AR+BIM+GIS在鐵路施工組織設計外業調查中的應用

曹政國，古健，李致

（中鐵二院工程集團有限責任公司工程經濟設計研究院，四川 成都 610031）

0 引言

隨著計算機技術的迅速發展，大量新興技術被應用于日常生活和工程建設等領域，如增強現實（Augmented Reality，AR）技術應用于地圖導航，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）和地理信息系統（Geographic Information System，GIS）技術應用于鐵路建設，虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術應用于電子游戲等。AR可將計算機生成的圖形、文件、表格等虛擬信息有機融合至真實世界，對人的視覺系統進行景象增強或擴張［1］；BIM可使設施具有物理和功能特征的數字化表達，為全生命周期提供決策支持［2-4］；GIS可通過計算機對地理信息進行瀏覽、處理和分析［5-6］。在未來的鐵路工程項目中，所需的數據越來越精細，應用的技術越來越先進，很難依靠單一技術完成，多種技術的融合應用成為鐵路工程建設的必然趨勢［7-9］。

1 外業調查

鐵路施工組織設計外業調查是鐵路建設過程中不可缺少的一環，主要是對鐵路設計線路附近的場地基本情況進行調查，調查數據的詳細程度決定著施工組織設計文件的質量、施工場地大臨布置的合理性和鐵路工程造價的高低［10］。傳統的鐵路施工組織設計外業調查主要是輔助內業設計，流程是基于基本的鐵路線路數據到現場實地踏勘，然后在二維或三維地圖上進行文字標注和拍照記錄，標出該處是否可以布置大臨工程、是否作為砂石料供應點、是否需要路面拓寬、能否利用既有道路、是否需要修建便道等，標注后通過內業詳細整理，最終得到施工組織設計相關圖紙和文件。在內業整理中若發現調查點不合理，還要進行多次實地踏勘，耗費人力、耽誤工期。現有外業調查方式存在主觀性較強、實時性差、技術陳舊、風險大、成本高、不能立即得到調查數據是否合理的評價、不能瀏覽全生命周期調查數據等問題。因此，可綜合AR、BIM、GIS的技術特點，探討在鐵路施工組織設計外業調查中進行AR+BIM+GIS應用，以期解決現有問題。

2 硬件終端設備結構

在鐵路施工組織設計外業調查中進行AR+BIM+GIS應用，所需核心硬件終端包括以下幾種：

（1）圖像采集終端。負責采集鐵路線路沿線調查點的實景數據，如梁場場地、拌合站場地、料源點等。

（2）交互控制終端。用于收集調查人員的交互動作，如調查人員對虛擬數據的修改、調整等。

（3）圖形顯示終端。處理和展示虛擬數據和實景數據的綜合平臺，是硬件終端的核心，也是整個技術架構的中央樞紐，主要完成一系列調查人員指令的執行、數據的計算輸出、圖像的渲染等。整個終端系統可以是一個集成設備，如帶攝像頭的手機、平板電腦等；也可以是多個設備終端的組合，如“無人機+電腦+控制手柄”。

各終端之間相互協同，可為解決鐵路施工組織設計外業調查問題提供硬件支撐。硬件終端設備結構示意見圖1。

圖1 硬件終端設備結構示意圖

3 技術架構

在AR+BIM+GIS應用中，要建立硬件與軟件相互配合的整體結構，軟件技術是整個框架的核心要素。軟件技術總體架構思路為：以AR、BIM和GIS的數據為基礎，通過對數據進行虛實融合、交互控制、合理性評價和4D時空建模等一系列整理，最終將數據與各鐵路專業共享。

建立鐵路施工組織設計外業調查的軟件技術總體架構（見圖2）。如圖所示，軟件技術是骨架，而數據是在骨架節點中流動的“血液”。軟件技術服務于數據，數據也在軟件中不斷被清洗、過濾，最終得到調查人員期望的合理、純粹的數據。軟件技術與數據相互交融、組合成為一個共同體，相互協調、配合，共同解決鐵路施工組織設計外業調查的問題。

圖2 軟件技術總體架構示意圖

3.1 基礎數據

3.1.1 AR數據

所有實景數據、虛擬模型數據、屬性信息數據融合的整體可組成一種抽象概念數據類型——AR數據。AR數據具有實時性、三維性、操作性、移動性、海量性和形象直觀性等特點，是鐵路施工組織設計外業調查應用AR+BIM+GIS技術的核心，瀏覽顯示、建模、合理性分析等均在此基礎上完成。AR的核心是將實景數據、模型數據、GIS數據以及其他附屬數據進行匹配融合，各種數據需要隨實景數據的變化在時間極短的情況下同步更新，對硬件、算法和數據結構等有較高要求。

