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        基于BIM+GIS的鐵路三維場景快速建立方法研究

        2021-09-27 06:20:48張鈺董鳳翔趙亮亮黃旎詩
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2021年4期
        關(guān)鍵詞:鐵路融合信息

        張鈺,董鳳翔,趙亮亮,黃旎詩

        (中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 BIM中心,四川成都 610031)

        0 引言

        隨著BIM技術(shù)的快速發(fā)展,其在建筑領(lǐng)域得到了越來越廣泛和深入的應(yīng)用。國際標(biāo)準(zhǔn)組織設(shè)施信息委員會(Facilities Information Council)將BIM定義為:BIM是在開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下對設(shè)施的物理和功能特性及其相關(guān)的項目全生命周期信息的可計算、可運算的形式表現(xiàn),從而為決策提供支持,以更好地實現(xiàn)項目價值[1]。

        同單點建筑相比,鐵路工程項目有其自身特殊性。鐵路工程項目一般呈大范圍帶狀分布,具有工程難度大、涉及專業(yè)繁多、地形地質(zhì)條件復(fù)雜等典型特征,傳統(tǒng)管理模式不能滿足多維信息共享與管理[2],單純依靠BIM技術(shù)無法從宏觀尺度對整個工程項目進(jìn)行整體把控。

        GIS是在計算機軟硬件環(huán)境支持下,對整個或部分地球表層空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的計算機系統(tǒng)。BIM側(cè)重于單體建筑的精細(xì)化表達(dá),GIS則主要針對全局整體的地理信息管理[3-4]。因此,充分開展BIM與GIS融合應(yīng)用研究,建立鐵路三維場景,在鐵路工程勘察設(shè)計階段以三維可視化形式直觀展示設(shè)計方案,并結(jié)合地形地質(zhì)等條件對設(shè)計方案進(jìn)行審查和優(yōu)化,能夠最大程度挖掘BIM+GIS在鐵路工程前期工作中的巨大應(yīng)用價值。

        1 研究現(xiàn)狀

        BIM與GIS融合能夠?qū)崿F(xiàn)由室外到室內(nèi)、由宏觀到微觀和多層次多粒度的場景漫游與查看,具有廣闊的應(yīng)用市場,目前已有大量研究。王樹臣等[5]采用語義映射的數(shù)據(jù)集成方法實現(xiàn)了BIM與GIS的融合,并探討了其在水利工程、鐵路橋梁工程、地下管網(wǎng)、場地分析等領(lǐng)域的應(yīng)用。在鐵路工程領(lǐng)域,操鋒[6]對BIM+GIS在鐵路行業(yè)全生命周期的應(yīng)用進(jìn)行了探討;范登科等[7]通過對鐵路工程信息模型分類及存儲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究,為鐵路信息化建設(shè)過程中BIM與GIS融合提供了新的思路和方法;任曉春[8]針對鐵路勘察設(shè)計階段BIM與GIS融合方法,提出了地形局部修改套合、模型多分辨率與輕量化、語義信息傳遞、面向服務(wù)的架構(gòu)等尚需解決的技術(shù)難題。

        從三維GIS平臺角度,蔡文文等[9]通過IFC與CityGML的語義映射和幾何過濾,實現(xiàn)了BIM與SuperMap GIS的數(shù)據(jù)集成,并通過實例化技術(shù)、LOD調(diào)度,實現(xiàn)了大規(guī)模BIM數(shù)據(jù)在SuperMap GIS中的高性能渲染與可視化;倪偉[10]通過對CityMaker平臺進(jìn)行分析和試驗,總結(jié)出一套適合鐵路BIM數(shù)據(jù)處理的解決方案,初步實現(xiàn)了海量BIM設(shè)計成果與三維場景的集成。

        關(guān)于鐵路工程項目三維場景創(chuàng)建也取得了一定研究成果。夏宇等[11]從三維地形環(huán)境建模、鐵路構(gòu)造物建模、鐵路附屬設(shè)施建模等方面著手,構(gòu)建了鐵路BIM三維線路場景,實現(xiàn)了鐵路選線環(huán)境的三維可視化;朱穎等[12]提出一套面向鐵路行業(yè)的三維場景快速構(gòu)建一體化技術(shù),主要包括鐵路帶狀三維地形快速構(gòu)建、大范圍帶狀分布的鐵路線路實體模型快速構(gòu)建和地形三維與實體三維模型的有機融合等。

