基于3DGIS與大數據技術的隧道施工信息化管理平臺研究

林國慶，閔世平

(中國中鐵科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

0 引 言

隨著我國的經濟不斷發展，對交通網絡提出了更迫切的要求，建設現代化的交通網絡是國家經濟建設和社會發展的必然要求，因此我國的隧道建設作為交通網絡的重要組成部分也在不斷地發展當中。目前我國的隧道建設數量不斷增長，長隧道的建設也在以往的基礎上有所增加，施工難度也在不斷地加大。如何保證隧道施工的安全、質量與進度是隧道建設各方共同關注的問題[1]。

近年來，隨著我國“信息化”和“互聯網+”戰略的提出和大力推進，信息化技術在隧道施工過程中的應用得到不斷深入，在隧道施工的安全、質量和進度等方面起到了一定的促進作用[2]。

現行的信息化系統大多是基于單機或者單服務器的二維信息化管理系統，但隨著信息化技術的飛速發展，各類信息化新技術、新設備、新軟件在隧道施工中得到更廣泛的應用[3]，伴隨而來的是，數據量快速增長，大量類型各異的三維信息化數據的出現，各類信息化技術及系統獨立運行造成的數據不共享等問題，諸如此類的問題已然成為信息化技術在隧道施工中得以更深入廣泛應用的瓶頸，亟待盡早思考和解決。

(1)三維信息化數據的展示、查詢與應用問題。目前，隨著隧道建設項目在勘察、設計、施工中越來越多的使用新技術、新設備，隨之產生了越來越多的三維信息化數據，傳統的二維信息化系統已經如法滿足三維數據的展示、查詢與應用，且二維信息化系統，對信息的展示不直觀，信息表述效率低下，因此需要采用一種簡便高效、所見即所得的三維信息化展示、查詢和應用手段。

(2)多源信息化數據集成管理、共享與應用問題。隧道施工涉及設計、建設、施工、監理等多家單位，信息來源于多方，且各方對隧道施工過程產生的各類信息都有很強的分享需求；同時，施工中涉及的數據包括安全、質量與進度等信息，如何通過各種信息間的數據互聯互通，提供更加全面的信息，從而為施工的安全、質量、進度等的決策提供支持的需求也愈發強烈。但目前隧道施工中的信息化系統，大多為獨立運營模式，在實際工作中需要不斷切換各系統使用所需數據，且各系統間數據大多無法共享，影響了決策的客觀與全面，也大大降低了各方間的協作效率和工作質量。因此需要一個靈活方便的基于網絡共享的信息化數據管理集成平臺。

(3)海量異構信息化數據存儲、運算與應用問題。隨著隧道施工新技術、新設備以及物聯網與互聯網的發展，隧道施工產生的信息化數據量呈爆炸式增長，達到TB級甚至PB級，數據類型包括影像、視頻、文本、網頁等非結構化數據，傳統的關系型數據庫管理與單機運算方式已經無法滿足海量異構數據的存儲與運算要求。因此對于這些海量異構的信息化數據的存儲、運算與應用需要一種更加強大且快速的基于大數據的軟硬件架構體系。

為有效解決以上問題，需要利用三維GIS技術[4]，實現隧道信息的三維展示、查詢與應用，通過搭建三維隧道施工虛擬場景，并將隧道施工過程中的安全、質量與進度信息數據與三維地理坐標相關聯，通過一個統一的三維場景，實現多源隧道施工信息的集成管理，并通過大數據技術實現多服務器對三維海量異構數據的分布式計算、存儲與共享，開發基于三維場景的隧道施工空間大數據管理平臺，實現對隧道施工海量異構信息的高效存儲、組織、管理與共享。

1 三維隧道施工場景搭建

三維地理信息系統(3D GIS)，是將地理信息系統(GIS)技術和虛擬現實技術相結合的技術，它將GIS的空間查詢、分析和決策功能與逼真的三維可視化功能有機地結合在一起，增強了GIS系統的可視化效果和三維空間分析能力，是進行全方位、多層次、多要素時空分析的基礎[5]。

隨著隧道勘察設備的提升，航測、無人機、三維激光掃描儀等新設備的出現，勘察成果已經實現三維采集與制作，設計人員也已基于三維成果進行BIM三維設計，提供三維BIM設計成果。因此二維信息系統已經無法滿足隧道施工項目的管理，需引入三維地理信息系統，搭建三維隧道施工場景平臺。

