郭 澤，譚衢霖，戴澤宇，秦曉春

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 線路工程空間信息研究所，北京 100044）

隨著鐵路工程建設(shè)信息化的發(fā)展，建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）在鐵路工程全生命周期中得到了廣泛的應(yīng)用?；ヂ?lián)網(wǎng)交互技術(shù)及實(shí)景三維地理信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得鐵路三維信息化建設(shè)逐漸向分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同管理邁進(jìn)。鐵路工程作為一種線性帶狀工程，具有跨度長(zhǎng)、范圍廣、信息量大等特點(diǎn)，而以Autodesk Revit 平臺(tái)為代表的BIM 設(shè)計(jì)軟件支持的地理空間范圍較小，不具備地理信息的空間分析能力。目前，BIM+地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）的融合應(yīng)用主要集中在PC 端，文獻(xiàn)[1]基于Infraworks 平臺(tái)研究了利用BIM 技術(shù)構(gòu)建鐵路三維場(chǎng)景的方法；文獻(xiàn)[2]研究了BIM+GIS的鐵路三維場(chǎng)景快速建立方法；文獻(xiàn)[3]提出了一套完整的鐵路設(shè)計(jì)BIM+GIS 解決方案。同時(shí)，隨著WebGIS 與WebGL 技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)三維可視化領(lǐng)域的研究不斷增加，文獻(xiàn)[4]利用Web 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了融合BIM 技術(shù)的水利水電工程集成管理；文獻(xiàn)[5]應(yīng)用WebGL 技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵路三維虛擬踏勘與遙感判釋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前，融合WebGIS 技術(shù)與WebGL 技術(shù)的BIM 三維可視化技術(shù)在鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少。本文研究了基于WebGIS 的鐵路線路三維場(chǎng)景的構(gòu)建流程，包括帶狀走廊地理環(huán)境的構(gòu)建與BIM 場(chǎng)景融合，并利用ArcGIS Online 實(shí)現(xiàn)了融合BIM 的鐵路三維場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)布與功能應(yīng)用，為鐵路工程三維可視化、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同管理，以及多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)提供了一種解決方案。

1 WebGIS 概述

WebGIS 是采用Web 網(wǎng)絡(luò)交互技術(shù)的GIS，具有較好的跨平臺(tái)性與廣泛的應(yīng)用性[6]。WebGIS 技術(shù)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、邏輯層和表現(xiàn)層，如圖1 所示。數(shù)據(jù)層對(duì)需要發(fā)布的地圖、場(chǎng)景圖層進(jìn)行編輯，儲(chǔ)存到GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，并發(fā)布至邏輯層中。表現(xiàn)層可通過瀏覽器訪問或編輯修改數(shù)據(jù)層下的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)的更新與實(shí)時(shí)共享。目前，傳統(tǒng)的WebGIS 正向三維可視化邁進(jìn)，利用WebGL 技術(shù)在瀏覽器上實(shí)現(xiàn)三維繪圖效果，使得WebGIS 表現(xiàn)力更加真實(shí)，應(yīng)用更為廣泛。

圖1 WebGIS 技術(shù)架構(gòu)

本文利用WebGIS 技術(shù)將鐵路線路地理環(huán)境數(shù)據(jù)與鐵路設(shè)施BIM 參數(shù)化建模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)與三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過GIS 服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布，從而在瀏覽器上實(shí)現(xiàn)三維漫游和功能應(yīng)用。

2 鐵路線路三維場(chǎng)景構(gòu)建

鐵路線路三維場(chǎng)景構(gòu)建主要內(nèi)容包括帶狀走廊三維地理環(huán)境構(gòu)建和BIM 場(chǎng)景融合，如圖2 所示。其中，帶狀走廊三維地理環(huán)境構(gòu)建包括數(shù)字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）構(gòu)建與影像場(chǎng)景融合，利用DEM 構(gòu)建帶狀走廊的三維地表數(shù)據(jù)，再通過公開的地圖影像服務(wù)構(gòu)建帶狀走廊影像數(shù)據(jù)，將DEM 與影像數(shù)據(jù)疊加后，構(gòu)建帶狀走廊真實(shí)的三維地形。BIM 場(chǎng)景融合包括BIM 參數(shù)化建模與空間場(chǎng)景交互定位，利用參數(shù)化建模的思路可有效提高鐵路工程模型建模速度與精度。鐵路工程是與地形緊密結(jié)合的線狀土木工程，具有跨度長(zhǎng)、信息量大等特點(diǎn)，借助GIS 空間分析和三維可視化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景綜合信息利用與數(shù)據(jù)信息交換。

