新一代三維GIS技術(shù)在交通行業(yè)的創(chuàng)新應用

喬天榮，馬培果，劉平利，許連峰

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；2.鄭州麥普空間規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450001；3.河南省地質(zhì)科學研究所，河南 鄭州 450001）

新一代三維GIS技術(shù)體系是以二三維一體化GIS技術(shù)為基礎(chǔ)框架，進一步拓展了全時空數(shù)據(jù)模型及其分析計算能力，完善了三維GIS理論體系。在數(shù)據(jù)層面，融合傾斜攝影、BIM、激光點云、三維場等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，制定了開放的《空間三維模型數(shù)據(jù)格式》（S3M）標準，推動三維數(shù)據(jù)的開放、共享與互操作。在IT新技術(shù)方面，集成WebGL、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）、3D打印等IT新技術(shù)，帶來更真實、更便捷的三維體驗，推動三維GIS 實現(xiàn)室外室內(nèi)一體化、宏觀微觀一體化與空天/地表/地下一體化。本文將對交通領(lǐng)域的生態(tài)合作伙伴基于新一代三維GIS技術(shù)，結(jié)合IT新技術(shù)，在交通建設(shè)管理領(lǐng)域所做的創(chuàng)新應用進行闡述[1]。

1 “兩新一重”為交通建設(shè)帶來新機遇

2020-05-22發(fā)布的政府工作報告，明確了重點支持“兩新一重”的建設(shè)方針：即加強“新基建”，加強新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，加強交通、水利等重大工程建設(shè)。重大交通工程包括高速公路、高速鐵路等優(yōu)選項目，不但是短期內(nèi)重點的投資方向，而且也是行業(yè)長期投資的目標；不僅要高質(zhì)量建設(shè)，也要長期的高質(zhì)量運營維護，因此必須要有新型信息化技術(shù)手段的保障。新一代三維GIS技術(shù)，將支撐重大交通工程的建設(shè)管理應用。

交通運輸部在近期多個信息化政策文件中也都明確表示推動以BIM（建筑信息模型）技術(shù)為核心的三維技術(shù)在交通設(shè)計、建設(shè)、運維等階段的全面應用，實現(xiàn)精細化規(guī)劃設(shè)計、動態(tài)化的施工管理和智慧化的運營養(yǎng)護，結(jié)合多源時空數(shù)據(jù)，建設(shè)BIM+GIS可視化平臺，大幅提升交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理水平[2]。

智慧交通是交通行業(yè)信息化的趨勢，而三維GIS是智慧交通應用不可或缺的基礎(chǔ)之一。智慧交通不單是指交通設(shè)施的建設(shè)管理會更加智能化、智慧化，而且通過將交通實體對象信息轉(zhuǎn)換為可呈現(xiàn)、可分析、可管理的三維虛擬對象，可構(gòu)建現(xiàn)實世界與虛擬世界并行的“數(shù)字孿生”體系，這將是未來智慧交通應用的重要工具與核心模式[3]。

2 新一代三維GIS技術(shù)在重大交通工程建設(shè)中的應用

交通工程建設(shè)，特別是重大交通工程建設(shè)，涵蓋了規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工、運營養(yǎng)護等多個領(lǐng)域。新一代三維GIS是構(gòu)建交通設(shè)施全面數(shù)字化的重要基礎(chǔ)。首先，它可以提供構(gòu)建三維交通設(shè)施全要素場景的能力；其次，在全要素三維場景下，它能夠基于BIM數(shù)據(jù)為規(guī)劃設(shè)計提供便捷的分析與展現(xiàn)技術(shù)；再次，它還能夠與BIM和IoT結(jié)合，為建設(shè)施工提供施工場地、施工過程的精細化管理能力，為運營養(yǎng)護提供更加智能和便捷的分析與管理能力[4]。

2.1 構(gòu)建全要素基底

智慧交通建設(shè)的基礎(chǔ)是全面的交通設(shè)施數(shù)字化，交通設(shè)施數(shù)字化的成果，一定是可呈現(xiàn)、可計算、可管理的三維交通設(shè)施全要素空間基底。交通設(shè)施空間全要素基底，是依據(jù)交通設(shè)施業(yè)務需要，構(gòu)建精細化的設(shè)施模型對象數(shù)據(jù)，包括交通設(shè)施二維矢量與影像數(shù)據(jù)、交通設(shè)備設(shè)施三維模型數(shù)據(jù)、交通設(shè)施周邊環(huán)境二維、三維數(shù)據(jù)等。它不但能夠承載傳統(tǒng)交通建設(shè)、管理、養(yǎng)護等業(yè)務，也是交通設(shè)施監(jiān)控、運行大數(shù)據(jù)挖掘等新業(yè)務方向的應用基礎(chǔ)。