1.1 施工數據分析

隧道施工項目，涉及項目的勘察階段、設計階段及施工階段，因此需要對隧道涉及的這些階段的數據進行統一集成與管理。對施工中涉及的數據進行分析如下。

(1)勘察階段數據：地形數據、影像數據、地形圖、地質三維BIM模型數據、地質勘察數據、環保、水文等矢量數據以及相關的屬性數據。

(2)設計階段數據：設計圖紙及資料，設計BIM模型數據。

(3)施工階段數據：安全、質量、進度等施工業務數據以及施工圖檔文件等數據。

1.2 施工數據處理

對各階段的數據進行分析后，可總結歸納為3類：空間幾何數據、屬性數據、文件數據。其中存在數據格式不統一、坐標系不統一的問題。

數據格式包含：各種軟件制作生成的BIM模型數據，地形數據，影像數據，矢量數據等。

坐標系包括：WGS84經緯度坐標系、工程獨立坐標系、CGCS2000大地參考系下的投影坐標系等。

三維地理信息系統軟件使用超圖地理信息軟件，數據處理的大致流程入如圖1所示。

圖1 數據處理大致流程

1.2.1 格式轉換

首先對所有數據進行格式轉換，使用SuperMap iDesktop 9D使之形成統一的數據格式，存入超圖文件型數據源UDB中，形成超圖空間數據集。

1.2.2 投影轉換

利用已知控制點推算各坐標系之間的轉換參數，將不同坐標系的數據統一轉換為WGS1984經緯度坐標系，方便系統進行統一加載、疊加顯示。

1.2.3 數據入庫

利用SuperMap iDesktop 9D將所有數據統一存入空間數據庫中。

1.2.4 緩存制作

對地形、影像、三維模型配置場景后生成利于在Web上傳輸的S3M緩存。生成緩存的時候需要通盤考慮模型使用場景，用于優化生成緩存涉及的各類參數。

1.2.5 數據發布

利用SuperMap iServer發布制作好的三維場景，如圖2所示。

圖2 三維隧道施工場景

2 空間大數據技術

隧道施工項目為線性工程，跨度大，因此隧道施工過程中涉及的數據量大、數據類型多樣，對于海量異構的隧道三維信息模型與施工過程中的安全、質量與進度信息的集成管理，傳統的基于單服務器的二維GIS空間服務已經無法滿足海量施工數據的集成管理和共享需求[6]，因此需要采用先進的空間大數據技術。

空間大數據技術是通過先進的IT大數據技術與GIS內核技術進行深度融合，為海量空間數據實現分布式存儲、計算的能力，從而大幅度提升海量空間數據的管理能力[7]。

2.1 空間大數據支撐技術

當前主流的大數據技術都基于Linux操作系統，這需要GIS基礎軟件支持跨平臺技術，同時在基礎云計算環境中也能為大數據存儲和計算提供資源的管理和運維能力。

跨平臺主要是指程序語言、軟件或硬件設備可以在多種作業系統或不同硬件架構的電腦上運作。即在一個熟悉的平臺上面開發的軟件或者程序，直接可以在其他平臺上正常的運行顯示而不需要對其原始文件或者原始代碼進行修改。基于跨平臺技術的軟件產品能夠滿足不同的技術環境、行業應用和用戶需求。

云計算的出現，帶來了彈性伸縮、按需訪問、資源池化、可實例化和成本低廉的計算資源，為解決當今時代GIS面臨的挑戰提供了新的思路，使得云GIS技術逐漸成為當前GIS領域的研究熱點。云GIS指的是由地理空間科學驅動并通過時空原則進行優化的云計算模式，使分布式計算環境中的地理空間科學發現和云計算成為可能。其實質是將GIS的平臺、軟件和地理空間信息方便、高效地部署到以云計算為支撐的“云”基礎設施之上，以彈性的、按需獲取的方式提供最廣泛的基于Web的服務。

2.2 空間大數據存儲

空間大數據存儲技術是通過對分布式文件系統和分布式數據庫的支持來提升更海量空間數據的存儲能力；通過融合業界主流的分布式計算框架，來為傳統空間分析算子擴展分布式計算的能力；同時將SOA的服務架構繼續實現功能解耦，通過更為精簡的微服務架構進行服務拆分，并實現微服務的資源精準匹配和REST API的外部調用；最后在各個終端加強和擴展大數據可視化的能力。

數據存儲主要涉及所有的空間數據格式以及大數據技術體系中常用的數據存儲技術，如Oracle、HDFS、MongoDB集群等等，它們存儲的數據既可以用于數據分析，也來自分析產生的中間數據和最終成果數據。

2.3 空間大數據計算

空間大數據分析計算技術的核心是對傳統地理空間分析算子擴展其分布式計算處理能力，也就是希望通過業界主流的分布式計算框架與GIS平臺基礎內核實現深度融合。目前主流的大數據計算框架以Hadoop的MapReduce和Spark為主。