坐標轉換思路為：圖像采集終端的位置、視角、視距，決定著采集的實景數據；計算由圖像采集終端到視角范圍的GIS坐標范圍，將帶有位置信息的BIM模型，通過姿態調整與配準，疊加至視角GIS坐標；將視角和虛擬模型的GIS坐標投影轉換為圖形顯示終端的二維坐標（屏幕坐標），最終實現虛擬模型數據與實景數據的融合（見圖3）。

圖3 坐標轉換思路示意圖

經過幾十年的發展，AR技術已經較為成熟，可供選擇的二次開發SDK較多，如ARCore、AR.js、ARKit、ARToolKit等。其中，Apple公司的ARKit應用生態較好，該AR生態由ARSession、ARFrame、ARCamera等一系列子套件組成，可在多設備間應用。目前，ARKit已在IOS系統中取得較好應用，如AR測距、AR相關游戲等。

3.1.2 BIM數據

目前，通常采用Revit（Autodesk公司）、Open-Buildings Designer（Bentley公司）、CATIA（Dassault公司）等軟件進行BIM建模。BIM建模的核心是提高模型的復用率、強化模型的參數化。模型在修改參數后，可在其他工程中復用，減少了設計人員的工作量。BIM模型數據以文件形式存儲為主，可根據不同數據粒度構建數據文件。模型數據的粒度劃分比較困難，如果粒度太小，可提高模型復用率，但會導致數據體量呈現爆炸式增長，不利于傳輸和轉換；如果粒度太大，可解決模型快速傳輸和共享問題，但可能導致模型無法在類似工程復用。通常情況下，鐵路工程的構件模型以單項工程或單位工程的規模粒度進行構建，該粒度下模型既能保證數據整體性，又能提高模型構建的復用性。

外業調查所需BIM數據包括梁場模型、橋梁模型及其他普通模型，以梁場模型為主。常規梁場模型由制梁區、存梁區、生活區、鋼筋加工棚、龍門吊、運梁車和混凝土拌合站等組成，對這些區域分別構建參數化模型，根據不同梁場特點進行針對性的參數修改，可顯著提高模型復用率、減少工作量。在外業調查中的主要應用是BIM參數化模型顯示，即能在圖形顯示終端中對BIM參數化模型進行針對性參數調整。BIM模型在圖形顯示終端疊加，達到一定量時會影響性能，此時需要進行輕量化處理，通過簡化模型、減少冗余信息或利用軟件進行壓縮處理。經過輕量化處理，大幅減少了BIM模型數據體量、提升了模型顯示效率。

3.1.3 GIS數據

GIS數據包括地質圖、行政區劃圖、交通圖和專題圖等，在地圖中以柵格底圖要素以及點、線、面等矢量要素來體現。將矢量數據疊加至柵格底圖數據，可為鐵路施工組織設計外業調查提供數據支持。柵格底圖數據通常具有TB級的數據量，不能直接將所有底圖數據放置于設備中，需要以服務形式進行訪問。

目前，底圖服務主要有以下2種：

（1）開源地圖服務。以OpenStreetMap為主，由廣大普通用戶自主對地圖數據進行維護和更新。OpenStreetMap是應用最廣泛、用戶量最大的開源地圖服務，其數據在城市區域內較準確，但在其他區域數據較滯后。

（2）商業地圖服務。主要有高德、百度、天地圖、Google、Bing等，其數據由地圖服務商自行維護和升級，數據更新較快。

矢量要素數據可進行屬性、形狀位置的編輯，數據之間相互空間關系分析，以及數據與屬性數據之間相互關聯。主要包括線路、站場、路基、橋梁、隧道、軌道、四電、房建等專業的共享設計數據，以二維數據為主，可與柵格底圖進行疊加，有利于數據展示。矢量要素數據結合工程經濟類專業的現場調查數據，共同組成鐵路施工建設所需數據。目前，GIS技術已經相當成熟，不僅能以二維、三維方式展示地理數據，還可從宏觀角度對地理數據進行管理。采用ArcGIS Runtime、SuperMap控件加載GIS數據，在大數據量上有不錯的性能，也可提供豐富的API，并將構建的4D時空模型在地圖上呈現。

3.2 管理數據

管理數據主要通過虛實融合、交互控制、合理性評價、4D時空建模和全生命周期數據瀏覽等功能模塊，對基礎數據和調查數據進行整理，實現數據清洗和過濾，最終得到合理、詳細的數據。

3.2.1 虛實融合

實景信息是通過圖像采集設備捕捉的信息；虛擬信息是帶有位置信息屬性的BIM模型，如砂場模型、橋梁模型、梁場模型、拌合站模型等。基于圖像采集終端的位置信息及視野信息計算，映射至圖形顯示終端，虛擬信息與實景信息自動配準、融合和疊加，既增強了實景數據，又豐富了虛擬數據。

