论三维GIS 及Unity 3D 技术管理的可视化构建

龙 琰，邓新贺

（1.河南省鹤新高速公路有限公司，河南 郑州 450000；2.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛阳 471000）

三维地理信息系统（Geographic Information Systems，GIS） 及Unity 3D 应用非常广泛，已被公路、桥梁和隧道等建筑工程领域所应用。通过三维GIS及Unity 3D 技术进行三维动态建模，实现统计、计算、管理和分析服务等，解决工程量计算、桥梁合拢关键技术、隧道施工难点等。这些都为高速公路施工进度管理系统的可视化和动态化的管理提供了新思路和新途径，构建多平台三维GIS 和Unity 3D共享数据与进度管理系统能够从多视角对施工进度进行全面的评估[1]。鉴于此，本文应用三维GIS Unity 3D 技术，分析鹤壁至辉县高速公路施工进度的管理功能、架构和目标，以及系统建设中的关键性技术等问题。

1 系统构建目标及功能、架构

1.1 三维GIS 及Unity 3D 系统构建目标

实现高速公路施工数据与设计的无缝集成是系统构建的目标之一[2]，并能实现对遥感、场景、地形等空间数据，及桥涵和道路的设计数据的无缝集成与管理。利用三维GIS 及Unity 3D 的空间信息分析功能、管理功能和场景功能，可对各施工图层和标段设计图层进行管理，并对各图层进行叠加分析，实现其与空间图层、监测数据等的连接与交换功能，以及快速查询与统计分析功能等，使高速公路施工管理工作实现网络化和科学化，增强其管理能力，提高其管理水平。

1.2 三维GIS 及Unity 3D 系统功能分析

利用高速公路的相关构造物构建三维施工模型，管理并计算工程量，这是高速公路施工管理系统的中心目标，更是核心。依据施工过程中的空间数据库，可进行Unity 3D 和三维GIS 中的场景模块和三维建模技术、空间分析等，建设一个集场景浏览、施工进度的动态化建模、工程量计算及可视化等为一体的现代管理系统，进而有效控制高速公路的建设成本和管理工期。

高速公路施工进度管理系统的另一重要功能是实时发布和管理施工数据。通过GIS 及Unity 3D 开发施工进度管理系统，实现施工进度（三维动态模型）、数据输入、数据在线查询、工程量计算等的信息化、实时化和智能化，以为施工方和项目管理者提供信息服务。

1.3 三维GIS 及Unity 3D 系统管理架构

按照鹤壁至辉县高速公路的信息管理需求及施工特征，以GIS 为支撑，进行多层次构建的Unity 3D 施工进度管理系统。图1 为高速公路施工进度管理系统模型。

由图1 可知，确保应用层、服务层和数据层的多层次无缝切换，施工进度管理系统数据输入同步，可以互相检索，并对数据进行有效管理。如场景浏览数据库、设计数据库和施工进度数据库等。其中施工进度和地理空间等数据可通过专题方式进行构建，在应用业务层和数据库层、场景浏览层等分别设置空间数据引擎，确保施工进度与地理空间的快速查询与数据等的同步性[3]。应用层包括业务处理、管理和实时数据发布等，应用层能够实现所有专题性的服务功能，以及各专题数据之间的连接，不断更新数据库，实现各业务多视角评估目标。

施工单位需要查询和录入施工进度的相关数据时，可从服务器中获取实时数据信息，无需与其进行交互操作。图1 中高速公路的施工进度管理系统，按照施工进度及标段的设计数据进行设计，并借助数据层、服务层和应用层进行业务处理，应用服务器开发出数据库的诸多功能，如查询功能、数据统计功能、施工进度状况、计算工程量、数据管理和场景浏览，以及三维可视化分析功能等服务，进而对施工进度进行管理，实现施工信息的发布和快速施工决策。

2 三维GIS 及Unity 3D 系统动态管理

2.1 Unity 3D 超强的引擎功能

Unity 3D 引擎功能强大，以创建几乎任何复杂的场景。将BIM 嵌入Unity 3D 施工进度管理图可用于工程进度模拟、变更施工设计模型，实时更新设计数据，并实时管理，确保在同一时空中的施工进度、地理空间及场景浏览等数据的无缝集成。如道路施工、水系施工、绿化施工等，Unity 3D 自带的寻路系统，应用于施工进度数据的实时模拟，甚至接入大数据进行实时监控。

2.2 三维GIS 及Unity 3D 动态传输

在传统的GIS 领域内，信息主要是以二维平面地图的形式呈现给使用者。这种普通二维GIS 空间地图，对移动设备的硬件条件要求较低，数据传输量较小，影响施工进度数据库的管理。需升级三维GIS 技术，满足施工数据的精准采集和动态管理。相比二维GIS，三维GIS 为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的平台，多维度空间分析功能更加强大。但是，三维GIS 对计算机图形技术和计算机硬件也提出了更高要求，如先进的图形卡、工作站以及带触摸功能的投影设备等，以匹配三维GIS 技术的动态交互可视化功能，Untiy 强大的引擎功能在数据传输方面有着得天独厚的优势，配合3D 展示真实施工场景，形成三维模型可视化的有机整合和场景呈现，完好地解决了高速公路施工动态数据变化快，工程数据量庞大，多源海量的工程数据传输过慢信息滞后问题。

