并開發(fā)了三維底圖的環(huán)繞分型、分型瀏覽和地下漫游等功能。

4.2 盾構(gòu)模擬和進(jìn)度管理

地鐵在施工過程中，需要使用盾構(gòu)機(jī)打通地下通道，由于盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)不同的地層需要采用不同的刀片，所以在盾構(gòu)之前需要知道盾構(gòu)機(jī)所處位置的地層信息。因此，首先構(gòu)建精細(xì)的三維地層模型，然后再按照盾構(gòu)設(shè)計(jì)路線對模型進(jìn)行開挖，最后對開挖的結(jié)果進(jìn)行屬性分析，得出盾構(gòu)機(jī)所處位置的地層信息，模擬盾構(gòu)機(jī)在地層中盾構(gòu)的情形。

在平臺中對模型進(jìn)行計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度的錄入，可以進(jìn)行進(jìn)度的模擬，進(jìn)度的對比分析、進(jìn)度滯后數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)把控各個(gè)單位的施工進(jìn)度情況和產(chǎn)值。

4.3 視頻監(jiān)控與隱患排查

視頻監(jiān)控主要對施工過程中的安全生產(chǎn)、文明施工、場內(nèi)動(dòng)態(tài)進(jìn)行全方位的監(jiān)控，加大各級領(lǐng)導(dǎo)對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)了解和監(jiān)督。

安全員手持移動(dòng)端進(jìn)行現(xiàn)場巡視，巡視過程中，如果發(fā)現(xiàn)隱患，則需對隱患進(jìn)行拍照并通過移動(dòng)端設(shè)備上傳，同時(shí)記錄問題所在位置，以便施工人員能夠快速尋找隱患點(diǎn)位。施工人員解決隱患后，也需要將現(xiàn)場情況拍照上傳，并附上工作說明，實(shí)現(xiàn)隱患排查閉環(huán)。

5 結(jié)論與討論

本文立足于杭州至富陽城際鐵路工程項(xiàng)目，開發(fā)了3DGIS+BIM的城市軌道交通工程建設(shè)管理智慧平臺，融合了三維地質(zhì)數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、傾斜攝影測量數(shù)據(jù)，闡述了一條基于MAPGIS的3DGIS與BIM數(shù)據(jù)跨界融合技術(shù)路線，并成功應(yīng)用于實(shí)際工程，獲得如下結(jié)論：

（1）本文提出了3DGIS與BIM融合的技術(shù)路線并初步研究了具體的實(shí)現(xiàn)方法，并以工程案例驗(yàn)證了融合技術(shù)的可行性。

（2）3DGIS 與BIM 融合技術(shù)體系中，采用MAPGIS 自主研發(fā)的HDF 空間數(shù)據(jù)庫作為承載BIM 與3DGIS 數(shù)據(jù)的紐帶，成功實(shí)現(xiàn)了BIM 模型、地質(zhì)模型和傾斜攝影模型融合。

（3）在3DGIS 技術(shù)的支持下，拓寬了BIM 技術(shù)在城市軌道交通工程中的應(yīng)用深度和廣度，加強(qiáng)了管理者對工程從宏觀至微觀的把控。

本文將融合的模型應(yīng)用到城市軌道交通工程中，在項(xiàng)目中驗(yàn)證了這個(gè)技術(shù)路線的可行性?？偟膩砜矗詳?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的融合方式雖然能夠真實(shí)還原大部分信息，但轉(zhuǎn)換過程中會有少量信息損失，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換不損失信息，這也將是下一步的研究方向。