基于CIM的工程勘察數字化發布展示平臺研究

文｜北京理正軟件股份有限公司 曾艷 楊國平 崔年治 張志剛

引言

近年來，勘察成果數據的管理、展示、再利用方面的軟件作品有很多，主要分為兩種：一是軟件廠商編制的商品化集成展示軟件，如理正巖土BIM 集成展示平臺，其中有地質專題可用于勘察成果的展示與共享，但這個軟件只是單機工具軟件，只解決集成展示問題，不解決發布與共享問題。二是一些勘察單位自籌資金基于GIS技術建立了各種地質數據庫、勘察數據管理平臺，如北京市勘察院、青島市勘察院、鎮江市規劃局等。這些系統能夠解決勘察成果的積累問題，但都存在如下問題：采用私有云模式，系統建設成本很高；數據入庫工作量巨大；一般組織內使用，與外部人員共享困難；基于GIS，展示效果欠佳；未提供再利用接口。造成這種模式不能在整個業內推廣應用。

隨著互聯網、云計算、大數據、城市信息模型（CIM）等新技術發展，以及行業內勘探、物探、航測手段的不斷進步，出現了鉆探數據、物探數據、傾斜攝影、激光點云等多源數據，傳統單一數據展示和交付模式已經不能滿足需求。因此，構建全息、高精度工程勘察模型，疊加多維數據進行綜合展示，已成為行業發展趨勢。

本文提出基于CIM 技術，重新構建符合BIM 理念的新一代“勘察數字化發布展示云平臺”的構想，試圖解決前文提到的五個問題，對平臺的定位、功能、架構、關鍵技術進行了研究，并在平臺搭建成功后，采用實際案例進行了初步驗證。

1 平臺架構與關鍵技術研究

1.1 勘察數字化發布展示平臺的定位

勘察數字化發布展示平臺基于BIM 理念，作為“勘察BIM 一體化系統”的重要組成部分，其在一體化系統中位置如圖1所示。整個一體化系統，主要由“野外勘探采集APP、勘察生產管理云平臺、三維勘察CAD 軟件、勘察數字化發布展示平臺”四大部分組成。其中，勘察生產管理云平臺負責協同生產，下達勘探任務，接收野外勘探采集數據，協調土工試樣測試任務，監控工程進度等；三維勘察CAD 主要進行內業整理、完成勘察報告、生成圖件報表、三維模型、并完成數字化提交；野外勘探采集APP 負責接受勘探任務，錄入并上報野外勘探數據。

勘察數字化發布展示平臺（后文簡稱“展示平臺”）主要用于將“勘察全數字化交付成果”實現云端發布、可視化展現、高效率檢索、權限化共享與再利用。其使用對象包括土木建筑工程全生命期的各個參與方，如建設單位、總承包單位、勘測院、設計院、施工企業和政府監管部門等。主要用于勘察成果展示匯報、工程方案三維可視化研討、歷史資料再利用等場合。

1.2 展示平臺技術架構

圖1 發布展示平臺在勘察BIM 一體化系統中的定位

展示平臺采用分層架構設計，包括網絡層、服務器層、數據庫層、平臺層和功能層共五層。自下而上分別為：網絡層，基于公有云技術部署，能夠支持多租戶，傳輸與存儲具備很高的安全性，并具有負載均衡能力，以應對海量數據的存儲與訪問，用戶不必部署硬件、組網與運維，而是以年租用的方式使用，可大幅降低使用維護門檻；服務器層，包括Web 服務器、數據庫服務器、GIS 服務器、BIM 服務器和文件服務器等，可按照負載要求擴展，以滿足不斷增長的勘察工程交付成果的存儲、展示、查詢與再利用；數據庫層包括原始數據、內業整理數據、三維地質模型數據、構建筑物模型數據、其它數據等；平臺層基于開源三維地球cesium 框架，構建出適合地質三維數字化發布與展示的理正CIM平臺，包括在線GIS 圖層發布、BIM 圖層發布、各種格式轉換引擎，以及滿足地質體展示、剖切、渲染等特殊引擎；功能層，在理正CIM 平臺和MIS 平臺基礎上，開發一系列功能，構建出整個展示平臺。

