基于BIM 与GIS 技术的公路工程可视化系统构建

房晓亮，黄文衡，邓 硕

（1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014；2.长沙理工大学，长沙 410114）

近年来，公路建设规模日益扩大，建设速度不断提高，公路网络也在不断优化，迫切需要提升公路工程项目全过程管理的数字化、智慧化水平。然而，公路工程项目具有路线长、路况复杂、管理构件多及道路环境多变等特点，传统管理方式难以满足当前施工快、周期短、效率高的公路工程建设、运维和养护的需求。随着建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）和地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）技术的迅速发展，形成了高效可靠的空间数据集成与三维地理信息可视化能力[1]，使其逐渐成为公路工程数字孪生应用的主要技术之一，正掀起一场公路工程行业的数字化革命[2]。

建筑信息模型（BIM）是通过建立建筑工程的精细三维模型，实现建筑相关构件的几何、属性与状态信息的存储组织与关联表达[3]。BIM 技术为工程项目管理提供了一种统一的、全生命周期的工程信息交流平台，逐渐成为公路工程设计、施工、运营和养护的重要生产力工具[4]。地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件支持下，对地理空间数据进行采集、存储、管理、分析和可视化的信息系统，因其在地理环境信息分析与表达方面的独特优势，被广泛应用于城市规划、智能交通、智慧水利等领域[5]。相较而言，BIM 技术侧重工程尺度的建筑信息精细表达，GIS 技术关注宏观尺度的地物信息统一存储，为实现公路工程项目宏、微观尺度的统一管理，迫切需要研究两者技术的集成交互。近年来，一些企业和机构已开始探索BIM 与GIS 技术的融合应用，如赵尘衍等[6]应用BIM 与GIS 技术辅助轨道交通工程的设计、施工、运维工作；方磊等[7]构建智慧高速BIM+GIS 平台，实现基于BIM 与GIS 底座模型的智慧高速多源信息融合应用；黎宇阳等[8]利用BIM 与GIS 技术有效提升了德会高速公路勘察设计与施工建设的管理效率。

总体而言，公路工程领域BIM 和GIS 的融合应用仍存在BIM 与GIS 数据转换复杂、BIM 模型加载困难、可视化效果不佳等问题。本文首先利用Bentley 系列软件构建公路BIM 模型，然后借助CesiumLab 工具进行BIM 模型轻量化。最后，基于React 和Cesium 技术实现公路工程可视化系统，为项目工作人员提供一种更方便、更高效的管理方式，从而有效提升公路工程施工、运营、维护的管理效率。

1 公路BIM 模型构建

Bentley 系列软件是当前BIM 设计的主流软件之一，旗下OpenRoads Designer 软件为一款功能完善、全面详细的道路BIM 设计软件，提供了勘测、排水、公用设施和道路详细设计的一整套强大工具[9]，因此，本文选择使用OpenRoads Designer 软件构建公路BIM 模型，包括路线绘制和路基构建2 个步骤。

1.1 路线绘制

在构建公路BIM模型时，需要依靠中线位置来确定公路位置。本文采用交点线文件导入法进行BIM设计。具体地，在OpenRoads Designer软件中，创建一个新模型，或者选择已经创建好的模板创建模型，输入模型名称和文件路径，并指定参考坐标系和单位。通过“几何图形”模块中的“从ASCII文件导入平面几何图形”导入交点线文件，选择“从ASCII文件导入平纵面几何图形”导入纵断面文件，绘制出的公路中心线如图1所示。

图1 路线绘制效果

纵断面线设计完成后，通过选择纵断面线并悬停，在弹出的纵断面线菜单中选择“设置为激活纵断面线”，此前可在纵断面设计视图中设计数条纵断面线，利用该功能选择其中一条激活作为最终纵断面线，至此公路的平面和纵断面已全部构建完成，OpenRoads Designer 将在“平面线所在模型+3D”中自动生成公路的三维线型。

1.2 路基构建

路线构建之后，进行路基构建，包括地形导入、创建廊道、创建模板和创建超高模型等。

1）地形导入，从外部导入地形数据并将其转换为OpenRoads Designer 可识别的DTM 地形对象，同时将地形激活。

2）创建廊道，利用此前已经建立好的路线文件和地形文件，定位待创建廊道路线的平面线和已激活的纵断面线，通过“创建廊道”功能自动创建廊道。

3）创建模板，通过模板编辑工具，根据标准需求设计行车道、放坡、基层等组件并将其组装成模板，将模板应用在指定廊道上，并设置如起讫桩号、建模最大步长等控制参数，即可形成公路路基的整体三维模型，如图2 所示。

图2 公路路基三维建模效果

4）创建超高模型，将超高模型应用到廊道，通过与模板中的约束相互作用，从而约束三维模型并对特定三维线进行调整，使其更加贴近标准。公路模型建立完毕后，将公路模型导出为dgn 等通用格式即可。

