基于BIM+GIS的鐵路三維場景快速建立方法研究

張鈺，董鳳翔，趙亮亮，黃旎詩

（中鐵二院工程集團有限責任公司 BIM中心，四川成都 610031）

0 引言

隨著BIM技術的快速發展，其在建筑領域得到了越來越廣泛和深入的應用。國際標準組織設施信息委員會（Facilities Information Council）將BIM定義為：BIM是在開放的工業標準下對設施的物理和功能特性及其相關的項目全生命周期信息的可計算、可運算的形式表現，從而為決策提供支持，以更好地實現項目價值[1]。

同單點建筑相比，鐵路工程項目有其自身特殊性。鐵路工程項目一般呈大范圍帶狀分布，具有工程難度大、涉及專業繁多、地形地質條件復雜等典型特征，傳統管理模式不能滿足多維信息共享與管理[2]，單純依靠BIM技術無法從宏觀尺度對整個工程項目進行整體把控。

GIS是在計算機軟硬件環境支持下，對整個或部分地球表層空間數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的計算機系統。BIM側重于單體建筑的精細化表達，GIS則主要針對全局整體的地理信息管理[3-4]。因此，充分開展BIM與GIS融合應用研究，建立鐵路三維場景，在鐵路工程勘察設計階段以三維可視化形式直觀展示設計方案，并結合地形地質等條件對設計方案進行審查和優化，能夠最大程度挖掘BIM+GIS在鐵路工程前期工作中的巨大應用價值。

1 研究現狀

BIM與GIS融合能夠實現由室外到室內、由宏觀到微觀和多層次多粒度的場景漫游與查看，具有廣闊的應用市場，目前已有大量研究。王樹臣等[5]采用語義映射的數據集成方法實現了BIM與GIS的融合，并探討了其在水利工程、鐵路橋梁工程、地下管網、場地分析等領域的應用。在鐵路工程領域，操鋒[6]對BIM+GIS在鐵路行業全生命周期的應用進行了探討；范登科等[7]通過對鐵路工程信息模型分類及存儲標準進行研究，為鐵路信息化建設過程中BIM與GIS融合提供了新的思路和方法；任曉春[8]針對鐵路勘察設計階段BIM與GIS融合方法，提出了地形局部修改套合、模型多分辨率與輕量化、語義信息傳遞、面向服務的架構等尚需解決的技術難題。

從三維GIS平臺角度，蔡文文等[9]通過IFC與CityGML的語義映射和幾何過濾，實現了BIM與SuperMap GIS的數據集成，并通過實例化技術、LOD調度，實現了大規模BIM數據在SuperMap GIS中的高性能渲染與可視化；倪偉[10]通過對CityMaker平臺進行分析和試驗，總結出一套適合鐵路BIM數據處理的解決方案，初步實現了海量BIM設計成果與三維場景的集成。

關于鐵路工程項目三維場景創建也取得了一定研究成果。夏宇等[11]從三維地形環境建模、鐵路構造物建模、鐵路附屬設施建模等方面著手，構建了鐵路BIM三維線路場景，實現了鐵路選線環境的三維可視化；朱穎等[12]提出一套面向鐵路行業的三維場景快速構建一體化技術，主要包括鐵路帶狀三維地形快速構建、大范圍帶狀分布的鐵路線路實體模型快速構建和地形三維與實體三維模型的有機融合等。

綜上所述，BIM與GIS的融合以及基于BIM+GIS的鐵路三維場景快速構建，需要基于三維GIS平臺，從數據集成角度出發，結合鐵路領域業務流程，形成統一規范，從而保障三維場景的時效性、精確性、可擴展性。

2 鐵路三維場景構建流程

三維場景快速構建方法以測繪成果和設計資料為基礎，以開發的輔助設計軟件、場景制作工具和插件為依托，結合三維場景的應用和需求，實現三維場景快速制作和配置，融合地形地貌等地理空間信息、鐵路構筑物模型等設計信息和地質、環保等專題信息，為設計方案的可視化提供支撐。

2.1 地形模型生成

鐵路三維地形模型由數字高程模型DEM和數字正射影像DOM疊加計算得到。其中，DEM數據可根據DWG格式原始地形圖文件（一般為1︰2 000或1︰500比例尺）生成（見圖1）。

圖1 DWG格式原始地形圖

具體流程為在AutoCAD軟件中利用插件提取等高線、高程點（見圖2）等圖層數據，并存儲為三維點坐標文件，然后將其導入Global Mapper軟件，并基于高程點計算高程格網數據（見圖3），然后經過裁剪等處理后輸出為特定格式的DEM數據。