        綜上所述,BIM與GIS的融合以及基于BIM+GIS的鐵路三維場景快速構(gòu)建,需要基于三維GIS平臺,從數(shù)據(jù)集成角度出發(fā),結(jié)合鐵路領(lǐng)域業(yè)務(wù)流程,形成統(tǒng)一規(guī)范,從而保障三維場景的時效性、精確性、可擴展性。

        2 鐵路三維場景構(gòu)建流程

        三維場景快速構(gòu)建方法以測繪成果和設(shè)計資料為基礎(chǔ),以開發(fā)的輔助設(shè)計軟件、場景制作工具和插件為依托,結(jié)合三維場景的應(yīng)用和需求,實現(xiàn)三維場景快速制作和配置,融合地形地貌等地理空間信息、鐵路構(gòu)筑物模型等設(shè)計信息和地質(zhì)、環(huán)保等專題信息,為設(shè)計方案的可視化提供支撐。

        2.1 地形模型生成

        鐵路三維地形模型由數(shù)字高程模型DEM和數(shù)字正射影像DOM疊加計算得到。其中,DEM數(shù)據(jù)可根據(jù)DWG格式原始地形圖文件(一般為1︰2 000或1︰500比例尺)生成(見圖1)。

        圖1 DWG格式原始地形圖

        具體流程為在AutoCAD軟件中利用插件提取等高線、高程點(見圖2)等圖層數(shù)據(jù),并存儲為三維點坐標(biāo)文件,然后將其導(dǎo)入Global Mapper軟件,并基于高程點計算高程格網(wǎng)數(shù)據(jù)(見圖3),然后經(jīng)過裁剪等處理后輸出為特定格式的DEM數(shù)據(jù)。

        圖2 三維矢量高程點

        圖3 高程格網(wǎng)數(shù)據(jù)

        由于鐵路工程項目呈大范圍帶狀分布,為保證鐵路沿線三維地形的高精度和三維場景的協(xié)調(diào)性,同時控制三維場景的大小。采用的處理辦法為:不同精度及層級DEM(見圖4)和DOM數(shù)據(jù)混合使用,對線路沿線一定范圍內(nèi)(如20 km)的地形模型與影像采用高分辨率數(shù)據(jù),對距鐵路線較遠(yuǎn)處(如大于20 km)采用低分辨率數(shù)據(jù)(如13級谷歌影像和90 m分辨率SRTM高程數(shù)據(jù),見圖5),兩者無縫銜接。

        圖4 2m分辨率高精度DEM數(shù)據(jù)

        圖5 90m分辨率SRTM數(shù)據(jù)

        生成三維地形的操作在TerrainPush軟件平臺中進(jìn)行,將DEM、DOM等數(shù)據(jù)作為輸入,進(jìn)行預(yù)處理和參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行計算,即可生成對應(yīng)三維地形模型(TED格式),具體模型創(chuàng)建流程見圖6。

        圖6 三維地形模型創(chuàng)建流程

        生成的高精度三維地形模型具有豐富的空間信息,是建立BIM+GIS三維場景的基礎(chǔ),能夠直觀反映鐵路沿線的地形地貌特征(見圖7)。

        圖7 高精度三維地形模型

        2.2 鐵路構(gòu)筑物模型建立

        鐵路工程項目涉及專業(yè)眾多,包括線路、橋梁、隧道、站場、路基、地質(zhì)、軌道、接觸網(wǎng)、通信信號等。為了各專業(yè)間能夠高效協(xié)同工作,搭建了基于Bentley ProjectWise的協(xié)同設(shè)計平臺,實現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間資源共享,統(tǒng)一各方工作,提升工作效率。