基于新的測繪技術(shù)，通過BIM建模、傾斜攝影測量、激光點云采集等新型數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建出精細化交通設(shè)施三維基底，并且通過疊加視頻信息、交通動態(tài)狀態(tài)信息、IoT設(shè)備狀態(tài)信息、氣象、災害等環(huán)境信息，構(gòu)建出一套支撐交通設(shè)施管理、運行、養(yǎng)護的全要素基底[5]。

SuperMap GIS軟件支撐多源異構(gòu)三維數(shù)據(jù)融合的能力，能夠?qū)⒔煌ㄔO(shè)計BIM模型與地形數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、激光點云數(shù)據(jù)等三維數(shù)據(jù)融合，并疊加遙感影像、地質(zhì)勘測等二維空間數(shù)據(jù)和氣象、地質(zhì)勘測等環(huán)境數(shù)據(jù)，為交通設(shè)施管理搭建來源多樣、信息豐富、功能全面的三維全要素基底。

在全要素三維場景中，SuperMap GIS的二三維一體化技術(shù)，支持對各類二三維交通設(shè)施對象進行展示呈現(xiàn)、綜合查詢、疊加分析等操作，為交通設(shè)施管理提供豐富的應用手段[6]。

2.2 BIM+GIS輔助交通設(shè)施規(guī)劃設(shè)計

行業(yè)內(nèi)各設(shè)計單位在重大工程項目中普遍采用BIM技術(shù)進行設(shè)計。BIM設(shè)計數(shù)據(jù)成果結(jié)合GIS多源數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與分析能力，可以在設(shè)計階段為用戶提供設(shè)計過程的分析計算能力和直觀的設(shè)計成果呈現(xiàn) 能力。

SuperMap GIS在設(shè)計過程中為設(shè)計師提供精細的三維空間分析能力，支持將BIM設(shè)計模型快速導入GIS軟件平臺后，通過BIM數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)的鑲嵌，可以將道路模型與高精度地形精準融合，實現(xiàn)道路模型在地面上正確顯示；也可以提取BIM模型數(shù)據(jù)的建設(shè)邊界范圍，并且將提取結(jié)果與地形數(shù)據(jù)疊加，可以實時準確地計算設(shè)計方案中所占區(qū)域邊界以及統(tǒng)計設(shè)計方案中建設(shè)土地、人口等信息，為設(shè)計人員提供方便快捷的選線分析能力，輔助設(shè)計單位合理選線。

當最終設(shè)計方案確定后，將BIM模型導入到GIS平臺內(nèi)，與地形、影像、傾斜等環(huán)境數(shù)據(jù)疊加，可以為建設(shè)單位、業(yè)主單體完整全面的展現(xiàn)設(shè)計方案。SuperMap GIS支持對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行綜合性的場景優(yōu)化和服務發(fā)布，設(shè)計方案可以通過在線的方式提供給相關(guān)各方在線瀏覽與查詢，也可以通過手機端對三維場景進行瀏覽[7]。

2.3 協(xié)助交通設(shè)施實現(xiàn)智慧建造

智慧建造是交通建設(shè)的主要趨勢?；贐IM數(shù)據(jù)，通過疊加建設(shè)環(huán)境數(shù)據(jù)與施工現(xiàn)場的實時動態(tài)數(shù)據(jù)，可在SuperMap GIS三維基礎(chǔ)軟件平臺搭建一個動靜結(jié)合的施工虛擬環(huán)境。在三維環(huán)境中可以將龐雜的建設(shè)過程信息與BIM模型中精細化的交通對象進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)交通建設(shè)過程的精細化管理，并基于IoT實時數(shù)據(jù)、施工過程進度數(shù)據(jù)與三維對象結(jié)果，實現(xiàn)施工過程的動態(tài)監(jiān)管。

交通重大工程項目中的BIM模型數(shù)據(jù)通?？蛇_到部件級的精度，SuperMap GIS支持海量精細化模型對象加載顯示與分析計算等功能，可以將龐大復雜的工程建設(shè)數(shù)據(jù)與建設(shè)對象進行關(guān)聯(lián)管理，所有建設(shè)圖紙、方案、監(jiān)理過程數(shù)據(jù)、物料供給數(shù)據(jù)等都可以與BIM數(shù)據(jù)中具體的設(shè)施部件綁定，在三維GIS場景下實現(xiàn)對這些施工信息的查詢、統(tǒng)計及可視化渲染[8]。