圖2 三維矢量高程點

圖3 高程格網數據

由于鐵路工程項目呈大范圍帶狀分布，為保證鐵路沿線三維地形的高精度和三維場景的協調性，同時控制三維場景的大小。采用的處理辦法為：不同精度及層級DEM（見圖4）和DOM數據混合使用，對線路沿線一定范圍內（如20 km）的地形模型與影像采用高分辨率數據，對距鐵路線較遠處（如大于20 km）采用低分辨率數據（如13級谷歌影像和90 m分辨率SRTM高程數據，見圖5），兩者無縫銜接。

圖4 2m分辨率高精度DEM數據

圖5 90m分辨率SRTM數據

生成三維地形的操作在TerrainPush軟件平臺中進行，將DEM、DOM等數據作為輸入，進行預處理和參數設置后進行計算，即可生成對應三維地形模型（TED格式），具體模型創建流程見圖6。

圖6 三維地形模型創建流程

生成的高精度三維地形模型具有豐富的空間信息，是建立BIM+GIS三維場景的基礎，能夠直觀反映鐵路沿線的地形地貌特征（見圖7）。

圖7 高精度三維地形模型

2.2 鐵路構筑物模型建立

鐵路工程項目涉及專業眾多，包括線路、橋梁、隧道、站場、路基、地質、軌道、接觸網、通信信號等。為了各專業間能夠高效協同工作，搭建了基于Bentley ProjectWise的協同設計平臺，實現設計標準統一、專業內及專業間資源共享，統一各方工作，提升工作效率。

此外，開發了針對各專業的BIM輔助設計軟件，利用建立的構件庫和模板，基于設計圖紙進行參數設置，快速建立全線各專業的三維BIM模型（見圖8—圖10）。

圖8 線位輔助設計程序

圖9 橋梁BIM模型

圖10 站房BIM模型

2.3 BIM與GIS融合

BIM與GIS融合主要實現鐵路構筑物模型由BIM平臺格式（如DGN格式）向三維GIS平臺格式（如FDB格式）轉換，同時保證模型幾何、屬性、紋理、材質、編碼、參數和附加信息等不能丟失。

在對BIM模型進行格式轉換后，對其坐標系進行定義。由于鐵路線路長，為減小誤差，通常采用分段投影方式，通過開發的工具只需提供各模型的坐標信息表，即可實現模型坐標系的批量定義。

對于穿越城市的鐵路，利用開發的處理程序和建筑物矢量數據（包括外輪廓和高度），快速拉伸出建筑物模型并貼上紋理，具體融合效果見圖11。

圖11 BIM模型和三維地形融合效果

將設計信息附加到BIM模型上，經過BIM與GIS融合后，能夠在三維場景中查詢模型對應的屬性信息。

2.4 專題信息配置

在鐵路工程三維BIM+GIS場景中，除三維地形模型和三維鐵路構筑物模型外，需針對具體應用需求對影響鐵路設計方案的重要因素以專題圖的形式接入，主要包括環保區域、不良地質、斷裂帶、大臨設施分布等。

根據鐵路三維場景制作經驗，其中對于場景中常見要素的表示方式進行約定（如填充色、邊框寬度、高度模式等），基于該約定并通過插件開發，能夠實現三維場景中專題信息的快速配置（見圖12），并保證風格統一。

圖12 場景中添加專題信息

2.5 場景標注配置

鐵路工程三維場景中涉及的標注主要包括里程標、工點標、地名標等。通過在Bentley OpenRail Designer平臺進行二次開發，實現針對里程標和工點標的快速提取。提取里程標是以鐵路線位為輸入，并設置需要提取里程的間隔（100 m、1 km等），然后執行提取操作；提取工點標是以線位和工點表為輸入，輸出工點名稱、位置等信息。

通過上述操作得到的點數據為JSON格式，記錄了點的三維坐標，將其轉換為Shpfile格式，并按設置的顯示規范將其加入三維場景中，實現所需的標注配置效果（見圖13）。

圖13 標注配置效果

3 結束語

結合基礎地形測繪資料和鐵路設計資料等數據，介紹鐵路三維場景快速構建方法，包括三維地形模型創建、鐵路構筑物BIM模型快速生成、BIM與GIS融合、專題信息接入與快速配置、場景標注配置等，相關流程和內容基于三維GIS平臺CityMaker進行說明。

根據創建的BIM+GIS三維場景，能實現鐵路設計方案的快速展示、比選分析，有利于鐵路設計各專業間的信息共享。隨著鐵路建設階段的推進，不斷完善三維場景并提高精度，能夠推動BIM技術在鐵路工程項目設計、建設、運維全生命周期的應用。