        此外,開發(fā)了針對各專業(yè)的BIM輔助設(shè)計軟件,利用建立的構(gòu)件庫和模板,基于設(shè)計圖紙進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,快速建立全線各專業(yè)的三維BIM模型(見圖8—圖10)。

        圖8 線位輔助設(shè)計程序

        圖9 橋梁BIM模型

        圖10 站房BIM模型

        2.3 BIM與GIS融合

        BIM與GIS融合主要實現(xiàn)鐵路構(gòu)筑物模型由BIM平臺格式(如DGN格式)向三維GIS平臺格式(如FDB格式)轉(zhuǎn)換,同時保證模型幾何、屬性、紋理、材質(zhì)、編碼、參數(shù)和附加信息等不能丟失。

        在對BIM模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后,對其坐標(biāo)系進(jìn)行定義。由于鐵路線路長,為減小誤差,通常采用分段投影方式,通過開發(fā)的工具只需提供各模型的坐標(biāo)信息表,即可實現(xiàn)模型坐標(biāo)系的批量定義。

        對于穿越城市的鐵路,利用開發(fā)的處理程序和建筑物矢量數(shù)據(jù)(包括外輪廓和高度),快速拉伸出建筑物模型并貼上紋理,具體融合效果見圖11。

        圖11 BIM模型和三維地形融合效果

        將設(shè)計信息附加到BIM模型上,經(jīng)過BIM與GIS融合后,能夠在三維場景中查詢模型對應(yīng)的屬性信息。

        2.4 專題信息配置

        在鐵路工程三維BIM+GIS場景中,除三維地形模型和三維鐵路構(gòu)筑物模型外,需針對具體應(yīng)用需求對影響鐵路設(shè)計方案的重要因素以專題圖的形式接入,主要包括環(huán)保區(qū)域、不良地質(zhì)、斷裂帶、大臨設(shè)施分布等。

        根據(jù)鐵路三維場景制作經(jīng)驗,其中對于場景中常見要素的表示方式進(jìn)行約定(如填充色、邊框?qū)挾?、高度模式等),基于該約定并通過插件開發(fā),能夠?qū)崿F(xiàn)三維場景中專題信息的快速配置(見圖12),并保證風(fēng)格統(tǒng)一。

        圖12 場景中添加專題信息

        2.5 場景標(biāo)注配置

        鐵路工程三維場景中涉及的標(biāo)注主要包括里程標(biāo)、工點標(biāo)、地名標(biāo)等。通過在Bentley OpenRail Designer平臺進(jìn)行二次開發(fā),實現(xiàn)針對里程標(biāo)和工點標(biāo)的快速提取。提取里程標(biāo)是以鐵路線位為輸入,并設(shè)置需要提取里程的間隔(100 m、1 km等),然后執(zhí)行提取操作;提取工點標(biāo)是以線位和工點表為輸入,輸出工點名稱、位置等信息。

        通過上述操作得到的點數(shù)據(jù)為JSON格式,記錄了點的三維坐標(biāo),將其轉(zhuǎn)換為Shpfile格式,并按設(shè)置的顯示規(guī)范將其加入三維場景中,實現(xiàn)所需的標(biāo)注配置效果(見圖13)。

        圖13 標(biāo)注配置效果

        3 結(jié)束語

        結(jié)合基礎(chǔ)地形測繪資料和鐵路設(shè)計資料等數(shù)據(jù),介紹鐵路三維場景快速構(gòu)建方法,包括三維地形模型創(chuàng)建、鐵路構(gòu)筑物BIM模型快速生成、BIM與GIS融合、專題信息接入與快速配置、場景標(biāo)注配置等,相關(guān)流程和內(nèi)容基于三維GIS平臺CityMaker進(jìn)行說明。

        根據(jù)創(chuàng)建的BIM+GIS三維場景,能實現(xiàn)鐵路設(shè)計方案的快速展示、比選分析,有利于鐵路設(shè)計各專業(yè)間的信息共享。隨著鐵路建設(shè)階段的推進(jìn),不斷完善三維場景并提高精度,能夠推動BIM技術(shù)在鐵路工程項目設(shè)計、建設(shè)、運維全生命周期的應(yīng)用。

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