SuperMap GIS支持對BIM模型的動態(tài)渲染，通過將BIM構(gòu)建與工程進度信息結(jié)合，可以依據(jù)不同的施工進度對整個工程模型進行渲染顯示，從而協(xié)助用戶直觀了解整體工程進度情況，并且能夠通過進度動畫，動態(tài)展現(xiàn)一定時期內(nèi)的建設(shè)進度變化情況。

3 新一代三維GIS技術(shù)支撐構(gòu)建交通運輸 “數(shù)字孿生”

“數(shù)字孿生”是交通運輸行業(yè)信息化發(fā)展的一個重要的方向和應用場景，也是“智慧交通”可視化呈現(xiàn)的重要手段?！皵?shù)字孿生”是在構(gòu)建的要素全面完整、信息豐富的交通三維虛擬場景基礎(chǔ)之上，疊加動態(tài)交通狀態(tài)信息，形成一套與現(xiàn)實世界同步，可展示、可測量、可控制的動態(tài)虛擬場景，不但能夠在虛擬場景中同步現(xiàn)實世界，而且通過構(gòu)建交通信息模型，還可以在三維虛擬空間中實現(xiàn)對交通管理控制的模擬仿真，以實現(xiàn)在虛擬空間中對現(xiàn)實世界的研究與預測[9]。

“數(shù)字孿生”的實現(xiàn)，其核心是3個技術(shù)支撐：大區(qū)域交通三維場景快速構(gòu)建，海量動態(tài)交通信息實時展現(xiàn)和交通運輸模型的展現(xiàn)與仿真。

3.1 參數(shù)化建模技術(shù)構(gòu)建高精度三維地圖

“數(shù)字孿生”首先要能夠快速構(gòu)建一套完整的交通三維場景。

參數(shù)化建模技術(shù)，是在道路二維矢量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)道路設(shè)施分布、設(shè)計參數(shù)等信息，結(jié)合道路所在地形，利用GIS空間模型算法，自動生成三維道路模型，與道路實際形態(tài)基本一致。用戶通過簡單的數(shù)據(jù)輸入，依靠GIS軟件，就能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍交通設(shè)施快速建模。相對于手工BIM建模的成本周期更少，相比傾斜攝影測量和激光點云數(shù)據(jù)的精度更高，非常適合構(gòu)建大范圍交通三維場景。SuperMap還能夠支持大范圍參數(shù)化模型與重點工程的BIM模型的融合應用，支撐更完整的交通應用。同時參數(shù)化建?？梢耘浜先S模型生成道路交通規(guī)則拓撲信息，將車輛定位信息、交通事件信息等動態(tài)信息在三維模型上進行準確疊加，支持三維導航、交通運輸監(jiān)管等 應用。

3.2 三維GIS場景下的實時動態(tài)交通監(jiān)管

交通設(shè)施管理與運行監(jiān)控中的動態(tài)數(shù)據(jù)在5G技術(shù)與北斗技術(shù)的加持下，時效性越來越強，數(shù)據(jù)量越來越大，在三維場景中將海量動態(tài)數(shù)據(jù)加載呈現(xiàn)，并進行管理、統(tǒng)計、分析，是“數(shù)字孿生”場景構(gòu)建的第二個重要技術(shù)。

SuperMap GIS支持三維場景中多源海量動態(tài)信息的疊加呈現(xiàn)、統(tǒng)計與分析，不但能夠?qū)⒈倍犯呔榷ㄎ恍畔⒃谌S場景中同步動態(tài)呈現(xiàn)，而且能對接IoT流數(shù)據(jù)服務，將交通設(shè)施中傳感器信息在三維場景中以可視化的方式進行動態(tài)呈現(xiàn)。后臺構(gòu)建電子圍欄等分析服務，對軌跡、形變等信息進行分析監(jiān)控預警，統(tǒng)計其運行損耗，實現(xiàn)交通設(shè)施管理的實時監(jiān)管[10]。

SuperMap GIS不但支持“BIM+GIS+IoT”三維服務在WebGL“零客戶端”應用，而且支持手機移動端的服務調(diào)用與應用呈現(xiàn)。“數(shù)字孿生”服務不再局限于管理單位內(nèi)部，通過互聯(lián)網(wǎng)還可以實現(xiàn)對應用的廣泛發(fā)布。