圖2 基于WebGIS 的鐵路線路三維場(chǎng)景構(gòu)建主要內(nèi)容

2.1 帶狀走廊三維地理場(chǎng)景構(gòu)建

2.1.1 DEM 構(gòu)建

目前，獲取DEM 數(shù)據(jù)的方法有很多種[7]，每種獲取方式的DEM 精度、速度、成本、更新程度、應(yīng)用范圍各不相同，如表1 所示。

表1 DEM 獲取方式及對(duì)比

（1）地面測(cè)量：利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System）定位測(cè)量，經(jīng)高程轉(zhuǎn)換后得到地面高程點(diǎn)并生成DEM；

（2）既有地形圖：利用格網(wǎng)讀點(diǎn)法、數(shù)字化儀手扶跟蹤及掃描儀半自動(dòng)采集等方法從現(xiàn)有地圖上進(jìn)行信息采集，并通過內(nèi)插法生成DEM；

（3）航空攝影測(cè)量：通過空中三角形加密及立體像對(duì)得到地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

（4）激光掃描、干涉雷達(dá)：通過三維激光掃描、干涉雷達(dá)等方法直接獲取DEM。

面向鐵路工程的帶狀走廊地表DEM 的獲取，一般宜采用航空攝影測(cè)量或激光掃描、干涉雷達(dá)獲取的方法。若考慮成本因素，可采用精度較高的既有地形圖數(shù)字化法。以航空攝影測(cè)量為代表的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行影像匹配，通過解析攝影測(cè)量的方法，得到所拍攝物體的空間三維坐標(biāo)，可自動(dòng)化、大規(guī)模創(chuàng)建DEM。以某段鐵路為例，采用航空攝影測(cè)量的方法，利用衛(wèi)星立體像對(duì)構(gòu)建出該區(qū)域DEM，再通過矢量化裁剪得到該線路帶狀DEM，如圖3 所示。同時(shí)，可對(duì)該線路帶狀走廊的坡度、坡向等地形指標(biāo)進(jìn)行初步判斷，如圖4所示。

圖3 鐵路線路帶狀廊道DEM 示意

圖4 鐵路線路帶狀廊道坡度、坡向示意

2.1.2 影像場(chǎng)景融合

線路處于前期規(guī)劃階段時(shí)，可采用公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)布的地理信息來獲取地表影像[8]。本文采用的地理信息地圖投影方式為Web 墨卡托（Web Mercator）投影，該投影使用的大地基準(zhǔn)面是WGS-84 橢球體，基于球面墨卡托的投影計(jì)算公式來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)格式化。設(shè)球面經(jīng)緯度為(λ ,φ)，地圖平面坐標(biāo)為(E,N)，其投影計(jì)算公式為

其中，R為球體半徑，取WGS-84 橢球的長(zhǎng)半軸半徑為6 378 137 m。

本文基于瓦片金字塔模型對(duì)采用的地圖影像瓦片進(jìn)行組織與管理。瓦片數(shù)據(jù)利用四叉樹進(jìn)行編碼，縮放級(jí)別為0 的單張全球影像瓦片對(duì)應(yīng)樹的根節(jié)點(diǎn)，縮放等級(jí)每提高一級(jí)，上一級(jí)葉節(jié)點(diǎn)就分為4 個(gè)子節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一塊瓦片數(shù)據(jù)?？衫猛咂笊辖亲鴺?biāo)(i,j)對(duì)每個(gè)瓦片進(jìn)行定位，其中，i、j均為整數(shù)，將0 級(jí)瓦片左上角坐標(biāo)設(shè)置為(0 ,0)，對(duì)應(yīng)第n級(jí)右下角瓦片的左上角坐標(biāo)為(2n?1，2n?1)，各級(jí)瓦片左上角坐標(biāo)及四叉樹分割如圖5 所示。

圖5 瓦片左上角坐標(biāo)及四叉樹分割

根據(jù)經(jīng)緯度(λ ,φ)計(jì)算每一等級(jí)瓦片左上角坐標(biāo)(i,j)，當(dāng)縮放等級(jí)為n級(jí)時(shí)，整個(gè)影像所在的區(qū)域被劃分為 4n塊，瓦片在x、y兩個(gè)方向上各均分為2n等份，第n級(jí)瓦片的分辨率（單位：m/像素）為

投影坐標(biāo)系與瓦片坐標(biāo)系具有等比例關(guān)系，利用該等比例關(guān)系得到瓦片坐標(biāo)與投影坐標(biāo)的計(jì)算公式為

將公式（1）、（2）與公式（4）、（5）聯(lián)立得到瓦片坐標(biāo)與球面經(jīng)緯度坐標(biāo)間關(guān)系為

其中，ent為取整符號(hào)。

將獲取到的該線路瓦片影像進(jìn)行拼接，并按照帶狀走廊DEM 矢量范圍對(duì)拼接后的瓦片影像進(jìn)行裁剪，結(jié)果如圖6 所示。將其與DEM 融合后得到該線路完整的帶狀走廊三維模型，如圖7 所示。