基于Spark框架空間大數據組件，從內核擴展Spark空間數據模型，不僅基于分布式計算技術重構已有的空間分析算法，大幅提升海量空間數據分析的效率，并且針對大數據研發一系列新的空間分析算法，可直接嵌入到Spark內運行，解決空間大數據分析和應用難題。

2.4 空間大數據可視化

基于傳統的顯示方式，可視化的性能要依賴的數據庫的查詢效率、顯示硬件的效率等等都無法保證空間大數據正常地顯示。這種情況下，需要GIS軟件具備快速查詢和柵格化的能力，即在服務端根據瀏覽的范圍和比例尺等信息快速地在大量空間數據中進行查詢，并快速地渲染為柵格圖片，以WebGIS的方式發布并最終呈現給用戶。要支持這種能力，就需要基于空間大數據分析處理技術，并行地進行查詢和柵格化出圖的任務。這基本解決了靜態的空間大數據的顯示性能問題。動態數據的可視化主要利用分布式集群所提供的更多的資源，發揮GPU、大內存等單機設備的高效的運算能力，不斷突破系統硬件資源的限制來提高時空大數據的可視化性能，同時支撐多種可視化展現效果[8]。

3 隧道施工空間大數據平臺

根據空間大數據技術，隧道施工空間大數據管理平臺以云計算框架為基礎，使用虛擬化技術實現平臺軟硬件的分布式彈性部署，采用超圖空間大數據GIS服務引擎，把隧道施工中的海量異構數據導入平臺分布式非關系型數據庫MongoDB中，通過超圖空間數據服務器iServer進行分布式部署發布，通過集成的Spark模塊實現海量數據分布式計算，并使用JavaScript編程技術實現隧道的安全、質量、進度的在線填報、管理、統計、分析。整體平臺架構如圖3所示。

圖3 平臺整體框架

3.1 支撐層

本平臺使用VMware vSphere對基礎硬件進行虛擬化，達到按需擴展分配的要求，充分發揮硬件的性能。

3.2 數據層

本平臺使用的數據包括關系型數據庫和非關系型數據庫兩種。其中，關系型數據庫采用PostgreSQL，用作存儲矢量空間數據、BIM構件屬性數據、工程文檔地址數據等結構化數據；非關系型數據庫采用分布式的MongoDB，用作存儲BIM模型緩存、地形影像緩存等非結構化數據。

PostgreSQL主要實現在分布式框架下的SQL空間查詢功能，通過PostgreSQL數據庫管理系統改造傳統的關系型數據庫，雖然會造成一定的數據冗余，但是可以極大地彌補NOSQL數據庫在數據查詢方便的不足。

支持瓦片大數據的MongoDB分布式集群，用于構建分布式瓦片數據庫。

3.3 服務層

服務層采用超圖iServer空間大數據服務器，是基于高性能GIS內核的云GIS應用服務器，提供了空間大數據存儲、空間大數據分析、實時流數據處理等Web服務，并內置Spark運行庫，降低大數據環境部署門檻。該平臺，按照分布式集群的方式進行部署，基礎環境使用Linux操作系統。將SuperMap iServer基礎應用程序、包含大數據分析服務的擴展模塊部署在多個節點上，選擇基于分布式數據庫系統作為大數據存儲環境。利用該平臺，對海量影像、矢量及BIM模型進行切圖并生成緩存的工作，結果表明分布式計算比傳統計算模式性能提升20倍，大大提高了運算速度，節省了時間。分布式部署架構如圖4所示。

圖4 基于iServer的分布式平臺部署架構

3.4 應用層

本平臺應用層基于WebGL網絡3D繪圖協議與JavaScript編程技術以及超圖的iClient技術實現的三維GIS客戶端開發平臺，用于構建無插件、跨操作系統、跨瀏覽器的三維GIS應用程序。該系統平臺主要功能包括：三維模型管理，隧道施工進度、安全、質量管理，地表分析，分布式數據庫管理，智能統計分析決策，用戶及權限管理等功能。圖5所示為各功能模塊截圖。

圖5 隧道施工大數據管理應用平臺

4 結 語

本文結合現階段隧道施工項目信息化管理中存在的諸多問題，利用3DGIS技術構建高精度的隧道施工三維場景，直觀的三維管理界面大大簡化了施工人員的管理工作[9]。再利用以IT大數據與GIS內核技術為核心的空間大數據技術搭建隧道施工大數據管理云平臺，集成管理施工項目涉及的勘察、設計、施工過程中的各類海量信息與數據。平臺的分布式部署框架，大大提高了數據的存儲與分析能力，大大節省了計算時間，提供了工作效率。平臺有效的解決隧道施工項目海量異構信息化數據的管理和應用問題，為隧道工程開展3DGIS與大數據技術的推廣應用提供的一套解決方案，提高了隧道施工管理的信息化水平。