1.3 關鍵技術與難點

（1）地質體的輕量化與瓦片化技術

地質BIM 模型中的地層體具有特殊結構特征，諸如連續場區地層面片數量巨大、透鏡體等形狀不規則、地層聯通性導致難以進行面片分組等問題，主要研究兩項關鍵技術點：一是地質體的輕量化處理，采用三角網簡化、相似圖元合并、紋理去重等；二是構建地質體三維模型瓦片，針對地質體特點進行地層模型LOD 分組，通過屬性進行圖元聯接運算；最后，通過展示平臺進行模型貼圖、顯示比例設置等，實現海量異構模型的平滑融合展示。

（2）不同精度三維地形的融合

因cesium 平臺中三維地形數據為金字塔分級瓦片數據，在展示場景中只能有一份，所以直接采用cesium 是不能展示項目范圍內的高精度三維地形的。為了顯示局部范圍高精度項目地形，需要完成兩項工作：首先，要完成局部高精地形與基礎地形融合，將項目范圍內各級地形瓦片進行替換，同時原始地形瓦片也必需保留，以供不顯示項目時使用。其次，需要建立高精度瓦片內存索引，修改cesium 中瓦片調度邏輯，當渲染引擎發現某個項目高精度瓦片已經進入視野，就要用高精度瓦片替換基礎瓦片。

（3）基于Web 技術的地質體實時剖切

在對地質成果進行展示匯報時，除了常規的展示內容與方式外，對三維地質體的剖切展示是必不可少的，這與建筑BIM中的構件也是完全不同的。剖切展示又分為兩種情況，一種是截面剖切展示，并不需要真的把地質體切開為兩個實體，而是利用顯卡中的三角面片進行實時遮蔽運算，隱藏掉切掉的三角面片，達到剖切展示的效果，但往往剖切面不會自動填充巖性圖例，展示效果欠佳；另一種是實體剖切，要把地質體進行水平、豎向切分，或者挖溝、挖洞、場地平整等運算，其結果是剖出了新的地質體，剖切面上也自然會有巖性圖例填充，展示效果非常好。因為剖切運算的計算量十分巨大，邏輯算法非常復雜，在Web 瀏覽器模式下，前端代碼實現剖切有很大的難度，運算也會非常慢。所以一般情況下都是在服務器端進行剖切，而將剖切結果返回到前端進行展示。

（4）地質BIM 模型在線發布技術

針對cesium 平臺不具備在線發布BIM模型的問題，需要開發BIM 模型在線轉換服務。這些服務利用多線程技術，實現BIM 模型的排隊后臺轉換。這種轉換一般分為兩步，首先要將原始BIM 文件格式（如rvt）進行輕量化，實現數模分離；然后對輕量化后的模型進行三維瓦片化處理，滿足CIM 平臺中的展示需求。因為轉換過程復雜，環節多，涉及的軟件也很多，因此其運行的穩定性不容易保證。為了解決轉換服務死鎖或崩潰造成的服務失效，采用部署相應的進程守護服務，監控服務程序的狀態，發現異常可以關閉死鎖進程并重啟的方式。

圖2 基于CIM 的工程勘察數字化發布展示平臺總體架構

2 系統功能設計研究

圍繞工程勘察數字化交付成果發布、展示和再利用需求，搭建了勘察數字化發布展示平臺，其總體功能框圖如圖3。

展示平臺主要包括發布、展示、檢索、分析、共享、接口六大部分功能，提供Web 與移動APP 兩種客戶端。分別如下：

應依據企業實際情況和市場人才培養需要，加大資源投入和校園建設。建設多媒體網絡教室、旅游專業實驗室、校外實踐教學基地等；以便于學生了解、學習和掌握旅游業前沿業務的流程，培養市場需要的旅游專業人才。根據學校實際情況，在原有實訓條件基礎上，升級改造配備調酒、茶藝實訓室、網絡化數字語言實訓室等，突出本地特色地位。