3.2.2 交互控制

在圖形顯示終端配合下，依托交互控制終端直接操作虛擬模型，直觀地對虛擬模型數據進行重新布置、旋轉、調整、縮放、翻轉、擴展和刪除等操作，實現沉浸式交互。虛實信息交互控制是AR的難點，主要包括以下3種方式：

（1）硬件控制交互。最成熟、成本最低、技術難度最低的交互方式，但不能直接與虛擬信息接觸交互，需要依托硬件支持。

（2）語義手勢交互。依托深度傳感器和深度攝像頭感知用戶手勢，通過傳感器解讀手勢語義，只能實現簡單的抓取、揮動等，具有一定局限性。

②粗砂：以黃色為主，局部灰色，主要組成成分為粗砂，濕，飽和，稍密，顆粒形狀多為圓形，含少量粉細砂和粘粉粒等，局部夾有礫砂。

（3）接觸型交互。利用攝像頭、傳感器和熱傳感等捕捉雙手動作，直接與虛擬信息交互，獲得視覺與觸覺的雙重體驗，是虛實信息交互的最終目標。目前，還沒有較成熟的產品。通過交互控制終端，直接對梁場、拌合站、材料場等模型進行參數調整和重新布局，也可查看編輯模型屬性信息。接觸型交互顛覆了傳統的操作模式，可直觀完成鐵路施工組織設計外業調查工作，增強外業調查工作的真實感。

3.2.3 合理性評價

鐵路施工組織設計的一項重要工作，是根據外業調查數據，通過內業進行合理性分析和重新整理，生成施工組織總圖、施工組織詳細平面圖、鐵路施工組織進度圖和鐵路施工組織說明文件。如果在外業調查時完成數據的合理性分析，如分析進度周期、規劃材料運輸路線、計算運距等，將大幅減少內業工作，提高施工組織設計效率，對后續施工、驗收等階段工作也有很好的指導意義。在完成地理、氣候、環境、歷史、設計、模型、地質等數據的調查和整理后，利用合理性評價模型，從經濟、環保、社會影響、施工、設計等方面進行合理性評價（見圖4）。獲得合理性評價結果后，若評價等級較低，應立即重新調整設計布置相關模型、及時更新相關數據；若評價等級高，表明調查數據和設計數據匹配合理。合理性評價模型的應用，可解決外業調查不能立即評價數據合理性的問題，簡化內業整理工作。

圖4 合理性評價示意圖

3.2.4 4D時空建模

通過AR技術實現虛實融合后，可進行4D時空建模，將帶有時間戳的實景信息、模型布置信息等進行統一構建處理，建立鐵路施工組織設計外業調查時期的4D時空模型。在鐵路工程的不同階段，具有不同詳細程度的模型數據，在模型數據中加入時間戳，可使其具備時間屬性，并隨時間推移不斷進化完善。將4D時空模型與GIS地圖結合，實現宏觀到微觀的全局數據瀏覽過程：縮小GIS地圖時，可從整體角度瀏覽整個調查數據在鐵路線路中的分布情況；放大GIS地圖時，可從局部角度瀏覽查看調查數據、BIM數據在施工場地中的詳細布置。

3.2.5 全生命周期數據瀏覽

3.3 共享數據

鐵路工程是一個復雜且龐大的系統工程，涉及專業眾多。只有各專業間溝通緊密、相互配合，才能完成鐵路工程建設。將調查數據和布置合理的數據通過互聯網發布至數據共享中心，可為內業整理或其他專業提供外業調查數據來源，避免重復工作，節約成本（見圖5）。通過不同專業技術人員對數據的更新完善，最終得到詳細、準確、合理的數據。數據的共享中心打破了不同鐵路專業間的數據傳遞壁壘，建立了數據溝通的橋梁，使各專業相互協作配合、共同推動鐵路工程的發展。

圖5 各專業間數據共享示意圖

4 結論

鐵路施工組織設計外業調查在應用AR+BIM+GIS技術后，實現了實景影像和虛擬數據的疊加融合，可直觀、形象地展示BIM設計模型信息，并實現沉浸式數據交互、全生命周期4D時空數據瀏覽、調查數據的合理性評價等，也能從宏觀到微觀、整體到局部、初期到末期等多個角度全方位瀏覽各類數據，實景數據與虛擬數據不斷迭代優化、相互促進完善。通過數據共享中心，各鐵路專業間協同提高了調查數據質量，更全面、細致地為建設鐵路工程服務。通過應用AR+BIM+GIS技術的功能及要點，創新了鐵路施工組織設計外業調查的方式，也順應了鐵路工程建設中應用多技術融合綜合解決方案的發展趨勢。