2 BIM 与GIS 数据集成

为了更好地展示公路工程不同尺度的三维效果，除构建公路BIM 数据外，还需要与公路工程相关的倾斜摄影数据、影像数据、DEM 数据和矢量数据等GIS数据集成。本文采用了Cesium 进行公路工程的三维数据集成展示，涉及工作包括BIM 数据格式转换、模型轻量化、倾斜摄影数据处理和基础场景搭建等。

2.1 BIM 数据格式转换及模型轻量化

本文设计的BIM 数据为dgn 格式，利用Cesium－Lab 中的“通用模型切片”功能将BIM 模型转换成3D Tiles 的格式，实现BIM 模型轻量化，主要步骤如下。

1）在“输入文件”中导入需要进行轻量化的BIM模型文件。

2）在“资源库”中选择资源目录，输入文件名并点击保存即可，如果不设置本地资源文件，系统自动在内存中创建资源文件。

3）根据不同数据类型和可视化要求，可选择小场景处理器和八叉树处理器2 种方式进行通用模型处理。

4）再根据需要设置“压缩参数”，设置输出路径作为生成的3D Tiles 存储路径，最后点击提交处理即可。

2.2 倾斜摄影数据处理及基础场景搭建

倾斜摄影数据是公路工程可视化系统的基础场景数据源之一。DP-Modeler 是一款集精细化单体建模与Mesh 网格模型修饰于一体的新型三维建模软件[10]，本文利用DP-Modeler 软件进行倾斜摄影数据处理，由于DP-Modeler 支持的数据格式为obj，故首先需要将倾斜摄影数据（OSGB）和公路BIM 模型数据转换为obj格式，再执行以下步骤进行倾斜摄影数据处理与基础场景搭建。

1）修模范围选定。打开DP-Modeler 软件创建工程，分别导入倾斜摄影模型数据（OSGB）及其相匹配的obj 数据，通过工具箱—Tile 选择—确定，进行修模范围选定。

2）倾斜摄影数据处理。该处理包括深挖和压平2种方式：①深挖方案可采用删除的方式进行，也可采用沿建筑物底边描线配合mesh 切割技术路线，将该建筑物上下一定米数范围内的瓦片全部删除；②压平方案可采用水面修饰的方式进行压平，但压平通常会带来瓦片碎片缺失或拉花现象，可通过桥接或补洞的方式进行修补。

3）导出OSGB 模型。右键点击“OBJ 修饰文件”进行全部保存，然后点击“导出”，选择“全部导出”，接着选择“导出OSGB”，OSGB 修饰结果将保存在该工程所属文件夹中的OSGB_Edit 文件下，最后通过Cesium－Lab 进行OSGB 转3D Tiles。

4）基础场景搭建。将公开的30 m DEM 数据和天地图在线影像进行叠加，同时将行政区划等矢量数据叠加，形成公路工程的基础地理场景，场景展示如图3所示。

图3 基础场景搭建效果

3 公路工程可视化系统

3.1 系统功能介绍

本文基于Cesium 实现公路工程可视化系统的功能开发，构建的公路工程可视化系统可以实现加载显示表格、点、线、倾斜摄影、BIM、影像和地形数据等，还具备漫游、定位、查询功能，以帮助用户更好地了解公路工程的情况。

3.2 系统实现效果

通过公路BIM 与GIS 数据融合，较好地展示了公路建设所处的地形情况、设计成果，以及与现实世界的融合效果。公路BIM 可以展示公路工程不同层次的厚度和施工方式，以及路基的高度、宽度、厚度等细节，以便更好地了解公路的构造和设计原理。借助GIS 数据还可以展示公路沿线的景观和绿化情况，包括花坛、景观树、草坪等环境细节。如图4 所示。

图4 系统界面

此外，以BIM+GIS 为基底，还可以融合与公路工程相关的其他信息，如行车轨迹、施工进度等。通过显示车辆在行驶过程中的行为轨迹及其路面上的变化，帮助公路设计者更加准确地了解路面的基本情况，进而合理优化路面设计和施工方案。通过监控车辆在路面上的行驶轨迹，及时发现路面损坏和变形等问题，提醒公路管理部门及时进行维护，防止发生交通意外，如图5 所示。

图5 行车轨迹展示

4 结论

基于BIM 和GIS 技术能够较好地解决公路工程管理过程中宏观和微观可视化需求，本文借助OpenRoads Designer、DP-Modeler、Cesium 等多种软件工具，实现了公路BIM 建模、BIM 与GIS 集成、三维可视化等较为完整的一套公路工程可视化系统构建流程。系统实现效果表明，对公路BIM 模型和GIS 数据进行流程化处理，在GIS 场景中保留公路BIM 几何信息和属性信息完整性，有效实现了宏观地理空间数据与微观公路BIM 模型的互补融合，并发挥GIS 特有的量算、查询、漫游等空间分析功能优势，能够为公路工程项目提供更加直观的可视化工程管理模式。然而，多源数据融合是构建数字孪生的重要工作，本文在融合效果、现实世界联动、工程状态更新等方面还有较大改进空间。