3.3 高精度地圖下大場景交通仿真呈現(xiàn)

除了與現(xiàn)實世界信息同步，“數(shù)字孿生”場景也需要能夠支持交通模型的分析運算與結(jié)果呈現(xiàn)。交通仿真軟件能夠依據(jù)OD信息，分析計算一段時間內(nèi)道路交通變化數(shù)值。SuperMap GIS支持在三維場景中，將變化數(shù)值通過道路拓撲規(guī)則轉(zhuǎn)化為每一條車道上的車輛模型運動軌跡，通過將抽象的數(shù)值變化展現(xiàn)為動態(tài)的虛擬場景，為交通仿真分析提供交通模擬展現(xiàn)的能力，通過可視化的技術(shù)讓專業(yè)的數(shù)據(jù)能夠被更多的非專業(yè)人士所準確了解，從而為專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)建更多的應用場景。

4 三維GIS技術(shù)在交通運輸行業(yè)應用的展望

超圖交通運輸領(lǐng)域的生態(tài)伙伴，已經(jīng)基于新一代三維GIS技術(shù)在行業(yè)內(nèi)進行應用探索，推動了一批優(yōu)秀的應用項目。

4.1 基于三維的高速公路設(shè)施數(shù)字化管理系統(tǒng)

超圖的生態(tài)伙伴北京中交國通智能交通系統(tǒng)技術(shù)有限公司基于新一代三維GIS技術(shù)，應用三維掃描技術(shù)、三維精細化建模技術(shù)，并結(jié)合時空海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)、三維動態(tài)顯示技術(shù)、交互式場景技術(shù)等，實現(xiàn)了高速公路環(huán)境信息快速采集、基礎(chǔ)設(shè)施精細化空間數(shù)據(jù)庫快速構(gòu)建、高速公路基礎(chǔ)設(shè)施快速巡查和綜合管理，并可融合接入公路動態(tài)業(yè)務數(shù)據(jù)，為交通運行狀態(tài)監(jiān)測及分析系統(tǒng)、智慧服務平臺提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)支持，全面提升高速公路數(shù)字化、智能化管理水平。

4.2 城市軌道交通全生命周期信息化管理平臺

超圖的生態(tài)伙伴北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司基于新一代三維GIS技術(shù)，利用 GIS-BIM、云計算、物聯(lián)網(wǎng)感知、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，建立服務于軌道建設(shè)的輔助規(guī)劃、設(shè)計優(yōu)化、施工監(jiān)管、智慧運維的大數(shù)據(jù)智慧平臺，為管理者提供對工程質(zhì)量、進度、安全、成本的全過程精細化管控和決策工具。平臺采用傾斜攝影技術(shù)進行地表真實環(huán)境建模，實現(xiàn)地上建筑物、綠化、道路景觀，進行真實的三維表達，并可進行自由漫游瀏覽、地鐵線路巡游及建筑物屬性信息查詢，能夠?qū)Φ叵鹿芫€以及地質(zhì)進行BIM模型的建立，實現(xiàn)了GIS與BIM的有機結(jié)合，以便在地鐵施工時進行管線碰撞檢測分析，查看地質(zhì)情況，指導地鐵站的建設(shè)施工。

5 結(jié) 語

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)在交通運輸行業(yè)的深入應用，三維GIS技術(shù)與它們的結(jié)合，將推動三維GIS技術(shù)向智能化方向發(fā)展，并推動其成為交通信息部門的重要技術(shù)手段，實現(xiàn)對交通行業(yè)應用的智能高效管理。借助時空大數(shù)據(jù)和人工智能的數(shù)據(jù)挖掘與分析能力，交通三維GIS將能夠?qū)崿F(xiàn)高精度設(shè)施與交通流量等信息的自動化采集，通過對海量交通信息的分析，三維GIS中的交通行為監(jiān)管會更加智能并且具有準確的預見性，三維環(huán)境下的信息呈現(xiàn)手段也將更加豐富。在分布式技術(shù)加持下，三維的分析性能與渲染性能也將實現(xiàn)大幅度增長。基于新一代三維GIS技術(shù)與新型IT技術(shù)結(jié)合，將跟隨交通運輸行業(yè)信息化發(fā)展的步伐為行業(yè)應用提供堅實的支撐，創(chuàng)造更多的新模式、新應用。