基于BIM+GIS的铁路三维场景快速建立方法研究

2021-09-27张钰董凤翔赵亮亮黄旎诗

铁路技术创新 2021年4期

张钰，董凤翔，赵亮亮，黄旎诗

（中铁二院工程集团有限责任公司 BIM中心，四川成都 610031）

0 引言

随着BIM技术的快速发展，其在建筑领域得到了越来越广泛和深入的应用。国际标准组织设施信息委员会（Facilities Information Council）将BIM定义为：BIM是在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目全生命周期信息的可计算、可运算的形式表现，从而为决策提供支持，以更好地实现项目价值[1]。

同单点建筑相比，铁路工程项目有其自身特殊性。铁路工程项目一般呈大范围带状分布，具有工程难度大、涉及专业繁多、地形地质条件复杂等典型特征，传统管理模式不能满足多维信息共享与管理[2]，单纯依靠BIM技术无法从宏观尺度对整个工程项目进行整体把控。

GIS是在计算机软硬件环境支持下，对整个或部分地球表层空间数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的计算机系统。BIM侧重于单体建筑的精细化表达，GIS则主要针对全局整体的地理信息管理[3-4]。因此，充分开展BIM与GIS融合应用研究，建立铁路三维场景，在铁路工程勘察设计阶段以三维可视化形式直观展示设计方案，并结合地形地质等条件对设计方案进行审查和优化，能够最大程度挖掘BIM+GIS在铁路工程前期工作中的巨大应用价值。

1 研究现状

BIM与GIS融合能够实现由室外到室内、由宏观到微观和多层次多粒度的场景漫游与查看，具有广阔的应用市场，目前已有大量研究。王树臣等[5]采用语义映射的数据集成方法实现了BIM与GIS的融合，并探讨了其在水利工程、铁路桥梁工程、地下管网、场地分析等领域的应用。在铁路工程领域，操锋[6]对BIM+GIS在铁路行业全生命周期的应用进行了探讨；范登科等[7]通过对铁路工程信息模型分类及存储标准进行研究，为铁路信息化建设过程中BIM与GIS融合提供了新的思路和方法；任晓春[8]针对铁路勘察设计阶段BIM与GIS融合方法，提出了地形局部修改套合、模型多分辨率与轻量化、语义信息传递、面向服务的架构等尚需解决的技术难题。

从三维GIS平台角度，蔡文文等[9]通过IFC与CityGML的语义映射和几何过滤，实现了BIM与SuperMap GIS的数据集成，并通过实例化技术、LOD调度，实现了大规模BIM数据在SuperMap GIS中的高性能渲染与可视化；倪伟[10]通过对CityMaker平台进行分析和试验，总结出一套适合铁路BIM数据处理的解决方案，初步实现了海量BIM设计成果与三维场景的集成。

关于铁路工程项目三维场景创建也取得了一定研究成果。夏宇等[11]从三维地形环境建模、铁路构造物建模、铁路附属设施建模等方面着手，构建了铁路BIM三维线路场景，实现了铁路选线环境的三维可视化；朱颖等[12]提出一套面向铁路行业的三维场景快速构建一体化技术，主要包括铁路带状三维地形快速构建、大范围带状分布的铁路线路实体模型快速构建和地形三维与实体三维模型的有机融合等。

综上所述，BIM与GIS的融合以及基于BIM+GIS的铁路三维场景快速构建，需要基于三维GIS平台，从数据集成角度出发，结合铁路领域业务流程，形成统一规范，从而保障三维场景的时效性、精确性、可扩展性。

2 铁路三维场景构建流程

三维场景快速构建方法以测绘成果和设计资料为基础，以开发的辅助设计软件、场景制作工具和插件为依托，结合三维场景的应用和需求，实现三维场景快速制作和配置，融合地形地貌等地理空间信息、铁路构筑物模型等设计信息和地质、环保等专题信息，为设计方案的可视化提供支撑。

2.1 地形模型生成

铁路三维地形模型由数字高程模型DEM和数字正射影像DOM叠加计算得到。其中，DEM数据可根据DWG格式原始地形图文件（一般为1︰2 000或1︰500比例尺）生成（见图1）。