（1）交付成果在線發布

為了解決全勘察數字化交付數據缺乏統一管理和在線發布問題，在三維勘察CAD 軟件設計一鍵導入功能，將勘察全數字化交付數據包一鍵上傳。在服務器端實現數據入庫、文檔入庫、模型清理化轉換、地物坐標系轉換；并可自動完成模型與資料的關聯掛接，極大地降低了數據處理工作的難度，提高工作效率。

圖3 基于CIM 的工程勘察數字化發布展示平臺功能框圖

展示平臺提供了在線補充其他構建筑模型、管線模型等功能。可支持絕大部分主流BIM 模型格式，也可支持顯示激光點云、傾斜攝影等數據，實現地質模型與其他模型在Web 端流暢綜合展示，提高綜合展示效果，有利于成果方案的討論。

（2）模型及屬性數據的展示

針對海量、多源異構、多尺度、多級勘察數據的綜合展示效果和效率優化問題，研發Cesium 封裝及關鍵技術，構建勘察數字化發布展示云平臺，以圖層樹方式組織管理，支持分組或單個控制地形、地圖、矢量圖層、BIM 模型等實體的顯示、隱藏、透明顯示，查看地層及物理力學指標信息，提供爆炸圖、豎向放縮、巖性花紋、影像圖貼圖等多種顯示方式，方便操作人員查看數據。

（3）精準屬性、空間復合搜索方式

根據對象的屬性值，自定義高級查詢條件進行數據檢索。也支持地圖區域繪制圓形、矩形、多邊形、點緩沖、線緩沖、圓形緩沖查詢邊界、地物實時查詢、輸入坐標范圍的空間檢索方式，并且支持屬性與空間復合檢索。實現多維度精準檢索及定位，提高共享協作效率。

可以對地質模型進行豎向、水平向、斜向、指定軌跡線的靈活剖切，直觀查看地質體內部構造，并可通過剝層查看各地層的相互關系。

可設置漫游路徑，模擬在三維模型中飛行過程，查看周圍地質等環境。對成果分析、再利用提供有利分析手段。

（5）成果共享

權限安全機制：統一授權管理，實現單點登錄。可單獨設置不同人員、角色的功能權限；不同人員通過用戶名、密碼登錄云平臺后，根據擁有的功能和數據權限自動顯示對應的功能菜單和工程數據，保證了系統和數據的安全性。

方便的共享、再利用方式：對于發布的成果資源，提供二維碼共享方式，分享給系統外人員，并可控制時間期限；web 端提供瀏覽網頁的方式，查看輕量化的展示成果。

（6）提供再利用接口

提供組件式WebAPI 二次開發接口，方便用戶在線訪問發布的數據與模型，定制實現更為豐富的應用。

3 實際工程驗證展示

以深圳某市政快速路工程為例，該工程全長約37.4 公里，以橋梁、隧道及地面道路方式進入城市大道。工程規模較大，場地復雜程度、巖土條件復雜程度均為一級，技術人員搜集1455 個鉆孔資料，376個橫縱剖斷面，收錄到理正三維勘察軟件中，統計分析，成圖成表，生成勘察報告，建三維模型后，自動生成了數字交付數據包（成果圖表、數據庫、三維模型按數字標準目錄進行了自動歸類），一鍵提交到工程數字化發布展示云平臺，無縫對接各圖層目錄，無需繁瑣收集整理過程，標準化處理，簡捷高效。并導入了橋、防波堤、隧道、管線構建筑物模型、傾斜攝影進行綜合展示（圖4、5）。可視化顯示鉆孔、地層、剖線，控制顯隱，形象地展示巖土分層的分布規律，展示效果良好，便于方案討論、分析。

4 總結

基于CIM 技術，構建工程勘察數字化發布展示云平臺，在技術上可以滿足勘察數字化成果的發布、展示、再利用需求。在發布環節，通過一鍵提交在線發布功能，可以大幅度降低前期數據處理工作量與難度；在展示效果上，三維展示模式極大地提升了展示效果，有利于成果展示與方案討論；再利用環節，Web 無插件瀏覽，移動APP 的引入，共享連接方式以及WebAPI 接口的提供等，給成果再利用帶來了極大方便性。在推廣模式上，可以降低用戶使用資金門檻，有利于大批量推廣。

圖4 構筑物、地質模型輕量化展示

圖5 剖切結果展示