圖6 瓦片影像拼接結(jié)果

圖7 融合DEM 帶狀走廊三維模型

2.2 BIM 場(chǎng)景融合

2.2.1 BIM 參數(shù)化建模

采用BIM 技術(shù)對(duì)鐵路工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，可有效提高管理效率與信息化水平[9]。本文以鐵路橋梁建模為例，基于Autodesk Revit 平臺(tái)研究了BIM 參數(shù)化建模的具體應(yīng)用。橋梁工程建模需遵循的步驟和流程如圖8 所示，按該流程建?？纱_保模型的準(zhǔn)確性、通用性及易用性。確定項(xiàng)目的建模標(biāo)準(zhǔn)后，完成項(xiàng)目基本設(shè)置，再依次按照橋梁下部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)、相關(guān)附屬件進(jìn)行模型創(chuàng)建，并對(duì)模型進(jìn)行核查。

圖8 橋梁工程參數(shù)建模流程

在Autodesk Revit 平臺(tái)上，需針對(duì)鐵路工程的組成構(gòu)件及構(gòu)件特點(diǎn)自行建立族庫(kù)，其中，鐵路箱梁族實(shí)例如圖9 所示。實(shí)際工程中，橋梁樁基數(shù)量較多，手動(dòng)定位較困難，本文采用Dynamo 可視化編程插件放置橋梁樁基模型來保證建模數(shù)據(jù)的精度。橋墩建模與樁基建模相似，采用Dynamo 插件放置橋墩模型，將放置完成后的橋墩模型與橋墩中心平面位置及高程進(jìn)行核對(duì)。箱梁的參數(shù)化建模依據(jù)橋墩位置、采用Dynamo 插件進(jìn)行箱梁族模型放樣，箱梁族模型放樣結(jié)果如圖10 所示。

圖9 鐵路箱梁族模型實(shí)例

圖10 箱梁族放樣模型結(jié)果

2.2.2 空間場(chǎng)景交互定位

在GIS 平臺(tái)下通常采用空間大地坐標(biāo)(B,L,H)作為數(shù)據(jù)的基本表達(dá)方式[10]，而在以Autodesk Revit為代表的BIM 設(shè)計(jì)平臺(tái)中通常采用空間直角坐標(biāo)(X,Y,Z)作為數(shù)據(jù)的基本表達(dá)方式。為實(shí)現(xiàn)BIM 與GIS 地理環(huán)境的融合，在相同的基準(zhǔn)下，需將空間直角坐標(biāo)(X,Y,Z)轉(zhuǎn)換成為空間大地坐標(biāo)系(B,L,H)，轉(zhuǎn)換方式如下

其中：

N為卯酉圈半徑；a為參考橢球長(zhǎng)半軸；b為參考橢球短半軸。

本文以某鐵路線路車站場(chǎng)景構(gòu)建為例，將空間直角坐標(biāo)下的BIM 轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)。利用ArcGIS 平臺(tái)將BIM 與帶狀走廊三維場(chǎng)景相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了BIM與PC 端GIS 平臺(tái)的交互融合，如圖11 所示。在PC端完成鐵路場(chǎng)景三維漫游、數(shù)據(jù)查詢等基本功能，可為鐵路設(shè)計(jì)方案比選提供三維交互場(chǎng)景。

圖11 BIM 與PC 端GIS 平臺(tái)的交互融合

3 應(yīng)用實(shí)例

目前，BIM 與GIS 的融合交互主要以PC 端軟件為主，隨著Web 技術(shù)與WebGL 網(wǎng)頁三維繪圖技術(shù)的發(fā)展，BIM 與GIS 的三維場(chǎng)景交互逐漸向網(wǎng)頁端發(fā)展。本文利用ArcGIS Online 實(shí)現(xiàn)了本地三維場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)布與基本功能應(yīng)用 。基于ArcGIS Online，將某條鐵路線路的BIM 參數(shù)化模型與三維帶狀走廊融合后構(gòu)建的本地三維模型打包成SLPK 場(chǎng)景圖層包，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)布。同時(shí)，在網(wǎng)頁端，實(shí)現(xiàn)了融合BIM 三維地理場(chǎng)景功能應(yīng)用，如圖12 所示，包含三維漫游、距離測(cè)量、面積測(cè)量、剖視分析、淹沒分析等基本應(yīng)用功能，對(duì)鐵路工程多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，綜合信息化管理提供了有力支持。

圖12 三維場(chǎng)景功能應(yīng)用

4 結(jié)束語

本文研究基于WebGIS 的鐵路線路三維場(chǎng)景構(gòu)建方法，在網(wǎng)頁端融合了鐵路工程BIM 與帶狀走廊三維地理環(huán)境可視化漫游技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)的可視化管理與綜合利用。為鐵路工程建設(shè)提供了地理信息數(shù)據(jù)與三維模型數(shù)據(jù)，便于工程設(shè)計(jì)與管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，提升鐵路工程建設(shè)信息化水平。