图1 DWG格式原始地形图

具体流程为在AutoCAD软件中利用插件提取等高线、高程点（见图2）等图层数据，并存储为三维点坐标文件，然后将其导入Global Mapper软件，并基于高程点计算高程格网数据（见图3），然后经过裁剪等处理后输出为特定格式的DEM数据。

图2 三维矢量高程点

图3 高程格网数据

由于铁路工程项目呈大范围带状分布，为保证铁路沿线三维地形的高精度和三维场景的协调性，同时控制三维场景的大小。采用的处理办法为：不同精度及层级DEM（见图4）和DOM数据混合使用，对线路沿线一定范围内（如20 km）的地形模型与影像采用高分辨率数据，对距铁路线较远处（如大于20 km）采用低分辨率数据（如13级谷歌影像和90 m分辨率SRTM高程数据，见图5），两者无缝衔接。

图4 2m分辨率高精度DEM数据

图5 90m分辨率SRTM数据

生成三维地形的操作在TerrainPush软件平台中进行，将DEM、DOM等数据作为输入，进行预处理和参数设置后进行计算，即可生成对应三维地形模型（TED格式），具体模型创建流程见图6。

图6 三维地形模型创建流程

生成的高精度三维地形模型具有丰富的空间信息，是建立BIM+GIS三维场景的基础，能够直观反映铁路沿线的地形地貌特征（见图7）。

图7 高精度三维地形模型

2.2 铁路构筑物模型建立

铁路工程项目涉及专业众多，包括线路、桥梁、隧道、站场、路基、地质、轨道、接触网、通信信号等。为了各专业间能够高效协同工作，搭建了基于Bentley ProjectWise的协同设计平台，实现设计标准统一、专业内及专业间资源共享，统一各方工作，提升工作效率。

此外，开发了针对各专业的BIM辅助设计软件，利用建立的构件库和模板，基于设计图纸进行参数设置，快速建立全线各专业的三维BIM模型（见图8—图10）。

图8 线位辅助设计程序

图9 桥梁BIM模型

图10 站房BIM模型

2.3 BIM与GIS融合

BIM与GIS融合主要实现铁路构筑物模型由BIM平台格式（如DGN格式）向三维GIS平台格式（如FDB格式）转换，同时保证模型几何、属性、纹理、材质、编码、参数和附加信息等不能丢失。

在对BIM模型进行格式转换后，对其坐标系进行定义。由于铁路线路长，为减小误差，通常采用分段投影方式，通过开发的工具只需提供各模型的坐标信息表，即可实现模型坐标系的批量定义。

对于穿越城市的铁路，利用开发的处理程序和建筑物矢量数据（包括外轮廓和高度），快速拉伸出建筑物模型并贴上纹理，具体融合效果见图11。

图11 BIM模型和三维地形融合效果

将设计信息附加到BIM模型上，经过BIM与GIS融合后，能够在三维场景中查询模型对应的属性信息。

2.4 专题信息配置

在铁路工程三维BIM+GIS场景中，除三维地形模型和三维铁路构筑物模型外，需针对具体应用需求对影响铁路设计方案的重要因素以专题图的形式接入，主要包括环保区域、不良地质、断裂带、大临设施分布等。

根据铁路三维场景制作经验，其中对于场景中常见要素的表示方式进行约定（如填充色、边框宽度、高度模式等），基于该约定并通过插件开发，能够实现三维场景中专题信息的快速配置（见图12），并保证风格统一。

图12 场景中添加专题信息

2.5 场景标注配置

铁路工程三维场景中涉及的标注主要包括里程标、工点标、地名标等。通过在Bentley OpenRail Designer平台进行二次开发，实现针对里程标和工点标的快速提取。提取里程标是以铁路线位为输入，并设置需要提取里程的间隔（100 m、1 km等），然后执行提取操作；提取工点标是以线位和工点表为输入，输出工点名称、位置等信息。

通过上述操作得到的点数据为JSON格式，记录了点的三维坐标，将其转换为Shpfile格式，并按设置的显示规范将其加入三维场景中，实现所需的标注配置效果（见图13）。