2.3 三维模型的数据导入与查询

三维GIS 及Unity 3D 技术支持下，对项目地理分布数据的采集、储存、管理和运算功能非常强大。基于Unity 3D 的三维BIM 技术查询功能，能够实时掌握现实设计、历史设计及施工进度等的属性数据和空间数据，属性数据与图形数据间可以互相检索，并能统计属性数据和绘制专题图，进而为构建计算工程量和施工进度的三维模型提供数据[4]。采用Unity 3D 的三维BIM 技术既实现常规的数字化录入功能，也能够在时态数据库中提供数据导入、动态化检验及管理等功能，为施工进度模型实时提供精准数据。因此，在三维GIS 及Unity 3D 技术加持下，高速公路的路面、桥涵和路基等的施工状态可形象而生动地呈现出来，并能对该模型进行缩小、放大、平移、旋转，实现实时漫游和操作的可视化。

同时，三维GIS 在工程量的计算功能中，根据各个标段上报的施工数据，应用三维模型中的剖分计算和可视化模块，对各施工量进行交互计算，以图件报表方式输出计算数据。实现对数据备份、数据恢复、数据质量检查等进行维护，进而确保系统安全稳定的运行。

3 施工进度管理的场景化和可视化构建

3.1 分段管理技术

地理空间内，此高速公路的分布形状为线状，空间位置定位以线性参照模型去定位。在GIS 技术中，采用Untiy 3D 引擎的技术方案进行BIM 的形象展示，任意点的空间位置都能通过三维坐标点进行定位。因此，设计数据层、地理空间层及动态施工层等的数据能够无缝集成，就要先构建定位模型两种联系。这就要对其进行动态化的分段计算。

常用的动态分段计算方法主要有固定分段算法、属性变长法、内插法及曲线要素法等。这些算法均能够实现二维空间坐标与线性模型的连接[5]。因此，计算高速公路各个点的三维空间坐标，要依据公路路面坡度和路基倾斜度反算其高程。具体应用时，为确保标段划分在设计和建设模式上的一致性，故选用固定分段法进行计算，且计算的标段与所分段间的一致性较强，能够有效地对工程量进行统计和计算。

3.2 场景可视化模型建构

高速公路建设是一项系统性工程，工程量大且复杂。既有路面路基建设，又有边坡、桥梁、涵洞和匝道的建设，以及护栏、隔离带、服务区、人行天桥等的建设，项目复杂多变。应用GIS Unity 3D软件和其他软件共同建构三维模型，能够确保系统显示的可视化和一体化。然而，许多高速公路设计均是利用CAD 制图，无法模拟施工过程，但应用三维GIS Unity 3D 可视化技术后，可以通过场景建设模拟施工过程，解决建筑设计与施工的难点，进而实现高速公路施工进度与三维模型的动态化。

由于高速公路的施工进度并无事前预知性，若要识别出设计中的不合理之处，就要通过建模方式对施工现场、施工路面、路基及构筑物等应用GIS和Unity 3D 技术进行施工状态的场景化和可视化，并动态建模。三维动态建模通常要先构建模型，而后通过逐帧播放，方实现其可视化。对路基和路面来说，可以按照施工状态生成DEM 界面，且以此切割构建高速公路的三维模型[6]，该模型能够通过透明方式、三角网方式对未施工部分进行显示，或通过不同色彩在施工虚拟场景中进行标示。

3.3 工程量的计算方法

在高速公路施工中，施工进度及三维设计等模型都是矢量几何模型。此类模型的建模与其他三维模型的建模方式不同，其为基于面的模型，而基于面的三维模型可以对形体的空间轮廓及表面形态等进行细致的刻画，更利于数据的显示和更新，但对其内部进行整体表示及对其空间进行分析的难度较大。相关研究显示，混合数据模型能够综合利用体模型与面模型的优点并结合施工进度中的三维动态模型特征提出基于GIS 及Unity 3D 技术的工程量计算流程。

4 结束语

三维GIS 及Unity 3D 技术构建的高速公路施工进度管理模型已在鹤壁至辉县高速公路建设中得到应用，且非常成功。该高速公路采用三维GIS Unity 3D 动态模型，并结合工程指挥部的要求，在路基进度、隧道和桥梁进度、整体进度等方面都实行了定制化开发。在施工中，按照分项工程的不同结构对每个标段进行分级，以结构块方式作为展示系统的整体形象。完成某个结构块的施工后，系统会自动录入相应数据，业主及监理都能利用系统平台或系统手机APP 随时查看工程的施工细节，且按照现场检测结果备案，从而为后期养护及运营管理提供数据支持，为实现高速公路施工进度管理目标提供了有效的方案。